P92鋼焊接接頭蠕變損傷的非線性超聲檢測(cè)研究

黃橋生 任德軍 章亞林 劉勝利

(1 國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 武漢 430066)

(2 國(guó)電長(zhǎng)源電力股份有限公司 武漢 430066)

0 引言

耐熱鐵素體、奧氏體和部分新材料已經(jīng)在現(xiàn)有600°C 超超臨界機(jī)組中得到大規(guī)模的應(yīng)用[1-2]，其中9%～12%Cr 馬氏體鋼所占比重越來越大。這些用于電站燃煤鍋爐的耐熱鋼材料長(zhǎng)期在十分惡劣的環(huán)境介質(zhì)中運(yùn)行，材料微觀組織與機(jī)械性能發(fā)生劣化，機(jī)組頻繁起停，也加劇材質(zhì)劣化，產(chǎn)生蠕變損傷，在運(yùn)行中發(fā)展成裂紋，從而導(dǎo)致金屬部件的損傷失效[3]。

對(duì)于蠕變損傷，文獻(xiàn)[4—9]使用CDM 方法對(duì)焊件變形和失效進(jìn)行了分析。Tu 等[10]使用本構(gòu)方程模擬了服役材料的蠕變行為，研究了焊件損傷的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上提出了基于損傷的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。Becker 等[11]列出了大量的標(biāo)準(zhǔn)例子，包括單軸、雙軸和多軸應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變損傷。李兆霞[12]研究發(fā)現(xiàn)，T/P92 鋼接頭IV 型蠕變斷裂過程中，孔洞首先在內(nèi)部產(chǎn)生，最后才擴(kuò)展到管道外表面，因此，用現(xiàn)場(chǎng)覆膜金相方法檢測(cè)孔洞并不適用，需要開發(fā)新的檢測(cè)方法。

聲波是一種以波動(dòng)形式傳播的機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，波動(dòng)方程僅在一定條件下才被近似認(rèn)為是線性的，而當(dāng)線性化的條件不能滿足時(shí)，波動(dòng)方程則被認(rèn)為是非線性的。當(dāng)一列具有足夠強(qiáng)度的正弦波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，超聲波會(huì)與固體介質(zhì)發(fā)生非線性的相互作用并產(chǎn)生高頻諧波。通常把振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率稱為基頻或基波，諧波是指頻率等于基頻整數(shù)(n)倍的正弦波。聲波在介質(zhì)中傳播以及在發(fā)射和散射時(shí)，都具有非線性效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)生諧波。因此基頻也稱一次諧波，頻率為基頻2倍的正弦波稱為二次諧波。

同時(shí)，這些諧波信號(hào)與介質(zhì)的微觀組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，例如材料的位錯(cuò)密度變化、位錯(cuò)與析出相間的交互作用以及材料損傷過程中所形成的微孔洞和微裂紋等結(jié)構(gòu)特征都會(huì)引起非線性效應(yīng)以及諧波幅度的改變。因此，通過測(cè)量高頻諧波的幅值或是用來表征非線性效應(yīng)大小的非線性參數(shù)，即可以在一定程度上反映介質(zhì)內(nèi)部微觀組織的變化狀況。在金屬的蠕變過程中，晶體的塑性滑動(dòng)所形成的孔洞實(shí)質(zhì)上是組織中細(xì)微的不連續(xù)現(xiàn)象。超聲檢測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、穿透力強(qiáng)、指向性好、檢測(cè)速度較快、成本較低、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)人體無害等一系列優(yōu)點(diǎn)[13]。在非線性理論研究方面[14-15]，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)非線性聲學(xué)所涉及的問題，如非線性彈性動(dòng)力學(xué)及非線性波動(dòng)方程進(jìn)行了比較深入和系統(tǒng)的研究。王學(xué)等[16]研究發(fā)現(xiàn)，IV 型斷裂是接頭細(xì)晶粒HAZ 萌生蠕變孔洞、晶界蠕變孔洞長(zhǎng)大、聚集最后形成微裂紋。目前國(guó)內(nèi)外的研究者較多地運(yùn)用非線性超聲技術(shù)表征金屬構(gòu)件疲勞、塑性損傷、蠕變、高溫?zé)釗p傷等狀態(tài)。然而，對(duì)于采用非線性超聲技術(shù)表征和評(píng)價(jià)P92鋼焊接接頭部位蠕變損傷的研究報(bào)道還相對(duì)較少。由于P92鋼焊接接頭在高溫高壓下存在IV型開裂行為，導(dǎo)致焊接接頭的蠕變壽命顯著下降。因此開展P92鋼焊接接頭蠕變損傷的非線性超聲檢測(cè)研究，對(duì)保證我國(guó)超超臨界發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 非線性超聲平臺(tái)的搭建

本文使用RAM-5000-SNAP 非線性檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量材料非線性二次諧波參數(shù)。非線性檢測(cè)系統(tǒng)包含脈沖發(fā)射器、匹配阻抗、衰減器、超聲換能器以及示波器。其中脈沖發(fā)射器用于激發(fā)高能射頻(Radio frequency,RF)脈沖群，同時(shí)要求加載在發(fā)射換能器上的輸出電壓不小于450 V，輸出功率不小于500 W。

試驗(yàn)前，在高能射頻脈沖發(fā)射器的輸出端口依次連接一個(gè)50 Ω 的匹配阻抗、RA-6 大功率可調(diào)衰減器、兩個(gè)FDK5 雙工器(Stage 1 和Stage 2)以及超聲換能器(5 MHz 發(fā)射探頭)。其中，50 Ω 的匹配阻抗用于保證信號(hào)源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同。RA-6 型可調(diào)衰減器則用于承受輸出功率的衰減，同時(shí)可以檢驗(yàn)諧波的發(fā)生是來源于聲學(xué)樣品而不是系統(tǒng)的射頻門放大器(對(duì)于聲學(xué)系統(tǒng)來說，1 dB 基頻波信號(hào)的衰減將導(dǎo)致2 dB 二次諧波信號(hào)的衰減，二次諧波的振幅與基頻波振幅的平方成正比)。FDK5 雙工器具有一個(gè)截止點(diǎn)功能，即截?cái)嗳魏纬^工作頻率5 MHz以外的頻率分量；同時(shí)，F(xiàn)DK5雙工器還可以對(duì)門控放大器所產(chǎn)生的諧波頻率進(jìn)行衰減。在脈沖發(fā)射器的接收端口則連接PAS-0.1-40 型前置放大器以及超聲換能器(10 MHz接收探頭)，以此來接收基本波信號(hào)和二次諧波信號(hào)。非線性超聲系統(tǒng)的搭建及其模塊示意圖如圖1所示。

圖1 非線性超聲系統(tǒng)的搭建及其模塊示意圖Fig.1 The construction of nonlinear ultrasonic system and its module schematic diagram

超聲檢測(cè)采用縱波法，發(fā)射探頭與接收探頭的型號(hào)為SIUI，直徑為Φ=6 mm。測(cè)量前用超聲耦合劑對(duì)探頭接觸的試樣表面進(jìn)行耦合，耦合劑的用量要適度。脈沖發(fā)射器的外置接口上連接一臺(tái)示波器，用于觀察接收信號(hào)在時(shí)域范圍內(nèi)的波形(見圖2)，系統(tǒng)激發(fā)的射頻脈沖信號(hào)周期根據(jù)被測(cè)工件的厚度及材質(zhì)進(jìn)行設(shè)定。在試驗(yàn)中統(tǒng)一將脈沖發(fā)射信號(hào)的周期設(shè)置為13，同時(shí)使用漢寧窗對(duì)一次底波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。此外，當(dāng)軟件系統(tǒng)對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier transformation,FFT)之后，在系統(tǒng)中即可讀出基波以及二次諧波在頻域內(nèi)的幅值。

采用加速試驗(yàn)方法制作P92鋼焊接接頭(焊接接頭由焊縫(Weld metal,WM)、熱影響區(qū)(Heat affected zone,HAZ)和母材金屬(Base metal,BM)組成)蠕變損傷試樣，試驗(yàn)采用的溫度為650°C，施加的應(yīng)力為95 MPa。

為研究不同蠕變壽命P92鋼焊接接頭各區(qū)域材料微觀損傷與超聲非線性二次諧波之間的相互關(guān)系，分別對(duì)原始試樣、蠕變312 h(20% 蠕變壽命)、624 h(40% 蠕變壽命)、936 h(60% 蠕變壽命)、1248 h(80% 蠕變壽命)以及1560 h(蠕變斷裂)的P92 焊接接頭進(jìn)行非線性超聲測(cè)量。焊接接頭非線性超聲評(píng)估的位置如圖3所示。每根試樣的測(cè)量部位涵蓋焊接接頭的所有區(qū)域(即母材、熱影響粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)以及焊縫)，由于P92鋼焊接接頭為非均勻組織，非線性超聲試驗(yàn)的測(cè)量位置一共包含5 個(gè)點(diǎn)，其中第1 點(diǎn)、第5 點(diǎn)為P92 鋼母材組織；第2 點(diǎn)、第4點(diǎn)為熱影響區(qū)組織；第3 點(diǎn)則為焊縫組織。同時(shí)結(jié)合金相試驗(yàn)結(jié)果，研究非線性二次諧波參數(shù)變化與蠕變損傷之間的聯(lián)系。

圖2 非線性超聲裝置示意圖Fig.2 Diagram of nonlinear ultrasonic device

圖3 P92鋼焊接接頭非線性超聲測(cè)量位置Fig.3 Nonlinear ultrasonic measurement position of P92 steel welded joints

2 P92鋼焊接接頭的非線性超聲檢測(cè)

為了驗(yàn)證測(cè)量的非線性是否來自于材料本身，對(duì)不同輸入電壓下基波和二次諧波的幅值進(jìn)行了校驗(yàn)[17]。圖4(a)為原始P92鋼焊接接頭試樣母材位置(測(cè)量點(diǎn)1)處的頻譜圖。圖中非線性超聲所測(cè)得的頻譜曲線同時(shí)包含5 MHz 以及10 MHz 的信號(hào)，它們分別對(duì)應(yīng)著基波A1 以及二次諧波A2 頻率分量，然而與基波幅度相比較(A1≈4 V)，二次諧波A2 的幅值明顯較小且不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上；圖4(b)為斷裂試樣(即蠕變1560 h)母材位置(測(cè)量點(diǎn)1)處的頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)，蠕變?cè)囼?yàn)后P92鋼母材組織的二次諧波A2幅值發(fā)生了波動(dòng)與改變。黃橋生等[18]研究發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)超聲無法進(jìn)行蠕變損傷的評(píng)定，基波A1 無法評(píng)定蠕變損傷，因此本文主要開展非線性二次諧波(A2)波幅變化與蠕變損傷研究。

圖4 P92鋼焊接接頭母材組織非線性超聲測(cè)量頻譜圖Fig.4 Nonlinear ultrasonic measurement spectrum of P92 steel welded joint base material

3 超聲非線性信號(hào)與蠕變損傷研究

為了準(zhǔn)確地研究蠕變?cè)囼?yàn)后P92鋼焊接接頭中傳播的超聲波二次諧波隨時(shí)間的變化，本文將所觀察的頻譜范圍聚焦在9.5 MHz～10.5 MHz，即單獨(dú)對(duì)二次諧波幅值的變化做觀察。

圖5、圖7、圖9為P92鋼焊接接頭各區(qū)域二次諧波幅值隨蠕變時(shí)間的變化示意圖?？梢钥闯?，隨著蠕變時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭母材、熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)域的二次諧波幅值(即10 MHz 信號(hào))都呈上升趨勢(shì)。然而，各區(qū)域的A2值在焊接接頭蠕變壽命的40%以內(nèi)增加都相對(duì)較小，而在之后的蠕變過程中增加明顯。從圖5 可以看出，與原始試樣相比較，蠕變1248 h 后接頭母材二次諧波值增加到2 倍左右，此時(shí)母材區(qū)域所產(chǎn)生的蠕變孔洞較少(見圖6)。從圖7 可以看出，與原始試樣熱影響區(qū)相比較，蠕變1248 h 后接頭熱影響區(qū)二次諧波已經(jīng)增加超過了3倍以上，此時(shí)蠕變孔洞顯著增加，且孔洞尺寸變大(見圖8)。從圖9 可以看出，與原始試樣焊縫區(qū)相比較，蠕變1248 h 后接頭試樣焊縫區(qū)二次諧波增幅僅為40%，焊縫區(qū)域的晶粒尺寸較為粗大，然而焊縫區(qū)域的蠕變損傷程度較小，500 倍光學(xué)顯微鏡下并未發(fā)現(xiàn)有明顯的蠕變孔洞形成(見圖10)。

圖11為P92鋼焊接接頭蠕變?cè)囼?yàn)后的非線性二次諧波參數(shù)變化示意圖?？傮w來看，焊接接頭各區(qū)域的二次諧波隨著蠕變時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。在蠕變壽命的40%以內(nèi)，熱影響區(qū)二次諧波的變化幅度較小，而在后續(xù)的蠕變過程中相對(duì)明顯。在到達(dá)蠕變破斷壽命后，熱影響區(qū)的二次諧波上升了3 倍左右，為P92鋼焊接接頭中的最大增長(zhǎng)點(diǎn)；焊縫組織的二次諧波為接頭中的最大值，然而由于其初始值較高，因此在蠕變過程中，焊縫位置二次諧波的增幅最??；接頭母材區(qū)域的二次諧波在蠕變過程中也發(fā)生了明顯的增加，然而相比熱影響區(qū)來說，二次諧波在母材區(qū)域的增幅相對(duì)較小。

圖5 母材二次諧波變化Fig.5 Second harmonic change of BM

圖6 母材蠕變1248 h 顯微組織Fig.6 Microstructure of BM creep 1248 h

圖7 熱影響區(qū)二次諧波變化Fig.7 Second harmonic change of HAZ

圖8 熱影響區(qū)蠕變1248 h 顯微組織Fig.8 Microstructure of HAZ creep 1248 h

圖9 焊縫二次諧波變化Fig.9 Second harmonic change of WM

圖10 焊縫蠕變1248 h 顯微組織Fig.10 Microstructure of WM creep 1248 h

圖11 P92鋼焊接接頭各測(cè)量點(diǎn)在不同蠕變時(shí)間后非線性參數(shù)變化圖Fig.11 Nonlinear parameter of each part of the ASME P92 welded joints for different creep times

4 結(jié)論

在相同蠕變時(shí)間，P92鋼焊接接頭熱影響區(qū)蠕變孔洞的非線性二次諧波參數(shù)增長(zhǎng)十分明顯，金相顯微組織中，該位置蠕變損傷程度最大。焊接接頭母材與焊縫區(qū)，非線性二次諧波增長(zhǎng)幅度較熱影響區(qū)小，金相組織顯示蠕變損傷也無熱影響區(qū)嚴(yán)重。

綜上可知，蠕變孔洞的出現(xiàn)與長(zhǎng)大是影響非線性參數(shù)變化的原因之一，P92鋼焊接接頭熱影響區(qū)超聲波二次諧波參數(shù)的變化與蠕變損傷之間存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。