P92钢焊接接头蠕变损伤的非线性超声检测研究

2020-09-25黄桥生任德军章亚林刘胜利

应用声学 2020年3期

黄桥生任德军章亚林刘胜利

(1 国电科学技术研究院有限公司武汉 430066)

(2 国电长源电力股份有限公司武汉 430066)

0 引言

耐热铁素体、奥氏体和部分新材料已经在现有600°C 超超临界机组中得到大规模的应用[1-2]，其中9%～12%Cr 马氏体钢所占比重越来越大。这些用于电站燃煤锅炉的耐热钢材料长期在十分恶劣的环境介质中运行，材料微观组织与机械性能发生劣化，机组频繁起停，也加剧材质劣化，产生蠕变损伤，在运行中发展成裂纹，从而导致金属部件的损伤失效[3]。

对于蠕变损伤，文献[4—9]使用CDM 方法对焊件变形和失效进行了分析。Tu 等[10]使用本构方程模拟了服役材料的蠕变行为，研究了焊件损伤的发展，在此基础上提出了基于损伤的设计准则。Becker 等[11]列出了大量的标准例子，包括单轴、双轴和多轴应力状态下的蠕变损伤。李兆霞[12]研究发现，T/P92 钢接头IV 型蠕变断裂过程中，孔洞首先在内部产生，最后才扩展到管道外表面，因此，用现场覆膜金相方法检测孔洞并不适用，需要开发新的检测方法。

声波是一种以波动形式传播的机械振动。当声波在固体介质中传播时，波动方程仅在一定条件下才被近似认为是线性的，而当线性化的条件不能满足时，波动方程则被认为是非线性的。当一列具有足够强度的正弦波在固体介质中传播时，超声波会与固体介质发生非线性的相互作用并产生高频谐波。通常把振动系统的最低固有频率称为基频或基波，谐波是指频率等于基频整数(n)倍的正弦波。声波在介质中传播以及在发射和散射时，都具有非线性效应，导致产生谐波。因此基频也称一次谐波，频率为基频2倍的正弦波称为二次谐波。

同时，这些谐波信号与介质的微观组织结构密切相关，例如材料的位错密度变化、位错与析出相间的交互作用以及材料损伤过程中所形成的微孔洞和微裂纹等结构特征都会引起非线性效应以及谐波幅度的改变。因此，通过测量高频谐波的幅值或是用来表征非线性效应大小的非线性参数，即可以在一定程度上反映介质内部微观组织的变化状况。在金属的蠕变过程中，晶体的塑性滑动所形成的孔洞实质上是组织中细微的不连续现象。超声检测技术具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速度较快、成本较低、设备相对简单、对人体无害等一系列优点[13]。在非线性理论研究方面[14-15]，国内外研究者对非线性声学所涉及的问题，如非线性弹性动力学及非线性波动方程进行了比较深入和系统的研究。王学等[16]研究发现，IV 型断裂是接头细晶粒HAZ 萌生蠕变孔洞、晶界蠕变孔洞长大、聚集最后形成微裂纹。目前国内外的研究者较多地运用非线性超声技术表征金属构件疲劳、塑性损伤、蠕变、高温热损伤等状态。然而，对于采用非线性超声技术表征和评价P92钢焊接接头部位蠕变损伤的研究报道还相对较少。由于P92钢焊接接头在高温高压下存在IV型开裂行为，导致焊接接头的蠕变寿命显著下降。因此开展P92钢焊接接头蠕变损伤的非线性超声检测研究，对保证我国超超临界发电机组的安全可靠运行具有重要的理论意义和应用价值。

1 非线性超声平台的搭建

本文使用RAM-5000-SNAP 非线性检测系统测量材料非线性二次谐波参数。非线性检测系统包含脉冲发射器、匹配阻抗、衰减器、超声换能器以及示波器。其中脉冲发射器用于激发高能射频(Radio frequency,RF)脉冲群，同时要求加载在发射换能器上的输出电压不小于450 V，输出功率不小于500 W。

试验前，在高能射频脉冲发射器的输出端口依次连接一个50 Ω 的匹配阻抗、RA-6 大功率可调衰减器、两个FDK5 双工器(Stage 1 和Stage 2)以及超声换能器(5 MHz 发射探头)。其中，50 Ω 的匹配阻抗用于保证信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同。RA-6 型可调衰减器则用于承受输出功率的衰减，同时可以检验谐波的发生是来源于声学样品而不是系统的射频门放大器(对于声学系统来说，1 dB 基频波信号的衰减将导致2 dB 二次谐波信号的衰减，二次谐波的振幅与基频波振幅的平方成正比)。FDK5 双工器具有一个截止点功能，即截断任何超过工作频率5 MHz以外的频率分量；同时，FDK5双工器还可以对门控放大器所产生的谐波频率进行衰减。在脉冲发射器的接收端口则连接PAS-0.1-40 型前置放大器以及超声换能器(10 MHz接收探头)，以此来接收基本波信号和二次谐波信号。非线性超声系统的搭建及其模块示意图如图1所示。

图1 非线性超声系统的搭建及其模块示意图Fig.1 The construction of nonlinear ultrasonic system and its module schematic diagram

超声检测采用纵波法，发射探头与接收探头的型号为SIUI，直径为Φ=6 mm。测量前用超声耦合剂对探头接触的试样表面进行耦合，耦合剂的用量要适度。脉冲发射器的外置接口上连接一台示波器，用于观察接收信号在时域范围内的波形(见图2)，系统激发的射频脉冲信号周期根据被测工件的厚度及材质进行设定。在试验中统一将脉冲发射信号的周期设置为13，同时使用汉宁窗对一次底波信号进行调制。此外，当软件系统对时域信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier transformation,FFT)之后，在系统中即可读出基波以及二次谐波在频域内的幅值。

采用加速试验方法制作P92钢焊接接头(焊接接头由焊缝(Weld metal,WM)、热影响区(Heat affected zone,HAZ)和母材金属(Base metal,BM)组成)蠕变损伤试样，试验采用的温度为650°C，施加的应力为95 MPa。

为研究不同蠕变寿命P92钢焊接接头各区域材料微观损伤与超声非线性二次谐波之间的相互关系，分别对原始试样、蠕变312 h(20% 蠕变寿命)、624 h(40% 蠕变寿命)、936 h(60% 蠕变寿命)、1248 h(80% 蠕变寿命)以及1560 h(蠕变断裂)的P92 焊接接头进行非线性超声测量。焊接接头非线性超声评估的位置如图3所示。每根试样的测量部位涵盖焊接接头的所有区域(即母材、热影响粗晶区、细晶区以及焊缝)，由于P92钢焊接接头为非均匀组织，非线性超声试验的测量位置一共包含5 个点，其中第1 点、第5 点为P92 钢母材组织；第2 点、第4点为热影响区组织；第3 点则为焊缝组织。同时结合金相试验结果，研究非线性二次谐波参数变化与蠕变损伤之间的联系。

图2 非线性超声装置示意图Fig.2 Diagram of nonlinear ultrasonic device

图3 P92钢焊接接头非线性超声测量位置Fig.3 Nonlinear ultrasonic measurement position of P92 steel welded joints

2 P92钢焊接接头的非线性超声检测

为了验证测量的非线性是否来自于材料本身，对不同输入电压下基波和二次谐波的幅值进行了校验[17]。图4(a)为原始P92钢焊接接头试样母材位置(测量点1)处的频谱图。图中非线性超声所测得的频谱曲线同时包含5 MHz 以及10 MHz 的信号，它们分别对应着基波A1 以及二次谐波A2 频率分量，然而与基波幅度相比较(A1≈4 V)，二次谐波A2 的幅值明显较小且不在一个数量级上；图4(b)为断裂试样(即蠕变1560 h)母材位置(测量点1)处的频谱图，可以发现，蠕变试验后P92钢母材组织的二次谐波A2幅值发生了波动与改变。黄桥生等[18]研究发现，采用传统超声无法进行蠕变损伤的评定，基波A1 无法评定蠕变损伤，因此本文主要开展非线性二次谐波(A2)波幅变化与蠕变损伤研究。

图4 P92钢焊接接头母材组织非线性超声测量频谱图Fig.4 Nonlinear ultrasonic measurement spectrum of P92 steel welded joint base material

3 超声非线性信号与蠕变损伤研究

为了准确地研究蠕变试验后P92钢焊接接头中传播的超声波二次谐波随时间的变化，本文将所观察的频谱范围聚焦在9.5 MHz～10.5 MHz，即单独对二次谐波幅值的变化做观察。

图5、图7、图9为P92钢焊接接头各区域二次谐波幅值随蠕变时间的变化示意图。可以看出，随着蠕变时间的延长，焊接接头母材、热影响区以及焊缝区域的二次谐波幅值(即10 MHz 信号)都呈上升趋势。然而，各区域的A2值在焊接接头蠕变寿命的40%以内增加都相对较小，而在之后的蠕变过程中增加明显。从图5 可以看出，与原始试样相比较，蠕变1248 h 后接头母材二次谐波值增加到2 倍左右，此时母材区域所产生的蠕变孔洞较少(见图6)。从图7 可以看出，与原始试样热影响区相比较，蠕变1248 h 后接头热影响区二次谐波已经增加超过了3倍以上，此时蠕变孔洞显著增加，且孔洞尺寸变大(见图8)。从图9 可以看出，与原始试样焊缝区相比较，蠕变1248 h 后接头试样焊缝区二次谐波增幅仅为40%，焊缝区域的晶粒尺寸较为粗大，然而焊缝区域的蠕变损伤程度较小，500 倍光学显微镜下并未发现有明显的蠕变孔洞形成(见图10)。

图11为P92钢焊接接头蠕变试验后的非线性二次谐波参数变化示意图。总体来看，焊接接头各区域的二次谐波随着蠕变时间的延长而增加。在蠕变寿命的40%以内，热影响区二次谐波的变化幅度较小，而在后续的蠕变过程中相对明显。在到达蠕变破断寿命后，热影响区的二次谐波上升了3 倍左右，为P92钢焊接接头中的最大增长点；焊缝组织的二次谐波为接头中的最大值，然而由于其初始值较高，因此在蠕变过程中，焊缝位置二次谐波的增幅最小；接头母材区域的二次谐波在蠕变过程中也发生了明显的增加，然而相比热影响区来说，二次谐波在母材区域的增幅相对较小。