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嘉峪檢測網 2024-12-17 13:01
超（超）臨界機組在不同的區域管道中蒸汽參數不同，所需材料的導熱性、高溫蠕變斷裂強度等要求也不同，因此存在大量的SUPER304/T92異種鋼管焊接接口。
SUPER304鋼、T92鋼的主要材料成分分別是奧氏體和馬氏體，其熱膨脹系數、化學成分及力學性能等有較大區別。
異種鋼焊接接頭是管道薄弱環節，在高溫高壓的長期作用下易出現高溫蠕變、高溫疲勞等力學性能退化甚至失效的現象，導致受熱面管道早期開裂，從而威脅機組的安全運行。
因此，異種鋼焊接接頭的熱老化檢測成為超（超）臨界機組研究中的一個重點問題，發展快速、有效的異種鋼焊接接頭熱老化檢測方法具有重要意義。
異種鋼焊接接頭熱老化的無損檢測方法主要有超聲導波法、X射線法和電磁檢測法。
超聲導波法具有靈敏度高、檢測深度大的特點，常用于鋼件焊縫內部的缺陷檢測，但受限于超聲波的傳播特性，較難反映出材料的熱老化程度。
X射線法常被用于鋼件微觀結構檢測中，有較高的檢測精度，但檢測成本高、檢測效率低，而且對檢測試件的表面形態要求較為嚴格。
渦流檢測技術是一種金屬材料電磁無損檢測方法，常用于材料中缺陷、微觀組織及材料性能（熱老化、硬度等）的評估。研究證明，渦流法可對焊接或熱老化鋼件的力學性能進行快速、有效的無損檢測。因此，北京工業大學的科研人員通過試驗研究了渦流信號對SUPER304/T92異種鋼焊接接頭的熱老化表現能力。
渦流檢測試驗系統
為實現SUPER304/T92異種鋼焊接接口不同區域位置的渦流檢測，集成了一套渦流檢測試驗系統，如圖1所示。
圖1 渦流檢測系統結構示意及實物
該系統主要包括渦流傳感器、被測試件、上位機、運動控制平臺及TiePie-HS3集成板卡5部分。其中，傳感器由兩個相同的空心線圈上、下同軸放置，上置線圈為激勵線圈，下置線圈為檢測線圈。線圈由線徑為0.09 mm的漆包銅線纏繞而成，線圈內徑2 mm、外徑4 mm，每個線圈高度為6 mm，匝數約為500匝。線圈內垂直放置錳鋅鐵氧體磁芯以提高渦流檢測的靈敏度。
TiePie-HS3集成板卡由可編程信號發生器和雙通道采集卡組成。在渦流檢測系統中，其激勵信號端發出高頻正弦信號的同時接入CH1接收通道，接收線圈采集到的渦流信號則接入CH2通道。
對采集到的渦流信號進行傅里葉變換提取激勵頻率對應的渦流幅值，并采用渦流幅值比作為渦流信號的特征參量，其含義為激勵頻率下采集信號Ui與激勵信號Uo的幅值之比。
在試驗過程中，由運動控制平臺搭載傳感器按照預定路徑在試件表面進行自動化掃查，并由MATLAB內嵌的LabVIEW程序實現運動控制平臺的移動及信號的激勵、接收與處理。
異種鋼焊接試件制備
選取5個初始狀態相同的SUPER304/T92異種鋼焊接標準拉伸試件作為檢測試件，每個試件均由SUPER304和T92兩種材料焊接制成，因此試件可分為3個區域：SUPER304區、焊縫過渡區和T92區，如圖2所示。
圖2 SUPER304/T92異種鋼焊接試件結構
將5個試件置于650 ℃的高溫爐中進行應力加卸載試驗，其應力隨時間在40~60 MPa交替變化，具體步驟為：
① 在40 MPa單軸拉應力加載下保持0.5 h；
② 以0.1 kN/min的速度升高拉應力至60 MPa，保持0.5 h；
③ 以0.1 kN/min的速度降低應力至40 MPa，保持0.5 h；
④ 重復步驟①~③。
通過循環上述操作控制不同試件熱老化處理的時間：1~5#試件的熱老化時間分別為1587，1991，3029，4352，5030 h。
試驗結果與分析
1、焊接接頭熱老化的渦流檢測信號
渦流信號對不同材料的檢測效果受激勵頻率的影響，為得到異種鋼試件的最優激勵頻率，首先對試件進行掃頻測試，按照圖2所示掃描路徑對試件進行線掃描：以焊縫中心點O為基準，向x軸正負兩方向對稱取點進行渦流檢測；在距O點10~20 mm位置范圍內每間隔5 mm取點檢測，在距O點0~10 mm位置范圍內每間隔0.5 mm取點檢測，檢測路徑共40 mm。
采集多激勵頻率下的渦流信號，并根據測試結果選擇最優激勵信號。渦流掃描激勵頻率為200~700 kHz，掃頻步長為5 kHz，激勵幅值為5 V。
熱老化時間為1587 h的1#試件的渦流掃頻云圖如圖3所示，可知渦流幅值比在350~430 kHz范圍內（黃色亮帶處）存在最大值，分析每個掃頻位置，發現渦流幅值比特征參量隨激勵頻率增加均呈現先上升后下降的趨勢。
圖3 SUPER304/T92異種鋼1#試件的渦流掃頻圖像
其余熱老化試件的掃頻結果與圖3類似，此處不再贅述。此外，圖中3個不同區域的渦流敏感頻率不同，故提取每個檢測位置的渦流幅值比參量最大值處對應的頻率，繪制不同試件的最佳頻率隨掃描位置的變化曲線，如圖4所示，可見SUPER304母材區、焊縫過渡區和T92母材區的最佳敏感頻率不同。
圖4 試件的位置-最大幅值比所在頻率曲線
進一步計算5種試件變化曲線的平均值，如圖4中虛線所示，發現在距離焊縫中心位置−20~20 mm區間，3種區域的最佳敏感頻率呈現過渡性變化趨勢，3個不同區域對應的最佳敏感頻率分別為415，385，365 kHz。
415，385，365 kHz激勵頻率下，不同熱老化試件的渦流幅值比特征參量隨檢測位置的關系曲線如圖5所示，可見隨著檢測位置變化，3種激勵頻率在不同熱老化試件上的渦流檢測信號趨勢不同，但均能有效識別出SUPER304區、焊縫過渡區和T92區。
圖5 不同激勵頻率時試件的渦流幅值比參量隨位置的變化曲線
當激勵頻率為415 kHz時，SUPER304區的渦流幅值大于T92區，焊縫過渡區的呈現遞減的變化趨勢。當激勵頻率降低至365 kHz時，不同熱老化試件的渦流幅值比參量隨檢測位置的變化趨勢與激勵頻率為415 kHz時的相反。當激勵頻率為385 kHz時，焊縫過渡區中心位置的渦流幅值比參量存在最大值，并逐漸沿兩個母材區位置遞減，整體上看，SUPER304區的渦流幅值比參量略低于T92母材區。
此外，渦流參量隨位置變化曲線的中心存在一定的右向偏移，這可能是焊縫區母材與焊材融合過程中SUPER304和T92擴散程度不一致引起的，母材之間的差異導致熱影響區不一致也會對渦流檢測結果產生影響。
利用金相顯微鏡對試件進行顯微組織成像檢測，分析焊接接口不同區域的渦流幅值比特征參量與試件微觀組織結構的關系。
SUPER304/T92焊接試件熱老化保持時間為1587 h時焊接接口不同區域的金相組織圖像如圖6所示，可以看出SUPER304區域為均勻的奧氏體等軸晶，焊縫區域為粗大的鐵素體柱狀晶和少量球狀珠光體，T92母材區域的微觀組織則為回火馬氏體，且保持了板條馬氏體的形態特征。
圖6 熱老化時間為1587 h時試件焊接接口不同區域的金相組織圖像
馬氏體的磁導率遠大于奧氏體，且不同熱老化時間下的微觀組織和組分體積分數不同，導致材料的磁導率或者電導率不同，不同金相組織區域的渦流檢測信號也隨之改變。
2、接頭熱老化硬度與渦流信號的相關性分析
基于上述分析，熱老化試件的微觀結構主要由奧氏體、鐵素體混合物和馬氏體構成，其中馬氏體的硬度較大，奧氏體的硬度較小。
為研究異種鋼焊接接頭熱老化試件的硬度與渦流信號的關系，利用維氏硬度計在室溫下對焊接接頭進行硬度測試，力加載載荷為10 N，加載時間為10 s，在焊接中心各選取11個檢測位置，每個位置重復測量3次，計算3次測量結果的平均值與焊縫位置的變化曲線，結果如圖7所示。
圖7 SUPER304/T92焊接試件的維氏硬度分布
分析可知，SUPER304母材區的硬度最小，靠近T92側熱影響區的硬度最大。沿著焊縫中心靠近兩側母材時，焊接接頭的硬度呈現先增大后減小再趨于穩定的趨勢。
總體來看，隨著熱老化處理時間的增加，SUPER304區和T92區均存在軟化的趨勢。焊縫區域的硬度基本保持穩定。
分別提取SUPER304母材區、焊縫區、T92母材區3個區域的渦流幅值比特征參量與硬度值，繪制其與熱老化時間的變化曲線，結果如圖8所示。
圖8 激勵頻率為385 kHz時渦流幅值比與硬度隨熱老化時間的變化曲線
在激勵頻率為385 kHz時，隨熱老化時間的增加，3個區域的渦流幅值比均呈現下降趨勢。SUPER304區的硬度分布與渦流幅值比的變化趨勢基本一致，焊縫區的硬度與渦流幅值比的變化趨勢恰好相反，T92區域的硬度值隨熱老化時間呈波動下降趨勢。
當激勵頻率為415 kHz或365 kHz時，其渦流幅值比與硬度隨熱老化時間變化的分析結果與上述相似。
為定量表示渦流幅值比與硬度的關系，使用Spearman秩相關系數分析渦流幅值比與硬度之間隨熱老化時間變化的相關程度ρ，其計算公式為：
式中：n為變量總個數；di表示第i個數據的位次值之差。
在不同激勵頻率下，每個區域渦流幅值比與硬度的Spearman秩相關系數ρ的絕對值如圖9所示。可以發現同一激勵頻率下，不同區域渦流幅值比與硬度的Spearman秩相關系數具有不同的相關性。不同激勵頻率對不同區域的檢測效果不同，其中，在相同試件內，SUPER304區具有最大的Spearman秩相關系數，達到0.99；焊縫區的秩相關系數最高為0.90；在T92區，渦流幅值比對硬度的檢測能力稍弱，秩相關系數最高為0.7。
圖9 渦流幅值比與硬度的Spearman秩相關系數
結論
采用渦流檢測方法對不同熱老化時間的SUPER304/T92異種鋼焊接接口進行了試驗研究，主要得出以下結論：
1、SUPER304、焊縫及T92區有不同的敏感頻率，分別為415，385，365 kHz，3種頻率均可分辨出試件的3種區域，但對異種鋼焊接接口的渦流幅值比的呈現效果并不相同。在415 kHz頻率下，SUPER304區的渦流幅值比參量大于T92區，焊縫過渡區沿掃描路徑呈現下降的趨勢；365 kHz激勵頻率下的結果與415 kHz下的結果相反；在385 kHz激勵頻率下，渦流幅值比參量從焊縫中心向兩母體區逐漸下降。
2、由于SUPER304、焊縫及T92區分別由奧氏體、鐵素體及珠光體混合物、馬氏體組成，各區域材料對應的電磁特性不同，因此渦流幅值比參量也不同。
3、SUPER304、焊縫及T92區的渦流幅值比均隨著熱老化時間的增加而減小。采用Spearman秩相關系數對渦流和硬度的相關性進行定量分析，發現SUPER304區及焊縫區的渦流與硬度具有良好的相關性（|ρ|≥0.90），T92區的渦流與硬度之間的相關性則較弱（|ρ|=0.70）。
作者：李途巖1，吳斌1,2，王鈺玨1,2，劉秀成1,2，王楠1，李鵬1,2
工作單位：北京工業大學 1.材料與制造學部；2.信息學部
第一作者簡介：李途巖，碩士研究生，專業方向為電磁無損檢測。
通信作者簡介：王鈺玨，講師，博士，研究方向為無損檢測與評價。
來源：《無損檢測》2024年9期
來源：無損檢測NDT
