孫錦中

(上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海 200090)

P91鋼高溫?zé)釗p傷的非線性超聲檢測

孫錦中

(上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海 200090)

基于非線性超聲理論，對經(jīng)過不同溫度熱處理的P91鋼試樣進行了非線性超聲檢測試驗.分析了相同激勵條件下基波和二次諧波信號的頻譜特性，計算出了不同溫度P91鋼試樣的非線性系數(shù).結(jié)果顯示，隨著熱處理溫度的升高，非線性系數(shù)逐漸增大.逐級加大激勵電壓，基波幅度的平方和二次諧波幅度顯示了良好的線性關(guān)系，同時也表明實驗測得的超聲非線性系數(shù)僅與試樣本身的性質(zhì)有關(guān).試驗結(jié)果證明，通過對非線性系數(shù)的測量，可以對材料早期的高溫損傷進行無損評價.

非線性超聲;二次諧波;熱損傷;P91鋼

金屬材料在高溫環(huán)境下運行會產(chǎn)生高溫損傷，使得材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料晶粒增大、晶粒間產(chǎn)生位錯等微觀結(jié)構(gòu)損傷.隨著時間的積累，這些微觀結(jié)構(gòu)損傷會進一步發(fā)展，導(dǎo)致材料的抗拉強度、屈服強度等力學(xué)性能逐漸下降，進而有可能造成鍋爐和管道爆裂等重大安全生產(chǎn)事故.因此，建立材料早期的高溫?zé)釗p傷檢測和評價方法具有重要的實際價值.

目前，常規(guī)的無損傷檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測等.其中，超聲檢測具有靈敏度高、穿透力強、指向性好、檢測速度快、成本低、設(shè)備相對簡單、對人體無害等優(yōu)點，因此在電站、機械制造、冶金、航空航天、航海、石油化工、鐵路運輸?shù)缺姸喙I(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用.

近年來，非線性超聲檢測技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注.大量研究表明，金屬材料早期的微損傷與超聲波的非線性效應(yīng)關(guān)系非常密切.［1-5］與傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)相比，非線性超聲在檢測由于位錯等引起的材料早期彈性或塑性形變及疲勞損傷等方面有其獨特的優(yōu)勢.傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)測量的是時域信號，受激勵探頭頻率的限制，其檢測精度最高只能達到微米級別，而位錯等材料晶體內(nèi)部的變化多處于微米級至納米級，超出了傳統(tǒng)超聲檢測的能力.［6］非線性超聲測量的是頻域信號，通過測量基波和高次諧波的幅度可以反演出材料的非線性系數(shù)，進而借助該系數(shù)分析材料的損傷特性.

本文采用非線性超聲檢測方法，選用目前廣泛使用于電廠鍋爐主蒸汽管道及石油裂化裝置中高溫爐管的P91鋼，對經(jīng)過不同溫度熱處理的P91鋼試樣進行超聲縱波無損檢測，探索了不同溫度下非線性系數(shù)與材料高溫損傷之間的關(guān)系.

1 非線性超聲檢測的理論基礎(chǔ)

一般來說，固體介質(zhì)都具有非線性的特征.由于固體介質(zhì)的非線性，單頻正弦超聲波將與固體介質(zhì)間發(fā)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生高頻諧波.［7-8］基于這一特點，BREAZEAL等人從連續(xù)介質(zhì)模型出發(fā)，建立了一維縱波非線性波動方程:

式中:ρ0——介質(zhì)密度;

u——質(zhì)點位移;

x——聲波傳播距離;

t——聲波傳播時間;

K2——二階彈性常數(shù);

K3——三階彈性常數(shù);

c——縱波波速.

根據(jù)式(1)定義非線性系數(shù)為:

若式(1)的初始條件為:

則可求得波動方程的近似解為:

式中:ω——聲波初始頻率;

A0——聲波初始振幅;

k——波數(shù)，k=ω/c.

由式(4)可知，基波幅度為:

二次諧波幅度為:

則聯(lián)立式(5)和式(6)可得材料的非線性系數(shù)為:

若給定超聲波的頻率和試樣長度，即k和x保持不變，則非線性系數(shù)β只與基波幅度A1和二次諧波的幅度A2相關(guān)，即:

超聲波與固體介質(zhì)間的非線性作用主要來自于兩個方面:一是固體介質(zhì)本身的晶格非諧和性;二是由固體介質(zhì)晶體缺陷(如位錯、微裂紋等微缺陷)引起的非線性.而研究表明，由位錯等微缺陷引起的非線性要比晶格非諧和性引起的非線性大得多，在高溫載荷作用下，金屬材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)(如位錯密度、位錯弦長、位錯組態(tài)等)都會發(fā)生變化，從而使非線性系數(shù)產(chǎn)生較明顯的變化.因此，超聲非線性系數(shù)可以作為表征材料內(nèi)部疲勞損傷的重要聲學(xué)特征參量，利用非線性系數(shù)可以對材料進行早期高溫損傷的無損檢測.［9］

2 試樣的制備和實驗系統(tǒng)

2.1 試樣制備

試樣材料選用P91鋼，P91(9Cr1MoVNb)鋼是一種改良的9Cr1Mo鋼.它是在9Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上降低含碳量，在限制碳含量上下限、更加嚴(yán)格控制P和S等有害元素含量的同時，添加了一定量的N，以及微量的強碳化物形成的元素V和Nb，以達到細化晶粒、提高鋼管持久強度的要求，從而形成的新型鐵素體型耐熱合金鋼，其化學(xué)成分如表1所示.

將從同一塊P91鋼板上切下的6個相同尺寸的試樣S0～S5作為試驗用材，模擬鍋爐管道的高溫工作過程，對試樣進行不同溫度條件的熱處理，熱處理工藝為隨爐加熱至預(yù)定溫度，然后保溫一定時間，拿出空冷至室溫.熱處理后對各個試樣表面進行磨削加工，使超聲換能器與被測表面能夠充分接觸，確保對不同試樣的超聲測試是在相同表面狀態(tài)和接觸條件下進行.表2為最后得到的6個被測試樣.

表1 P91鋼的化學(xué)成分 %

熱處理完畢后，采用苦味酸試劑進行腐蝕，獲得了6個試樣的金相組織顯微照片，如圖1所示.由圖1可以看出，隨著加熱溫度的升高，各個試樣的內(nèi)部組織發(fā)生了明顯變化.原始試樣的回火馬氏體組織較為均勻細小，隨著溫度的升高，晶粒不斷長大、亞晶界發(fā)生合并，組織不斷增大，造成馬氏體板條的粗化.其他晶內(nèi)細小彌散的碳化物以及不穩(wěn)定的第二相隨著溫度的升高很容易聚集長大，并會溶解和向其他結(jié)構(gòu)碳化物轉(zhuǎn)化，從而失去應(yīng)有的強化作用.這些都會導(dǎo)致材料的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生退化，其性能也會逐步劣化，如強度降低、脆性增大等，從而導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低、使用壽命縮短.

表26 個P91鋼試樣的熱處理規(guī)范

圖16 個試樣的金相顯微組織

2.2 實驗系統(tǒng)

試驗所用非線性超聲測試系統(tǒng)如圖2所示.該系統(tǒng)由美國Ritec公司的RAM-5000 SNAP非線性超聲測試系統(tǒng)構(gòu)成，包括衰減器、放大器和濾波器組等.實驗中，激勵信號來源于RAM-5000 SNAP非線性超聲測試系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖串，經(jīng)衰減器、低通濾波器，激勵中心頻率為5 MHz的窄帶鈮酸鋰縱波換能器產(chǎn)生超聲波進入待測試樣，接收端采用中心頻率為10 MHz的寬帶鈮酸鋰縱波換能器，接收信號經(jīng)過高通濾波器和放大器返回至RAM-5000 SNAP非線性超聲測試系統(tǒng)進行信號提取和處理.換能器和P91鋼試樣間采用Sonotech公司的ULTRAGELⅡ耦合劑，用一個特定的夾具來保證測試時換能器和試樣之間的耦合充分穩(wěn)定.同時，在測試過程中使發(fā)射換能器和接收換能器始終保持在同一軸線上，以避免能量損失，影響測試結(jié)果.

圖2 非線性超聲測試系統(tǒng)

3 實驗測量

實驗中為了減少儀器和隨機因素產(chǎn)生的諧波干擾，激勵信號不能在試樣厚度方向上與接收信號重疊，也就是說，激勵信號的脈沖寬度不能大于超聲波穿過試樣所需要的時間，經(jīng)反復(fù)對比測試，確定激勵信號的正弦脈沖串的周期數(shù)為5，脈沖寬度約為1 μs.在對不同溫度損傷試樣的測試過程中，保持測試系統(tǒng)各衰減器、放大器、濾波器等工作參數(shù)設(shè)置不變，試樣厚度為20 mm，激勵信號頻率為5 MHz，接收到的信號包含頻率為5 MHz的基波信號和頻率為10 MHz的二次諧波信號.將采集到的信號傳送給示波器后，利用示波器對其進行16次平均，以有效抑制測試過程中的一些隨機因素的影響，提高信號的信噪比.實驗所測得的基波和二次諧波的時域信號如圖3所示.

對基波和二次諧波的時域信號做FFT變換，在5 MHz頻率位置上可以得到基波的幅度A1，在10 MHz頻率位置上得到二次諧波的幅度A2.單次測試6個試樣所得到的基波幅度和二次諧波幅度的數(shù)值如圖4所示.

對于基波來說，只要保持激勵條件不變，基波的幅度基本就能保持不變.而對于二次諧波來說，其數(shù)值本身非常小，每次測試環(huán)境稍有不同，如超聲探頭與試樣表面的接觸情況、耦合劑的耦合程度等，都會對所測得的數(shù)值造成較大影響.本文實驗中，對每個試樣在同一激勵信號下進行10次測量，取10次測量結(jié)果的平均值作為實驗結(jié)果來進行分析和討論.

圖3 基波和二次諧波時域信號

圖4 基波和二次諧波的頻域信號

4 實驗結(jié)果分析

4.1 基波幅值與二次諧波幅值的關(guān)系

由式(7)可知，若超聲發(fā)射頻率和試樣厚度固定不變，則二次諧波幅值和基波幅值的平方之間存在線性關(guān)系.對6個試樣采用逐級增加激勵信號強度的方法，測得不同的基波和二次諧波信號，再進行FFT變換，求得相應(yīng)的基波幅值A(chǔ)1和二次諧波幅值A(chǔ)2，繪制出基波幅值的平方與二次諧波幅值的關(guān)系曲線圖，如圖5所示.

圖5 基波幅度的平方與二次諧波幅度的關(guān)系

由圖5可以看出，隨著激勵電壓的增加，二次諧波幅值A(chǔ)2與基波幅值的平方A21存在很好的線性關(guān)系.同時也說明，實驗所測得的二次諧波信號不是來源于測量系統(tǒng)本身的電信號，驗證了實驗的可靠性.

4.2 非線性系數(shù)與加熱溫度間的關(guān)系

對6個試樣采用相同的激勵信號，在試樣厚度、耦合等條件均相同或相似的情況下測量10次，取平均值作為基波和二次諧波的幅度，由β=A2/A21可計算出各個試樣的非線性系數(shù).由于在試樣制備過程中，只有加熱溫度不同，加熱過程和保溫時間都一樣，因此可以認為本實驗中非線性系數(shù)的變化只與加熱溫度有關(guān).非線性系數(shù)與加熱溫度之間的關(guān)系如圖6所示.

由圖6可以看出，非線性系數(shù)隨加熱溫度的升高而逐漸增大，加熱過的試樣比常溫試樣變化要快，后逐漸趨緩，這樣的變化是因為經(jīng)過不同高溫損傷后P91鋼內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，位錯弦長和位錯密度增大，增加了材料的非線性.因此，超聲非線性系數(shù)可以用于表征材料非線性的相對變化，通過對高次諧波的檢測，可以對材料早期的力學(xué)性能退化和微損傷進行無損檢測和評價.

圖6 非線性系數(shù)與加熱溫度的關(guān)系

5 結(jié)語

本文基于非線性超聲波動理論，搭建了非線性超聲測試系統(tǒng)，對P91鋼的高溫?zé)釗p傷進行了實驗研究，獲得了P91鋼不同溫度損傷試樣的基波幅度和二次諧波幅度.實驗結(jié)果表明，二次諧波幅度和基波幅度的平方存在很好的線性關(guān)系.由此計算出P91鋼不同溫度損傷試樣的非線性系數(shù)，結(jié)果顯示非線性系數(shù)隨加熱溫度的升高而逐漸增大，這說明高溫損傷改變了P91鋼內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)，增加了P91鋼材料的非線性，非線性系數(shù)作為一個重要參量可以用來對材料早期的高溫?zé)釗p傷進行無損評價.本文的研究結(jié)果對運用非線性超聲縱波對材料進行高溫?zé)釗p傷評價具有一定的實用意義.當(dāng)然，本文的實驗研究是對采用非線性超聲對P91鋼的高溫?zé)釗p傷進行定性研究，接下來進一步的工作主要側(cè)重于采用非線性超聲檢測手段對P91鋼進行疲勞損傷超聲檢測、蠕變損傷超聲檢測，并結(jié)合電站退役的P91鋼管材進行對比分析，以期建立P91鋼非線性超聲檢測的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)P91鋼非線性超聲檢測在實際工程中的應(yīng)用.

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(編輯 白林雪)

Nonlinear Ultrasonic Detection of Thermal Damage of P91 Steel

SUN Jinzhong
(School of Electronics and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China)

A nonlinear ultrasonic testing is implemented on P91 steel specimens thermal treated at different temperatures based on the theory of nonlinear ultrasound.The nonlinear parameter is calculated by analyzing spectrum of fundamental and second-harmonic at the same excitation conditions.The result shows that the nonlinear parameter increases with heat treatment temperature.The square of the fundamental amplitude and the second-harmonic amplitude have a good linear relationship.It is shown that the experimentally measured properties of the ultrasonic nonlinear only concerns with the nature of the sample itself.The test results show that the nonlinear parameter can be used for material nondestructive evaluation.

nonlinear ultrasonic;second-harmonic;thermal damage;P91 steel

TG115.285

A

1006-4729(2015)02-0278-05

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.02.018

2014-09-04

孫錦中(1981-)，男，碩士，講師，河南信陽人.主要研究方向為超聲無損檢測方法及信號處理.E-mail:benima2001@sina.com.