基于磁巴克豪森效應的P92鋼熱老化狀態檢測

曾晨明,丁同樂,劉向兵,雷屹坤,陳懷東,王海濤

(1.中廣核檢測技術有限公司, 深圳 518031;2.南京航空航天大學 自動化學院, 南京 210016;3.蘇州熱工研究院, 蘇州 215004)

目前我國電力來源的重點仍是燃煤發電機組,而高強度的耐熱鋼能夠為其安全運行提供保障[1]。P92鋼是一種鐵素體耐熱鋼,以其優異的高溫性能被廣泛應用于超超臨界機組的鍋爐和主蒸汽管道中[2],但由于其長期在高溫、高壓、強腐蝕環境下工作,材料內部會產生位錯密度改變和金屬元素析出等微觀結構變化,稱為鋼的熱老化現象,宏觀表現為材料硬度、屈服強度和沖擊吸收功等力學性能變化[3],當材料的力學性能不能滿足實際工作需求時,需要對其進行更換,否則就會引發安全事故。因此為確保火電廠安全有效地運行,需要對P92鋼材料的熱老化程度進行監測。

P92鋼材料的無損檢測方法主要有超聲檢測和磁巴克豪森噪聲(MBN)檢測。超聲檢測方法需要耦合劑且設備昂貴,不適用于P92鋼熱老化程度的檢測。P92鋼熱老化的根本原因是位錯密度變化和金屬相析出等微觀結構的改變[4-6],而MBN 信號對此類缺陷敏感,可在保證材料完整性的同時進行檢測,同時檢測便捷,適用于現場和在線檢測[7-8]。

1 試驗與分析

1.1 試樣制備與MBN信號測量

試驗對象為進口威曼高登P92耐熱鋼,該材料用于國內某電廠超超臨界機組主蒸汽管道。

為了方便后續對被測試件進行掃描電鏡和電子背散射衍射分析技術的觀測和研究,設計P92鋼試件的尺寸為15 mm×15 mm×1 mm(長×寬×高),所檢測的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間分別為0,3×104,4.9×104,5.6×104,7×104,9.3×104h的試件,試件實物如圖1所示。

圖1 P92鋼試件實物

基于MBN產生原理研制了一套P92鋼熱老化檢測儀器,檢測儀器的硬件框圖如圖2所示。該儀器整體設計輕巧,并通過增加大容量的鋰電池組進行供電,使檢測儀器能夠用于現場檢測。

MBN信號檢測的缺點是信噪比低,雖然在獲取MBN信號的過程中通過硬件高通濾波電路濾除了低頻干擾成分,但硬件以及周圍環境的干擾仍然會使得MBN 信號信噪比降低。故為了提高信噪比,選用時、頻域相結合進行信號分解的小波包算法以及可以對信號進行自適應分解的VMD算法來對MBN信號進行處理。

1.2 基于小波包分解算法的硬度測定試驗

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

檢測標準P92鋼得到其MBN 信號,其基于啟發式閾值原則的硬閾值方法和軟閾值方法[11]的降噪信號圖像如圖3所示。

采用啟發式閾值原則的硬閾值、軟閾值方法對硬度分別為165,175,185,205,215的P92鋼試件進行基于MBN 的檢測,對檢測結果進行量化,其能量比和均方根誤差如表1所示。從表1可知,啟發式硬閾值的方法對MBN信號進行降噪處理時的能量比大、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算法的硬度測定試驗

采用VMD算法對標準P92鋼的MBN 信號進行處理。按分解個數K值(分別為2～10)進行VMD 分解。在試驗中,可以通過在最佳臨界K值和K-1的分解層數分別進行信號比較,通過分析試驗所需信號所處的頻帶和分解結果,篩選出最佳K值[12]。為了使包含MBN信號特征頻帶信息的分解信號充分顯示,選擇K值為4進行VMD 分解。

通過計算互相關系數和能量比,可以篩選出有效I MF 分量,再使用有效I MF分量來進行MBN信號的重構。相關系數可表示為

式中:X為I MF分量信號;Y為原始信號。

經過計算,MBN信號經過VMD分解后各分量的能量比和互相關系數C如表2所示。從表2可以看出,I MF3分量能量比和互相關系數都遠大于其他分量,因此選擇了信號的I MF3分量作為濾波處理后的信號。

表2 原始信號與各個分量的能量比與相關系數

基于此處理過程采用VMD算法對硬度(HB)分別為165,175,185,205的P92鋼試件的MBN檢測信號進行處理,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VMD分解結果

通過對比不同硬度P92鋼的MBN檢測信號經過小波包算法和VMD算法降噪處理得到的能量比與均方根誤差兩個參數的大小,發現基于啟發式硬閾值原則的小波包算法降噪效果最優,因此使用此方法作為濾波算法。

1.4 硬度試驗特征值提取結果分析

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

圖4 MBN信號4種特征值與硬度值的關系曲線

圖4(a),(b),(d)中均方根、峰峰值、包絡面積隨著硬度值的增大逐漸減小,且近似為線性關系,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信號逐漸變得“矮胖”,與文獻[13]描述一致。

2 P92鋼熱老化規律試驗

對超超臨界機組主蒸汽管道未服役P92鋼樣品以及服役時間分別為3×104,4.9×104,5.6×104,7×104,9.3×104h的P92鋼試樣分別進行了3次MBN檢測,并對檢測結果進行基于啟發式硬閾值原則的小波包算法處理,繪制4種特征值與服役時間的關系曲線,其結果如圖5所示。

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

P92耐熱鋼服役過程中發生的微觀結構變化可以歸結為4種強化機制所涉及的微觀組織結構演變,在4種強化途徑中,固溶強化效果有限。亞結構強化和位錯強化起到降低硬度作用,而析出相強化起到增加硬度的作用[14]。析出相強化是指高溫條件下析出的大量第二相會隨著硬度條件的增加在尺寸、分布等方面發生變化,第二相顆粒在其周圍產生應力場,阻礙位錯的運動,從而提高材料的強度。對于亞結構強化,P92耐熱鋼中最主要的亞結構為馬氏體板條結構,服役時的強化效果主要靠板條來實現,板條寬度越小,數量越多,強化效果越好。對于位錯強化,P92鋼制備的回火過程中形成的位錯網絡結構是較為理想的位錯低能組態,這種位錯網絡結構的存在,在穩定馬氏體板條中的亞晶粒結構的同時,對提高P92鋼的熱強韌性和熱穩定性具有重要的作用。

使用SEM(掃描電子顯微鏡)對試樣進行觀察,發現當服役時間小于30 000 h時,析出相強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時的硬度有小幅度增加,當析出相達到強化值的臨界尺寸之后,由于析出相強化對材料硬度值的增加效果有限,材料的硬度值隨著服役時間的增加逐漸降低,并在70 000 h之后,由于固溶強化、亞結構強化和位錯強化相關的微觀結構達到穩定值,材料硬度值的下降趨于平緩。

3 結語

針對服役態P92鋼的熱老化狀態檢測,研制了P92鋼熱老化檢測儀器并進行試驗,試驗結果表明該方法可以滿足P92鋼熱老化的檢測需求,并得出以下結論。

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

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

(3) 當服役時間小于30 000 h時,材料的硬度有小幅度的增加,當服役時間為30 000～70 000 h時,材料的硬度下降較快,并在服役時間達到70 000 h后,硬度下降趨于平緩,微觀上表現為4種強化機制對于材料硬度的影響。