超聲檢測對儲氫設備材料氫損傷實驗評估

摘要：氫能被稱作21世紀最具發展前景的能源，但是服役于氫環境中的臨氫設備往往會形成不同程度的氫損傷。如何在臨氫環境下對氫損傷進行有效評定便成為氫能源行業發展必不可少的一項重要研究。本文將回波中衰減系數與回波波速作為試樣氫脆程度的無損評價依據，實現對服役設備材料氫脆程度的有效評估。

關鍵詞：超聲檢測；氫脆；無損評價

氫引起材料力學性能的損傷會影響儲氫設備安全使用。在保證設備完整無損的前提下探測臨氫設備的安全性，成為保障臨氫設備使用壽命的重要需求。無損檢測是達成該目的的有效手段，選取無損檢測的方式來評價材料中發生的氫損傷也成為研究人員的重要課題［1］。

超聲波無損檢測技術，因具有高頻率、確定的方向性以及很好的穿透力而使其成為無損檢測技術中較為可靠且發展較為成熟的檢測技術手段；因其無害、安全、檢測設備易于搭建且經濟而被廣泛應用于試驗室無損檢測試驗中。

通過超聲信號可以得到材料力學性能的變化，并與未受到氫影響的材料進行對比，從而判斷材料受到氫損傷的程度。此外，超聲波在被測試樣表面會發生折射、反射和波形轉換，可使測量方法更具多樣化。

本文研究中選用的材料是抗氫脆性能較好的225Cr1Mo0.25V鋼，通過研究充氫時間不同的情況下力學性能的改變及氫的擴散過程，進而對試樣的氫損傷程度做出評價，這對于預防氫損傷帶來的危害和設備平穩運行起著重要的作用［2］。

1無損超聲檢測理論

試驗與模擬所用超聲波均采用縱波，因此僅介紹超聲波縱波的傳播特性。當超聲波縱波保持某個角度傾斜進入被測試樣入射面時，會在異質界面處產生反射與折射縱波，同時該超聲波也會發生波型轉換，從而產生反射與折射橫波［3］。

異質介質的聲阻抗率均使用其介質自身密度ρ與縱波在其介質內傳播速率c的乘積來表示，兩種介質在界面相交處所產生的縱波和橫波的反射波及折射波均滿足如下所示的反射及折射定律：

cl1sinαl=cl2sinβl=cs1sinαs=cs2sinβs（1）

其中，c表示超聲波在介質中的傳播速度，下標l與s分別表示縱波與橫波，下標數字分別代表第一與第二種介質。

當超聲波縱波垂直入射到兩種介質界面時，界面交接處會產生一個垂直界面的反射縱波，以及一個同入射波傳播方向相同的透射縱波，此時異質界面交界處則不會發生波型轉換。

反射縱波、入射縱波及透射縱波均處于同一直線上，當超聲波縱波從聲阻抗率較大介質向聲阻抗率較小介質垂直入射時，在兩介質界面處，聲壓反射率會變大而聲壓透射率會減小。當介質1所具有的聲阻抗率遠遠大于介質2時，聲壓透射率將無限趨近于零，此時在該界面處超聲波縱波入射后僅產生反射縱波，透射縱波已小到可忽略不計。所以在試驗使用超聲波縱波對試樣進行無損檢測時須在試樣與發射超聲波的探頭之間添加耦合劑。若探頭和試樣之間沒有添加耦合劑，粗糙的試樣表面則會產生空氣間隙，導致此時超聲波縱波自探頭高聲阻抗率介質向空氣這一極低聲阻抗率介質傳播，使得入射超聲波縱波在該界面處僅產生反射縱波而無透射縱波，若無透射縱波則無超聲波可進入需檢測試樣中，無法獲得試驗結果。

2超聲縱波在介質中傳播的衰減

超聲波縱波在介質內傳播時會產生聲波能量逐漸減弱的現象，該現象主要是由超聲波傳播途中發生擴散、散射以及吸收造成［4］。其中由擴散造成的衰減主要是由超聲波的形狀（柱面波或球面波）所決定，而超聲波傳播的介質性質對其沒有影響。因此氫脆造成試樣性質改變無法通過擴散衰減表現；吸收造成超聲波衰減主要是對于超聲波傳播介質為液態物質是占主要因素，而在固態介質中吸收所占影響小于散射所造成的衰減；散射對超聲波的衰減主要是由于傳播介質的不均勻性所造成的，聲波會在聲阻抗不同處發生所述的反射與折射。而介質中的晶界、密度變化、缺陷、材料彈模變化以及位錯等均可引起試樣聲阻抗的改變，從而產生超聲波的散射衰減。因此可通過超聲波在介質中傳播時發生散射所造成的超聲波能量衰減、超聲波信號幅值降低來判斷金屬材料的氫脆情況。

通常用超聲波信號中的衰減系數來表征聲波能量衰減，且不考慮聲束擴散的影響，其聲壓衰減規律可由式（2）來表示：

p=p0e-αx（2）

式中，p0——起始聲壓；p——超聲波在介質中傳播的聲壓；x——超聲波在介質中的傳播距離；α——聲衰減系數；e——自然數對數底數。

兩次底面回波聲壓分別可表示為：

p1=p0e-2αd（3）

p2=p0e-4αd（4）

式中，d——超聲波傳播介質厚度。

將式（3）及式（4）分別取自然對數再相減得式（5）：

α=lnp1-lnp22d（5）

將式中α用分貝值表示，則可表示為式（6）：

α=12d20lgp1p2（6）

由于聲壓與聲波峰值成正比，故計算金屬的聲衰減系數公式一般表示［56］為式（7）：

α=12d20lgH1H2（7）

根據式（7）即可計算超聲波在試樣中傳播的衰減系數，通過計算對比氫脆前后的衰減系數，便可得到氫脆對材料的影響程度。

3超聲波縱波檢測2.25Cr1Mo0.25V鋼介質試驗

基于1節所述超聲檢測的理論及超聲衰減的原理，本節將對2.25Cr1Mo0.25V鋼實行超聲波縱波垂直入射的無損檢測超聲無損檢測試驗中，超聲波縱波由脈沖發射器激發，激發出的超聲波縱波經過超聲波探頭后進入被測試樣內部，由1節知為防止超聲探頭與粗糙的試樣表面產生的空氣間隙形成固氣界面導致超聲波全反射而無透射波進入被測試樣，需在測試試樣同超聲探頭之間添加耦合劑，使透射超聲波進入被測試樣中。本試驗選取甘油做耦合劑，在試驗過程中為減小試驗誤差，需將超聲探頭全程壓緊在試樣表面，脈沖發射接收器接收到試樣底面超聲波反射信號，隨后在示波器中可顯示出時域圖形。探測結束后需清理探頭及試樣上的甘油，以防止試樣儀器損壞。

選用被測試樣為20mm×20mm×5mm的2.25Cr1Mo0.25V鋼材料。探測前需將試樣表面磨至鏡面以防止試樣表面過于粗糙而產生較多反射橫波及折射橫波，從而對試驗結果產生影響。

處理過試樣表面后，使試樣在400mA的充氫電流下，在電解質溶液為0.2mol/LNaOH溶液中分別預充氫0h、12h、48h。

4超聲波探測試驗結果

通過超聲波探測所得時域圖如圖1所示。

圖1中第一個波峰為探測試樣上表面回波，第一個波的衰減受試驗中超聲波探測試樣表面的粗糙度以及耦合劑對超聲波能量損耗的影響，不能反映出被測試樣內部情況。從第二個波峰開始均為試樣底面回波，而底面回波受被檢測試樣內部性質的影響，會產生散射衰減，可反映傳播介質內部情況。因此，選取第一與第二底面回波作為試驗分析數據。通過兩底面回波的時間差可以計算得出充氫前后超聲波在該試樣中傳播的波速變化，兩底面回波的波峰值通過式（7）計算得出超聲波在該試樣中傳播的衰減系數，對比分析試樣充氫前后所得衰減系數。

隨充氫時間增加，衰減系數呈逐漸增大趨勢，48小時后衰減系數變化也趨于穩定，衰減系數變化幅度為20%，如圖2所示。根據不同充氫時間下相應的超聲波速的分布可知，超聲波在充氫介質中波速呈逐漸下降的趨勢，對比未充氫試樣與充氫至48小時試樣中超聲傳播速度降低幅度僅為1%左右，如圖3所示，變化幅度與衰減系數變化幅度相比過低，因此考慮將對氫脆反應靈敏的衰減系數作為主要判斷依據，而將超聲波速變化作為衰減系數的輔助驗證方式。

5結論

充氫時間較短時，超聲信號表現為能量衰減趨勢較大，衰減系數增大趨勢較快。隨充氫時間的增加，超聲回波的衰減系數增大趨勢隨之減緩，充氫至試樣內氫濃度分布逐漸趨于該充氫電流（表面氫濃度）下的穩定狀態，此時回波衰減系數變化趨勢趨于穩定，與波速變化幅度相比，衰減系數的變化幅度更為明顯，因此選取衰減系數作為評價氫脆的主要判斷依據，而將波速變化作為輔助判斷依據。

參考文獻：

［1］BlaszkiewiczM.Thedevelopmentofnondestructiveevaluation（NDE）formonitoringtheembrittlementinnuclearreactorpressurevessels［J］.MaterialsScienceForum，1996，210：916.

［2］RagupathyV.D，BhatM.R，PrasadM.V.N.Anexperimentalstudyofdiscontinuitiesinfrictionstirweldedjointsthroughnondestructivetesting［J］.MaterialsEvaluation，2017，75（3）：406412.

［3］張連芳，柯偉平.超聲波波型轉換與表面波的檢測［J］.物理實驗，2006，26（2）：810.

［4］張家駿.無損檢測概論［M］.北京：機械工業出版社，1993.

［5］BadidiBA，LebailiS，BenchaalaA.Grainsizeinfluenceonultrasonicvelocitiesandattenuation.NDT&EInternational，2003，36（1）：15.

［6］SarpünI·H，K1l1kayaMS.Meangrainsizedeterminationinmarblesbyultrasonicfirstbackwallechoheightmeasurements［J］.NDT&EInternational，2006，39（1）：8286.

基金項目：蕪湖職業技術學院校級自然一般科學研究項目（編號：wzyzr202332）；汽車新技術安徽省工程技術研究中心開放基金項目（編號：QCKJ202209B）；蕪湖市科技項目（編號：2023jc40）；安徽省教育廳高校科學研究重點項目（編號：2023AH052380）

作者簡介：武軼文（1995—），男，甘肅天水人，碩士研究生，助教，研究方向：無損檢測。