基于磁巴克豪森效应的P92钢热老化状态检测

2023-12-09曾晨明丁同乐刘向兵雷屹坤陈怀东王海涛

无损检测 2023年10期

曾晨明,丁同乐,刘向兵,雷屹坤,陈怀东,王海涛

(1.中广核检测技术有限公司, 深圳 518031;2.南京航空航天大学自动化学院, 南京 210016;3.苏州热工研究院, 苏州 215004)

目前我国电力来源的重点仍是燃煤发电机组,而高强度的耐热钢能够为其安全运行提供保障[1]。P92钢是一种铁素体耐热钢,以其优异的高温性能被广泛应用于超超临界机组的锅炉和主蒸汽管道中[2],但由于其长期在高温、高压、强腐蚀环境下工作,材料内部会产生位错密度改变和金属元素析出等微观结构变化,称为钢的热老化现象,宏观表现为材料硬度、屈服强度和冲击吸收功等力学性能变化[3],当材料的力学性能不能满足实际工作需求时,需要对其进行更换,否则就会引发安全事故。因此为确保火电厂安全有效地运行,需要对P92钢材料的热老化程度进行监测。

P92钢材料的无损检测方法主要有超声检测和磁巴克豪森噪声(MBN)检测。超声检测方法需要耦合剂且设备昂贵,不适用于P92钢热老化程度的检测。P92钢热老化的根本原因是位错密度变化和金属相析出等微观结构的改变[4-6],而MBN 信号对此类缺陷敏感,可在保证材料完整性的同时进行检测,同时检测便捷,适用于现场和在线检测[7-8]。

1 试验与分析

1.1 试样制备与MBN信号测量

试验对象为进口威曼高登P92耐热钢,该材料用于国内某电厂超超临界机组主蒸汽管道。

为了方便后续对被测试件进行扫描电镜和电子背散射衍射分析技术的观测和研究,设计P92钢试件的尺寸为15 mm×15 mm×1 mm(长×宽×高),所检测的P92钢试件分为两种,一种是已知硬度(HB)分别为165,175,185,205,215的试件,另一种是已知服役时间分别为0,3×104,4.9×104,5.6×104,7×104,9.3×104h的试件,试件实物如图1所示。

图1 P92钢试件实物

基于MBN产生原理研制了一套P92钢热老化检测仪器,检测仪器的硬件框图如图2所示。该仪器整体设计轻巧,并通过增加大容量的锂电池组进行供电,使检测仪器能够用于现场检测。

MBN信号检测的缺点是信噪比低,虽然在获取MBN信号的过程中通过硬件高通滤波电路滤除了低频干扰成分,但硬件以及周围环境的干扰仍然会使得MBN 信号信噪比降低。故为了提高信噪比,选用时、频域相结合进行信号分解的小波包算法以及可以对信号进行自适应分解的VMD算法来对MBN信号进行处理。

1.2 基于小波包分解算法的硬度测定试验

应用小波包算法需选择合适的小波基函数[9],选用Dmey小波函数作为小波基函数,其具有良好的对称性和光滑性,可以进行快速离散小波变换[10],能够有效呈现MBN信号中的有用信息。

检测标准P92钢得到其MBN 信号,其基于启发式阈值原则的硬阈值方法和软阈值方法[11]的降噪信号图像如图3所示。

采用启发式阈值原则的硬阈值、软阈值方法对硬度分别为165,175,185,205,215的P92钢试件进行基于MBN 的检测,对检测结果进行量化,其能量比和均方根误差如表1所示。从表1可知,启发式硬阈值的方法对MBN信号进行降噪处理时的能量比大、均方根误差小,可以获得较好的滤波效果。

表1 不同硬度P92钢的MBN信号小波包降噪后的能量比和均方根误差

1.3 基于VMD算法的硬度测定试验

采用VMD算法对标准P92钢的MBN 信号进行处理。按分解个数K值(分别为2～10)进行VMD 分解。在试验中,可以通过在最佳临界K值和K-1的分解层数分别进行信号比较,通过分析试验所需信号所处的频带和分解结果,筛选出最佳K值[12]。为了使包含MBN信号特征频带信息的分解信号充分显示,选择K值为4进行VMD 分解。

通过计算互相关系数和能量比,可以筛选出有效I MF 分量,再使用有效I MF分量来进行MBN信号的重构。相关系数可表示为

式中:X为I MF分量信号;Y为原始信号。

经过计算,MBN信号经过VMD分解后各分量的能量比和互相关系数C如表2所示。从表2可以看出,I MF3分量能量比和互相关系数都远大于其他分量,因此选择了信号的I MF3分量作为滤波处理后的信号。

表2 原始信号与各个分量的能量比与相关系数

基于此处理过程采用VMD算法对硬度(HB)分别为165,175,185,205的P92钢试件的MBN检测信号进行处理,其能量比和均方根误差如表3所示。

表3 不同硬度P92钢MBN信号VMD分解结果

通过对比不同硬度P92钢的MBN检测信号经过小波包算法和VMD算法降噪处理得到的能量比与均方根误差两个参数的大小,发现基于启发式硬阈值原则的小波包算法降噪效果最优,因此使用此方法作为滤波算法。

1.4 硬度试验特征值提取结果分析

提取滤波处理之后的MBN 信号4种典型特征值,即均方根、峰峰值、半高宽和包络面积,不同特征值与P92钢硬度的关系曲线如图4所示。

图4 MBN信号4种特征值与硬度值的关系曲线

图4(a),(b),(d)中均方根、峰峰值、包络面积随着硬度值的增大逐渐减小,且近似为线性关系,图4(c)中半高宽随着硬度值的增大逐渐增大,但硬度在大于175后,半高宽的增大明显变缓。此4种特征值的变化表明,随着P92 钢材料硬度的增加,MBN信号逐渐变得“矮胖”,与文献[13]描述一致。

2 P92钢热老化规律试验

对超超临界机组主蒸汽管道未服役P92钢样品以及服役时间分别为3×104,4.9×104,5.6×104,7×104,9.3×104h的P92钢试样分别进行了3次MBN检测,并对检测结果进行基于启发式硬阈值原则的小波包算法处理,绘制4种特征值与服役时间的关系曲线,其结果如图5所示。

由从图5可知,当服役时间小于30 000 h时,均方根、峰峰值和包络面积均有小幅度的下降,半高宽呈小幅度的上升态势,表现为材料硬度小幅度的增加,在此阶段材料的性能有所提升;当服役时间为30 000～70 000 h时,均方根、峰峰值和包络面积均上升,半高宽下降,表现为材料的硬度逐渐减小,在这一阶段材料的性能下降较快;当服役时间大于70 000 h时,均方根、峰峰值和包络面积均上升缓慢,表现为材料硬度减小趋于平缓,在这一阶段,P92钢材料在长时间服役过程中热老化程度达到一定阈值,由老化带来的性能下降速率明显下降。

P92耐热钢服役过程中发生的微观结构变化可以归结为4种强化机制所涉及的微观组织结构演变,在4种强化途径中,固溶强化效果有限。亚结构强化和位错强化起到降低硬度作用,而析出相强化起到增加硬度的作用[14]。析出相强化是指高温条件下析出的大量第二相会随着硬度条件的增加在尺寸、分布等方面发生变化,第二相颗粒在其周围产生应力场,阻碍位错的运动,从而提高材料的强度。对于亚结构强化,P92耐热钢中最主要的亚结构为马氏体板条结构,服役时的强化效果主要靠板条来实现,板条宽度越小,数量越多,强化效果越好。对于位错强化,P92钢制备的回火过程中形成的位错网络结构是较为理想的位错低能组态,这种位错网络结构的存在,在稳定马氏体板条中的亚晶粒结构的同时,对提高P92钢的热强韧性和热稳定性具有重要的作用。

使用SEM(扫描电子显微镜)对试样进行观察,发现当服役时间小于30 000 h时,析出相强化起到增加硬度的效果,使P92钢材料硬度相较于未服役状态时的硬度有小幅度增加,当析出相达到强化值的临界尺寸之后,由于析出相强化对材料硬度值的增加效果有限,材料的硬度值随着服役时间的增加逐渐降低,并在70 000 h之后,由于固溶强化、亚结构强化和位错强化相关的微观结构达到稳定值,材料硬度值的下降趋于平缓。