T/P92钢焊接接头蠕变损伤的超声检测

2018-10-19，，

无损检测 2018年10期

，，

(1.国电科学技术研究院有限公司，武汉 430066；2.武汉大学动力与机械学院，武汉 430071)

随着我国电力工业领域的快速发展，社会对电力行业安全运行的要求越来越高。为了确保主蒸汽管道以及再热蒸汽管道在高温高压下的安全运行，电厂在运行前以及实际工作过程中，需要采用无损检测手段对其进行相应的损伤检测。检测目的包括发现待检对象中是否存在缺陷，以及缺陷的大小、性质、位置和形状等。

超声波是一种频率大于20 000 Hz的机械波，其实质是以波动形式在弹性介质中传播的一种波。利用超声波的反射、透射和散射行为，超声检测法可以对被检工件进行几何特性测量、组织结构和力学性能变化的评定、缺陷检测和表征等。

1 T/P92钢焊接接头损伤的超声检测

1.1 超声检测系统的搭建

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，超声波的能量会出现明显衰减。引发超声波衰减的原因主要有以下几方面：① 晶粒散射衰减；② 声束的扩散衰减；③ 介质吸收衰减。

笔者对T/P92钢焊接接头蠕变后的试样，进行了纵波声速检测以及衰减系数测量，蠕变时间为312(20% tf),624(40% tf),936(60% tf),1 248(80% tf),1 560 h(1.0 tf)(tf指蠕变寿命分数)。试验仪器采用汕头超声电子开发的CTS-1002数字式超声探伤仪。

1.2 焊接接头损伤的纵波声速检测

由于声波是在弹性媒介中传播的一种机械波，其传播速度与介质的特性及状态有关。因此，可以通过测量介质中的声速来研究被测媒介的特性或状态变化。

为了研究不同蠕变寿命分数下T/P92钢焊接接头各区域的常规超声检测时的纵波声速变化,进行检测试验。焊接接头的超声检测位置如图1所示，其一共包含5个点，每个点测量3次。其中第1点和第5点为T/P92钢母材组织；第2点和第4点为热影响区组织；第3点为焊缝组织。

图2为不同蠕变寿命分数下，T/P92钢焊接接头各区域的纵波声速变化(图中BM指母材，HAZ指热影响区，WM指焊缝)。

图2 T/P92钢焊接接头常规超声检测纵波声速变化示意图

图1 T92钢焊接接头超声检测位置示意

从图2(a)和2(e)可以看出，T/P92钢母材组织的声速在蠕变寿命范围内并没有呈现出规律性的变化。当试样蠕变1 560 h后，与原始焊接接头相比，断裂试样母材区域的纵波声速并没有发生明显的改变。一方面这可能是由于母材区域的蠕变损伤相对较小，另一方面则可能是由于常规纵波声速法自身灵敏度的限制所致。

图2(b)和2(d)为T/P92钢焊接接头热影响区组织的纵波声速变化示意。由于蠕变1 560 h后，持久试样的断裂位置发生在测量点2处，因此在图2(b)中缺失了相应的数据。从图2(d)中可以看出，在蠕变寿命区间的80%～100%中，焊接接头热影响区的纵波声速表现出轻微的下降趋势。

过去的研究表明：纵波声速与介质的弹性性质有关，介质的弹性模量越高，材料内部越是致密，其声速也越高。而当材料内部出现孔洞等缺陷时，其纵波声速则会相应地下降。T/P92钢热影响区的纵波声速在蠕变寿命区间的80%～100%中下降幅度轻微，这可能是由于细晶区的区域很窄(即损伤程度较重的区域较窄)而引起的。

图2(c)为焊缝组织的纵波声速变化图，可以看出：相比较焊接接头的母材与热影响区，焊缝区域的声速最小，这是由于焊缝组织的晶粒比较粗大，纵波声速易发生衰减所致。

1.3 焊接接头损伤的衰减法检测

由于热影响区是T/P92钢焊接接头中最脆弱的位置，因此除了测量纵波声速外，还对蠕变前后焊接接头热影响区的衰减系数进行了测量，测量位置统一选取为第4点。

图3为T/P92钢焊缝热影响区在不同蠕变寿命分数下的声衰减示意。基于多次脉冲反射法，可以看出：在试样的蠕变寿命范围内，四次反射底波(B4)的幅度变化不大，而五次反射底波B5则在蠕变寿命的80%～100% tf区间内呈下降趋势。此外，和80% tf的试样相比，六次反射底波B6以及后者(B7, B8)在1.0 tf的试样中降低明显，表明超声衰减法对T/P92钢热影响区的损伤评估只在蠕变寿命末期阶段才较为敏感。

图4为T/P92钢热影响区在不同蠕变寿命分数下的衰减系数变化示意。由图4可以看出，由于衰减系数在热影响区蠕变寿命期的绝大部分时间内变化不大，因此常规的衰减系数测量法对评估T/P92钢焊接接头蠕变损伤的效果并不是很理想。

图3 T/P92钢焊接接头常规超声检测声衰减示意

图4 T/P92钢焊接接头常规超声检测衰减系数变化示意

过去的研究表明[1-3]：介质中出现的孔洞等缺陷将会对超声波产生散射作用，从而导致超声波发生衰减。同时，随着介质损伤程度的加重(即孔洞等缺陷的尺寸增加、数量增多)，超声波衰减的程度将增加。然而，从图3(a)～3(c)中可以看出：T/P92钢热影响区的底波幅度在80%的蠕变寿命范围内并没有发生明显变化，尽管蠕变孔洞在此范围内已经有了显著的萌生与长大。探究其原因可以发现，常规超声检测只对尺寸接近半波长的缺陷才较为敏感，而当缺陷的尺寸小于半波长时，在介质中超声的衍射现象占主导地位。T/P92钢蠕变断裂后，热影响区大多数蠕变孔洞的尺寸仍然处于微米级水平，这就表明了超声衰减法很难检测出T/P92钢热影响区蠕变寿命前期中的孔洞损伤。