T/P92鋼焊接接頭蠕變損傷的超聲檢測

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(1.國電科學技術研究院有限公司，武漢 430066；2.武漢大學 動力與機械學院，武漢 430071)

隨著我國電力工業領域的快速發展，社會對電力行業安全運行的要求越來越高。為了確保主蒸汽管道以及再熱蒸汽管道在高溫高壓下的安全運行，電廠在運行前以及實際工作過程中，需要采用無損檢測手段對其進行相應的損傷檢測。檢測目的包括發現待檢對象中是否存在缺陷，以及缺陷的大小、性質、位置和形狀等。

超聲波是一種頻率大于20 000 Hz的機械波，其實質是以波動形式在彈性介質中傳播的一種波。利用超聲波的反射、透射和散射行為，超聲檢測法可以對被檢工件進行幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的評定、缺陷檢測和表征等。

1 T/P92鋼焊接接頭損傷的超聲檢測

1.1 超聲檢測系統的搭建

超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量會出現明顯衰減。引發超聲波衰減的原因主要有以下幾方面：① 晶粒散射衰減；② 聲束的擴散衰減；③ 介質吸收衰減。

筆者對T/P92鋼焊接接頭蠕變后的試樣，進行了縱波聲速檢測以及衰減系數測量，蠕變時間為312(20% tf),624(40% tf),936(60% tf),1 248(80% tf),1 560 h(1.0 tf)(tf指蠕變壽命分數)。試驗儀器采用汕頭超聲電子開發的CTS-1002數字式超聲探傷儀。

1.2 焊接接頭損傷的縱波聲速檢測

由于聲波是在彈性媒介中傳播的一種機械波，其傳播速度與介質的特性及狀態有關。因此，可以通過測量介質中的聲速來研究被測媒介的特性或狀態變化。

為了研究不同蠕變壽命分數下T/P92鋼焊接接頭各區域的常規超聲檢測時的縱波聲速變化,進行檢測試驗。焊接接頭的超聲檢測位置如圖1所示，其一共包含5個點，每個點測量3次。其中第1點和第5點為T/P92鋼母材組織；第2點和第4點為熱影響區組織；第3點為焊縫組織。

圖2為不同蠕變壽命分數下，T/P92鋼焊接接頭各區域的縱波聲速變化(圖中BM指母材，HAZ指熱影響區，WM指焊縫)。

圖2 T/P92鋼焊接接頭常規超聲檢測縱波聲速變化示意圖

圖1 T92鋼焊接接頭超聲檢測位置示意

從圖2(a)和2(e)可以看出，T/P92鋼母材組織的聲速在蠕變壽命范圍內并沒有呈現出規律性的變化。當試樣蠕變1 560 h后，與原始焊接接頭相比，斷裂試樣母材區域的縱波聲速并沒有發生明顯的改變。一方面這可能是由于母材區域的蠕變損傷相對較小，另一方面則可能是由于常規縱波聲速法自身靈敏度的限制所致。

圖2(b)和2(d)為T/P92鋼焊接接頭熱影響區組織的縱波聲速變化示意。由于蠕變1 560 h后，持久試樣的斷裂位置發生在測量點2處，因此在圖2(b)中缺失了相應的數據。從圖2(d)中可以看出，在蠕變壽命區間的80%～100%中，焊接接頭熱影響區的縱波聲速表現出輕微的下降趨勢。

過去的研究表明：縱波聲速與介質的彈性性質有關，介質的彈性模量越高，材料內部越是致密，其聲速也越高。而當材料內部出現孔洞等缺陷時，其縱波聲速則會相應地下降。T/P92鋼熱影響區的縱波聲速在蠕變壽命區間的80%～100%中下降幅度輕微，這可能是由于細晶區的區域很窄(即損傷程度較重的區域較窄)而引起的。

圖2(c)為焊縫組織的縱波聲速變化圖，可以看出：相比較焊接接頭的母材與熱影響區，焊縫區域的聲速最小，這是由于焊縫組織的晶粒比較粗大，縱波聲速易發生衰減所致。

1.3 焊接接頭損傷的衰減法檢測

由于熱影響區是T/P92鋼焊接接頭中最脆弱的位置，因此除了測量縱波聲速外，還對蠕變前后焊接接頭熱影響區的衰減系數進行了測量，測量位置統一選取為第4點。

圖3為T/P92鋼焊縫熱影響區在不同蠕變壽命分數下的聲衰減示意。基于多次脈沖反射法，可以看出：在試樣的蠕變壽命范圍內，四次反射底波(B4)的幅度變化不大，而五次反射底波B5則在蠕變壽命的80%～100% tf區間內呈下降趨勢。此外，和80% tf的試樣相比，六次反射底波B6以及后者(B7, B8)在1.0 tf的試樣中降低明顯，表明超聲衰減法對T/P92鋼熱影響區的損傷評估只在蠕變壽命末期階段才較為敏感。

圖4為T/P92鋼熱影響區在不同蠕變壽命分數下的衰減系數變化示意。由圖4可以看出，由于衰減系數在熱影響區蠕變壽命期的絕大部分時間內變化不大，因此常規的衰減系數測量法對評估T/P92鋼焊接接頭蠕變損傷的效果并不是很理想。

圖3 T/P92鋼焊接接頭常規超聲檢測聲衰減示意

圖4 T/P92鋼焊接接頭常規超聲檢測衰減系數變化示意

過去的研究表明[1-3]：介質中出現的孔洞等缺陷將會對超聲波產生散射作用，從而導致超聲波發生衰減。同時，隨著介質損傷程度的加重(即孔洞等缺陷的尺寸增加、數量增多)，超聲波衰減的程度將增加。然而，從圖3(a)～3(c)中可以看出：T/P92鋼熱影響區的底波幅度在80%的蠕變壽命范圍內并沒有發生明顯變化，盡管蠕變孔洞在此范圍內已經有了顯著的萌生與長大。探究其原因可以發現，常規超聲檢測只對尺寸接近半波長的缺陷才較為敏感，而當缺陷的尺寸小于半波長時，在介質中超聲的衍射現象占主導地位。T/P92鋼蠕變斷裂后，熱影響區大多數蠕變孔洞的尺寸仍然處于微米級水平，這就表明了超聲衰減法很難檢測出T/P92鋼熱影響區蠕變壽命前期中的孔洞損傷。

2 結論

(1) 采用超聲縱波聲速檢測方法對T/P92鋼焊接接頭蠕變損傷進行檢測，發現T/P92鋼焊接接頭母材、熱影響區與焊縫區域的縱波聲速并沒有呈現明顯的規律性變化，表明常規的超聲方法對T/P92接頭形成的蠕變孔洞并不敏感。

(2) 采用超聲波衰減系數方法對焊接接頭熱影響區進行了評估，結果表明T/P92鋼熱影響區的衰減系數在80%蠕變壽命的范圍內并沒有發生明顯的變化，而只是在之后的壽命區間內發生了較為顯著的上升，超聲衰減法很難檢測出T/P92鋼熱影響區蠕變壽命前期的孔洞損傷。