溫度對奧氏體不銹鋼材料電磁超聲檢測的影響研究

劉會彬，鄭　陽，王鋒淮，李素軍，鄭　暉

(1. 浙江省特種設(shè)備檢驗研究院，浙江 杭州 310020； 2. 中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

奧氏體不銹鋼材料被廣泛應(yīng)用于石油、化工、天然氣、電力等行業(yè). 高溫環(huán)境下，奧氏體不銹鋼材料易出現(xiàn)疲勞、蠕變、熱老化等，最終會形成宏觀缺陷并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效. 如果未被及時發(fā)現(xiàn)將會造成重大經(jīng)濟損失. 高溫運行設(shè)備檢測時需要在線檢測，當(dāng)被檢材料處于高溫狀態(tài)時，超聲波的傳播速度和聲波幅值都將受到顯著影響，導(dǎo)致超聲波檢測困難. 此外，高溫環(huán)境下的超聲檢測對探頭和耦合劑都提出了新的要求. 例如，常規(guī)壓電換能器中的壓電晶片特性在高溫下會顯著下降，因而難以用于高溫、高速、粗糙表面的檢測. 電磁超聲(EMAT)技術(shù)通過電磁聲耦合效應(yīng)實現(xiàn)換能、激勵和接收超聲波，具有非接觸、無需耦合及對被檢試件表面要求不高的特點. 因此，電磁超聲被廣泛應(yīng)用于高溫檢測. 然而，在電磁超聲高溫檢測應(yīng)用中，溫度不僅影響超聲波在材料中的波速和衰減，也會改變材料的電性能和磁性能，從而影響檢測信號，故高溫下的檢測需要一定的標(biāo)定和補償，研究溫度對EMAT檢測信號的影響對EMAT高溫檢測技術(shù)具有重要的意義.

在過去的40年里，電磁超聲傳感器已被廣泛研究. Qin Yexian等研制了微型電磁超聲傳感器，并且對不同厚度的鋁板測試和檢測沖擊聲波[1]. 近年來，隨著工業(yè)化步伐的加快，常溫狀態(tài)檢測技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)發(fā)展的需求，許多學(xué)者致力于高溫傳感器的研究. Francisco H利用無需主動冷卻基于脈沖磁鐵的EMATs[2]在表面溫度高達(dá)250 ℃的低碳鋼上檢測，已被成功應(yīng)用于600 ℃高溫下工件檢測[3]. Urayama R等[4]利用EMAT/EC雙探頭，并將其應(yīng)用于300 ℃時管壁的監(jiān)測. 電磁超聲高溫應(yīng)用已在兩個方向發(fā)展，一種是循環(huán)水或油力傳感器[5-7]，另一種是使用高熔點材料，如鉬或鉑金線圈并使用高居里點材料電磁鐵鐵芯[1]. Lee S等[5]研究了電磁超聲在高溫中的應(yīng)用，并制作了一個通過水循環(huán)冷卻可以承受800 ℃高溫的電磁超聲探頭. Burrows S[8]對不銹鋼和低碳鋼材料鋼管電磁超聲高溫管壁測厚做了細(xì)致研究，分別用激光水冷式電磁超聲、徑向極化橫波電磁超聲這兩種技術(shù)在高溫下對管壁厚度進(jìn)行了測量，相比較而言，激光電磁超聲系統(tǒng)適用于更高溫度壁厚測量. Maria K[9]等將EMATs激發(fā)的SH0模態(tài)應(yīng)用于太陽能高溫(400～550 ℃)管線的檢測，并開發(fā)了一個水冷卻式EMAT傳感器[10]，可以激發(fā)和接收SH0模態(tài)用于高溫導(dǎo)波檢測. Lunn N[11]等記錄了加熱鋁板時信號振幅的非線性變化，測定了磁鐵礦涂層鋼板信噪比隨溫度的變化. Gerd D[12]在環(huán)境溫度到 300 ℃ 的溫度區(qū)間內(nèi)應(yīng)用電磁超聲檢測技術(shù)對奧氏體不銹鋼實現(xiàn)了疲勞監(jiān)測. Natasha L[13]等設(shè)計了一個高溫剪切橫波EMAT，可以實現(xiàn)磁鐵礦涂層鋼在450 ℃溫度下不需冷卻的厚度測量. 上述研究工作為推動電磁超聲高溫檢測應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，為了更深入研究高溫對電磁超聲檢測信號的影響，揭示高溫下不同材料的電磁超聲檢測機理，本文研究了溫度變化對304 奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)、316奧氏體不銹鋼(0Cr17Ni12Mo2)、TP347H(1Crl9Nil1Nb)和鋁這四種板材電磁超聲的速度和回波幅值的影響. 研究結(jié)果不僅可以應(yīng)用于科學(xué)研究如材料微觀結(jié)構(gòu)變化對溫度的依賴關(guān)系，還可以應(yīng)用于工程上如質(zhì)量控制或高溫缺陷檢測.

1　實驗研究

試驗對象： 316不銹鋼、304不銹鋼、TP347H和鋁四種材料，規(guī)格均為200×200×10 mm3的板材.

圖 1　電磁超聲高溫檢測實驗系統(tǒng)Fig.1　Electromagnetic ultrasonic high temperature inspection experimental system

試驗系統(tǒng)如圖 1 所示，由計算機、電磁超聲主機(Temate PowerBox 2)、信號調(diào)理器(含自激自收雙工器、前置放大器、傳感器阻抗匹配)、高溫電磁超聲傳感器、被檢試樣、加熱爐和熱電偶與溫度測量儀組成. 計算機運行檢測軟件用于控制信號的激勵、接收，實驗采用中心頻率為3 MHz，3個周期的正弦波信號作為激勵信號. 電磁超聲主機與信號調(diào)理器相連輸出大功率激勵信號，并通過信號調(diào)理器輸入高溫電磁超聲傳感器，在試樣中產(chǎn)生直入射橫波，并接收底面回波. 高溫電磁超聲傳感器所含線圈為雙層環(huán)形線圈，內(nèi)徑6.25 mm，外徑18.25 mm，繞線11圈. 實驗中將工件置于加熱爐上，通過置于試件表面的熱電偶顯示試件的溫度.

試驗步驟： 將試樣放置在電爐上加熱，在試樣上表面中心放置熱電偶監(jiān)測試樣溫度，再蓋上一層隔熱保溫材料，以減少試樣熱量的散失并加速其溫度的上升. 試樣表面溫度升到600 ℃后關(guān)閉電爐，將試樣取下放在隔熱保溫層上，熱電偶夾在兩者中間監(jiān)控試樣溫度，由于取出過程中熱量快速散失，導(dǎo)致試樣的溫度快速降低，降到500 ℃之前將探頭放置在試樣上檢測，待降到500 ℃時記錄檢測信號，固定探頭測試點位置，每隔5 ℃記錄一次，直到40 ℃，最后待降到室溫26 ℃時再記錄一次. 為了減少測量誤差，上述試驗過程每個試樣重復(fù)5次.

實驗信號的提取及處理過程：

1) 實驗信號的提?。?將實驗數(shù)據(jù)輸出文件直接導(dǎo)入MATLAB，提取每個溫度下的時域信號.

2) 實驗信號處理過程按以下幾個步驟進(jìn)行.

步驟 1： 分別提取室溫下四種實驗材料的信號，截取前三次底面回波的信號，繪制室溫下不同試樣的超聲信號波形，用于對比說明不同材料下信號的差異.

步驟 2： 以上四種材料的信號以TP347H 為最佳，故分別提取TP347H在 15, 105, 205, 305, 405和495 ℃六個溫度點下三個周期的信號，用于說明溫度對波形的影響.

步驟 3： 對重復(fù)實驗信號取其包絡(luò)，通過底面一次回波與底面二次回波包絡(luò)峰值的時間差求得超聲波波速，超聲波波速最大值與最小值用于確定誤差線，最后對每個溫度下的超聲波波速求得平均波速及誤差線.

步驟 4： 按照類似方法，對上述每個溫度下包絡(luò)信號的底面一次回波包絡(luò)峰值求得底面一次回波峰值的平均值及誤差線.

一組典型信號的信號求解包絡(luò)過程如圖 2 所示. 圖2(a)為電磁超聲傳感器接收的原始信號； 圖2(b)為原始信號求解包絡(luò)線后的信號波形圖，圖中表示的是底面一次回波及二次回波包絡(luò)線峰值對應(yīng)的時間差，代表的是底面一次回波的包絡(luò)線幅值最大值.

圖 2　典型信號求解包絡(luò)過程Fig.2　Typical signal solution process for enveloping

2　實驗結(jié)果與分析

2.1　信號波形圖

室溫下在TP347H、Al、304，316四種材料上測得的超聲波回波波形如圖 3 所示. 從波形可以看出，四種試樣的信號幅值及各次回波到達(dá)時間均有差異. 材料的彈性常數(shù)、電導(dǎo)率模量和密度等物理參量的不同引起了回波幅值和聲波波速的變化.

TP347H材料隨溫度變化的超聲波回波圖形如圖 4 所示. 可見，溫度對信號影響顯著，升高溫度在提升信號幅值的同時，延遲了各次回波的到達(dá)時間.

圖 3　厚度為10 mm的304, 316, Al, TP347H工件在室溫下的超聲波回波信號Fig.3　The ultrasonic echo signal at room temperature of 304, 316, Al, TP347H with a thickness of 10 mm

圖 4　溫度對TP347H材料上超聲波回波的影響Fig.4　The effect of temperature on ultrasonic echo of TP347H material

2.2　溫度對超聲波波速的影響

圖 5　溫度與橫波波速關(guān)系圖Fig.5　Relation diagram of temperature and transverse wave velocity

圖 5 為橫波波速隨溫度變化的曲線圖. 使用式(1)[15]對厚度進(jìn)行熱膨脹校正，其中d是試件在T時的厚度，d0是試件在T0=25 ℃時的厚度，α(T)為試件在溫度T時的熱膨脹系數(shù). 通過底面一次回波與底面二次回波最大信號幅值對應(yīng)的時間計算得到一次回波與二次回波的傳輸時間差. 橫波速度由式(2)計算得到. 圖中圓點表示各個溫度下波速的誤差線平均值，曲線由誤差線平均值根據(jù)表1中的擬合函數(shù)擬合而成. 304, 316, Al的波速隨著溫度升高呈單調(diào)衰減的趨勢，而TP347H波速呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在380 ℃左右波速達(dá)到最小值. 速度的降低主要是由于彈性常數(shù)隨溫度的升高而變化. 如果不考慮檢測期間出現(xiàn)的誤差，速度隨溫度變化對于厚度測量校準(zhǔn)是一個重要的考慮因素.

d=d0[1+α(T)(T-T0)],

(1)

(2)

表 1 列出了四種試樣的波速與溫度的曲線擬合模型、曲線擬合方程及擬合誤差. Exp3P2指數(shù)和Exp2指數(shù)分別滿足式(3)及式(4)的規(guī)律.

y=exp(a+bx+cx2),

(3)

y=Aexp(ax)+Bexp(bx).

(4)

除了TP347H按照Exp2指數(shù)變化，其它三種試樣均按照Exp3P2指數(shù)變化.

表 1　波速-溫度擬合曲線

2.3　溫度對超聲波幅值的影響

圖 6　四種試樣的一次回波幅值隨溫度變化曲線Fig.6　The variation curve of the amplitude of first echo with temperature of four samples

圖 6 為四種試樣的底面一次回波包絡(luò)的幅值峰值隨溫度變化的曲線圖. 圖中圓點表示對應(yīng)溫度下幅值的誤差線平均值，圖中曲線由誤差線平均值根據(jù)表 2 中的擬合函數(shù)擬合. TP347H的幅值曲線按指數(shù)擬合函數(shù)遞增，304及316奧氏體不銹鋼的幅值隨溫度升高而遞減，Al的幅值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，曲線在300 ℃左右出現(xiàn)最小值.

表 2 列出了四種試樣溫度與一次回波包絡(luò)幅值峰值的曲線擬合模型、曲線擬合方程及擬合誤差. Exponential, ExpDec1指數(shù)和BiDoseResp分別滿足式(5)～式(7)規(guī)律.

y=y0+AeR0x,

(7)

(8)

y=A1+(A2-A1)·

(9)

304按Exponential 指數(shù)變化，316按ExpDec1 指數(shù)變化，兩者變化基本一致. Al的一次回波幅值隨溫度按Exp3P2指數(shù)變化，TP347H按BiDoseResp冪函數(shù)變化. Al的一次回波幅值-溫度變化曲線先下降后上升，而TP347H呈遞增趨勢.

304, 316, TP347H, AL超聲信號回波幅值出現(xiàn)這種非線性變化可以歸因于產(chǎn)生超聲波的主導(dǎo)作用機制，主要包括洛倫茲機制和磁致伸縮機制. 對于磁致伸縮機制，磁致伸縮應(yīng)變系數(shù)[16]和超聲信號回波幅值與作用的磁場呈非線性變化關(guān)系. 同時，作用磁場的變化是基于EMAT磁體場強隨溫度的增加而減小，因此，隨著溫度的改變，超聲信號回波幅值呈現(xiàn)非線性變化. 并且有研究[17]表明超聲信號振幅隨EMAT靜態(tài)磁場呈非線性變化. 目前，尚未有文獻(xiàn)報道磁致伸縮作為主要的作用機制，這很可能是由于這些材料上的磁致伸縮機制的復(fù)雜非線性性質(zhì)和因變量的數(shù)量.

表 2　幅值-溫度擬合曲線

由于洛倫茲力是EMAT作用在鋁試件上唯一的產(chǎn)生和接收機制，所以高溫信號振幅的損失在一定比例上是因為洛倫茲力的降低及超聲衰減的增強. 在脈沖回波模式下，洛倫茲力與磁場的平方成正比，磁場大小由線圈驅(qū)動電流處的靜態(tài)磁場決定. 因此，洛倫茲力很可能隨著高溫下EMAT磁場強度的降低而降低. 因此，它可以估計信號幅值的非線性變化.

3　結(jié)　論

本實驗研究了溫度變化對奧氏體不銹鋼材料上電磁超聲橫波檢測信號的影響，選取了316(0Cr17Ni12Mo2)、304(1Cr18Ni9Ti)、TP347H(1Crl9Nil1Nb)三種典型奧氏體不銹鋼材料及鋁材作為實驗材料，得到以下主要結(jié)論： ① 室溫下四種試樣的信號幅值及各次回波到達(dá)時間均有差異. 此外，對于TP347H，升高溫度在提升信號幅值的同時延遲了各次回波的到達(dá)時間； ② 304和316奧氏體不銹鋼的波速隨著溫度單調(diào)遞減，Al 大體上也符合這種趨勢. TP347H上信號波速隨著溫度的升高呈現(xiàn)先遞減后遞增的趨勢； ③ 304和316奧氏體不銹鋼的信號幅值隨著溫度單調(diào)遞減. Al先遞減后遞增，TP347H隨著溫度的升高信號回波幅值呈遞增趨勢. 本文對奧氏體不銹鋼材料電磁超聲高溫在線缺陷檢測和開發(fā)電磁超聲高溫波速校準(zhǔn)模塊具有一定的指導(dǎo)意義.