基于磁巴克豪森效應(yīng)的P92鋼熱老化狀態(tài)檢測(cè)

曾晨明,丁同樂(lè),劉向兵,雷屹坤,陳懷東,王海濤

(1.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司, 深圳 518031;2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210016;3.蘇州熱工研究院, 蘇州 215004)

目前我國(guó)電力來(lái)源的重點(diǎn)仍是燃煤發(fā)電機(jī)組,而高強(qiáng)度的耐熱鋼能夠?yàn)槠浒踩\(yùn)行提供保障[1]。P92鋼是一種鐵素體耐熱鋼,以其優(yōu)異的高溫性能被廣泛應(yīng)用于超超臨界機(jī)組的鍋爐和主蒸汽管道中[2],但由于其長(zhǎng)期在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕環(huán)境下工作,材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)密度改變和金屬元素析出等微觀結(jié)構(gòu)變化,稱為鋼的熱老化現(xiàn)象,宏觀表現(xiàn)為材料硬度、屈服強(qiáng)度和沖擊吸收功等力學(xué)性能變化[3],當(dāng)材料的力學(xué)性能不能滿足實(shí)際工作需求時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行更換,否則就會(huì)引發(fā)安全事故。因此為確保火電廠安全有效地運(yùn)行,需要對(duì)P92鋼材料的熱老化程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

P92鋼材料的無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)和磁巴克豪森噪聲(MBN)檢測(cè)。超聲檢測(cè)方法需要耦合劑且設(shè)備昂貴,不適用于P92鋼熱老化程度的檢測(cè)。P92鋼熱老化的根本原因是位錯(cuò)密度變化和金屬相析出等微觀結(jié)構(gòu)的改變[4-6],而MBN 信號(hào)對(duì)此類(lèi)缺陷敏感,可在保證材料完整性的同時(shí)進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)檢測(cè)便捷,適用于現(xiàn)場(chǎng)和在線檢測(cè)[7-8]。

1 試驗(yàn)與分析

1.1 試樣制備與MBN信號(hào)測(cè)量

試驗(yàn)對(duì)象為進(jìn)口威曼高登P92耐熱鋼,該材料用于國(guó)內(nèi)某電廠超超臨界機(jī)組主蒸汽管道。

為了方便后續(xù)對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行掃描電鏡和電子背散射衍射分析技術(shù)的觀測(cè)和研究,設(shè)計(jì)P92鋼試件的尺寸為15 mm×15 mm×1 mm(長(zhǎng)×寬×高),所檢測(cè)的P92鋼試件分為兩種,一種是已知硬度(HB)分別為165,175,185,205,215的試件,另一種是已知服役時(shí)間分別為0,3×104,4.9×104,5.6×104,7×104,9.3×104h的試件,試件實(shí)物如圖1所示。

圖1 P92鋼試件實(shí)物

基于MBN產(chǎn)生原理研制了一套P92鋼熱老化檢測(cè)儀器,檢測(cè)儀器的硬件框圖如圖2所示。該儀器整體設(shè)計(jì)輕巧,并通過(guò)增加大容量的鋰電池組進(jìn)行供電,使檢測(cè)儀器能夠用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

MBN信號(hào)檢測(cè)的缺點(diǎn)是信噪比低,雖然在獲取MBN信號(hào)的過(guò)程中通過(guò)硬件高通濾波電路濾除了低頻干擾成分,但硬件以及周?chē)h(huán)境的干擾仍然會(huì)使得MBN 信號(hào)信噪比降低。故為了提高信噪比,選用時(shí)、頻域相結(jié)合進(jìn)行信號(hào)分解的小波包算法以及可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)分解的VMD算法來(lái)對(duì)MBN信號(hào)進(jìn)行處理。

1.2 基于小波包分解算法的硬度測(cè)定試驗(yàn)

應(yīng)用小波包算法需選擇合適的小波基函數(shù)[9],選用Dmey小波函數(shù)作為小波基函數(shù),其具有良好的對(duì)稱性和光滑性,可以進(jìn)行快速離散小波變換[10],能夠有效呈現(xiàn)MBN信號(hào)中的有用信息。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)P92鋼得到其MBN 信號(hào),其基于啟發(fā)式閾值原則的硬閾值方法和軟閾值方法[11]的降噪信號(hào)圖像如圖3所示。

采用啟發(fā)式閾值原則的硬閾值、軟閾值方法對(duì)硬度分別為165,175,185,205,215的P92鋼試件進(jìn)行基于MBN 的檢測(cè),對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行量化,其能量比和均方根誤差如表1所示。從表1可知,啟發(fā)式硬閾值的方法對(duì)MBN信號(hào)進(jìn)行降噪處理時(shí)的能量比大、均方根誤差小,可以獲得較好的濾波效果。

表1 不同硬度P92鋼的MBN信號(hào)小波包降噪后的能量比和均方根誤差

1.3 基于VMD算法的硬度測(cè)定試驗(yàn)

采用VMD算法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)P92鋼的MBN 信號(hào)進(jìn)行處理。按分解個(gè)數(shù)K值(分別為2～10)進(jìn)行VMD 分解。在試驗(yàn)中,可以通過(guò)在最佳臨界K值和K-1的分解層數(shù)分別進(jìn)行信號(hào)比較,通過(guò)分析試驗(yàn)所需信號(hào)所處的頻帶和分解結(jié)果,篩選出最佳K值[12]。為了使包含MBN信號(hào)特征頻帶信息的分解信號(hào)充分顯示,選擇K值為4進(jìn)行VMD 分解。

通過(guò)計(jì)算互相關(guān)系數(shù)和能量比,可以篩選出有效I MF 分量,再使用有效I MF分量來(lái)進(jìn)行MBN信號(hào)的重構(gòu)。相關(guān)系數(shù)可表示為

式中:X為I MF分量信號(hào);Y為原始信號(hào)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,MBN信號(hào)經(jīng)過(guò)VMD分解后各分量的能量比和互相關(guān)系數(shù)C如表2所示。從表2可以看出,I MF3分量能量比和互相關(guān)系數(shù)都遠(yuǎn)大于其他分量,因此選擇了信號(hào)的I MF3分量作為濾波處理后的信號(hào)。

表2 原始信號(hào)與各個(gè)分量的能量比與相關(guān)系數(shù)

基于此處理過(guò)程采用VMD算法對(duì)硬度(HB)分別為165,175,185,205的P92鋼試件的MBN檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理,其能量比和均方根誤差如表3所示。

表3 不同硬度P92鋼MBN信號(hào)VMD分解結(jié)果

通過(guò)對(duì)比不同硬度P92鋼的MBN檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)小波包算法和VMD算法降噪處理得到的能量比與均方根誤差兩個(gè)參數(shù)的大小,發(fā)現(xiàn)基于啟發(fā)式硬閾值原則的小波包算法降噪效果最優(yōu),因此使用此方法作為濾波算法。

1.4 硬度試驗(yàn)特征值提取結(jié)果分析

提取濾波處理之后的MBN 信號(hào)4種典型特征值,即均方根、峰峰值、半高寬和包絡(luò)面積,不同特征值與P92鋼硬度的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 MBN信號(hào)4種特征值與硬度值的關(guān)系曲線

圖4(a),(b),(d)中均方根、峰峰值、包絡(luò)面積隨著硬度值的增大逐漸減小,且近似為線性關(guān)系,圖4(c)中半高寬隨著硬度值的增大逐漸增大,但硬度在大于175后,半高寬的增大明顯變緩。此4種特征值的變化表明,隨著P92 鋼材料硬度的增加,MBN信號(hào)逐漸變得“矮胖”,與文獻(xiàn)[13]描述一致。

2 P92鋼熱老化規(guī)律試驗(yàn)

對(duì)超超臨界機(jī)組主蒸汽管道未服役P92鋼樣品以及服役時(shí)間分別為3×104,4.9×104,5.6×104,7×104,9.3×104h的P92鋼試樣分別進(jìn)行了3次MBN檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行基于啟發(fā)式硬閾值原則的小波包算法處理,繪制4種特征值與服役時(shí)間的關(guān)系曲線,其結(jié)果如圖5所示。

由從圖5可知,當(dāng)服役時(shí)間小于30 000 h時(shí),均方根、峰峰值和包絡(luò)面積均有小幅度的下降,半高寬呈小幅度的上升態(tài)勢(shì),表現(xiàn)為材料硬度小幅度的增加,在此階段材料的性能有所提升;當(dāng)服役時(shí)間為30 000～70 000 h時(shí),均方根、峰峰值和包絡(luò)面積均上升,半高寬下降,表現(xiàn)為材料的硬度逐漸減小,在這一階段材料的性能下降較快;當(dāng)服役時(shí)間大于70 000 h時(shí),均方根、峰峰值和包絡(luò)面積均上升緩慢,表現(xiàn)為材料硬度減小趨于平緩,在這一階段,P92鋼材料在長(zhǎng)時(shí)間服役過(guò)程中熱老化程度達(dá)到一定閾值,由老化帶來(lái)的性能下降速率明顯下降。

P92耐熱鋼服役過(guò)程中發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化可以歸結(jié)為4種強(qiáng)化機(jī)制所涉及的微觀組織結(jié)構(gòu)演變,在4種強(qiáng)化途徑中,固溶強(qiáng)化效果有限。亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化起到降低硬度作用,而析出相強(qiáng)化起到增加硬度的作用[14]。析出相強(qiáng)化是指高溫條件下析出的大量第二相會(huì)隨著硬度條件的增加在尺寸、分布等方面發(fā)生變化,第二相顆粒在其周?chē)a(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng),阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),從而提高材料的強(qiáng)度。對(duì)于亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化,P92耐熱鋼中最主要的亞結(jié)構(gòu)為馬氏體板條結(jié)構(gòu),服役時(shí)的強(qiáng)化效果主要靠板條來(lái)實(shí)現(xiàn),板條寬度越小,數(shù)量越多,強(qiáng)化效果越好。對(duì)于位錯(cuò)強(qiáng)化,P92鋼制備的回火過(guò)程中形成的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是較為理想的位錯(cuò)低能組態(tài),這種位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在,在穩(wěn)定馬氏體板條中的亞晶粒結(jié)構(gòu)的同時(shí),對(duì)提高P92鋼的熱強(qiáng)韌性和熱穩(wěn)定性具有重要的作用。

使用SEM(掃描電子顯微鏡)對(duì)試樣進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)當(dāng)服役時(shí)間小于30 000 h時(shí),析出相強(qiáng)化起到增加硬度的效果,使P92鋼材料硬度相較于未服役狀態(tài)時(shí)的硬度有小幅度增加,當(dāng)析出相達(dá)到強(qiáng)化值的臨界尺寸之后,由于析出相強(qiáng)化對(duì)材料硬度值的增加效果有限,材料的硬度值隨著服役時(shí)間的增加逐漸降低,并在70 000 h之后,由于固溶強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定值,材料硬度值的下降趨于平緩。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)服役態(tài)P92鋼的熱老化狀態(tài)檢測(cè),研制了P92鋼熱老化檢測(cè)儀器并進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以滿足P92鋼熱老化的檢測(cè)需求,并得出以下結(jié)論。

(1) 與VMD 分解算法相比,小波包分解算法更加適合MBN信號(hào)的降噪處理。

(2) 隨著材料硬度的增加,MBN 信號(hào)的均方根值、峰峰值、包絡(luò)面積減小,半高寬增大,表現(xiàn)為MBN信號(hào)變得“矮胖”。

(3) 當(dāng)服役時(shí)間小于30 000 h時(shí),材料的硬度有小幅度的增加,當(dāng)服役時(shí)間為30 000～70 000 h時(shí),材料的硬度下降較快,并在服役時(shí)間達(dá)到70 000 h后,硬度下降趨于平緩,微觀上表現(xiàn)為4種強(qiáng)化機(jī)制對(duì)于材料硬度的影響。