一种高铬马氏体耐热钢接头蠕变孔洞损伤的无损检测方法及装置与流程

本发明属于金属材料检测领域，具体涉及一种检测高铬马氏体耐热钢接头蠕变孔洞损伤的方法及装置。
背景技术：
：t/p91、t/p92、t/p122和t/p911等新型高铬马氏体耐热钢具有良好的热物理性能、抗热疲劳性能，特别是具有优异的高温蠕变性能，是制造超超临界机组主蒸汽管道、集箱以及受热面管的理想材料。然而，该类钢的焊接接头在服役过程中有严重的iv型蠕变断裂倾向，显著降低了接头的高温蠕变强度和断裂寿命，导致部件早期失效。iv型蠕变断裂是一种危害性极大的脆性断裂，容易造成重大安全事故。ⅳ型断裂是接头的薄弱部位(热影响区，haz)在蠕变过程中萌生孔洞，之后孔洞数量逐渐增多并且长大，最后聚集为裂纹，裂纹快速扩展最终导致断裂。研究发现蠕变孔洞损伤阶段占接头寿命的绝大部分时间，甚至贯穿寿命的全过程，因此检测监督孔洞损伤状况对于及早预警，防止发生危害性大的ⅳ型蠕变断裂非常重要。ⅳ型蠕变断裂过程中，孔洞首先发生在接头的心部，因此无法用表面覆膜金相等检测方法发现。传统线性超声检测技术(例如纵波声速法以及衰减法)只对体积型的缺陷和具有开放式的裂纹敏感，只能检测接头蠕变寿命末期才形成的宏观裂纹，难以发现早中期出现的蠕变孔洞，因此不能实现及时预警。针对上述问题，目前需要一种对新型高铬马氏体耐热钢接头蠕变孔洞损伤状况进行无损检测评价的方法，以便及早预警，防止ⅳ型断裂事故的突然发生。技术实现要素：针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：一种高铬马氏体耐热钢接头蠕变孔洞损伤的无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、利用检测装置对试样进行非线性超声测量，测量完后，对时域内的信号进行傅里叶变换(fft)，得出试样的频谱，从频谱的结果中读出测量点的基波幅度a1以及二次谐波的幅度a2；步骤2、将步骤1中得到的参数a1a2代入非线性超声参数计算公式：计算出接头试样热影响区的非线性超声参数β；步骤3、对待评价试样进行实验拟合出模型并确定模型公式中的三个系数c1，t1，β0的大小，其中x为蠕变孔洞的面积分数；步骤4、将测得的非线性超声参数β代入步骤3中已经确定的拟合模型中，即可评估蠕变孔洞的面积分数x，从而实现评价测试样蠕变损伤程度的目的。所述非线性超声测量的测量位置设定在接头试样焊缝两侧的热影响区。所述步骤2中非线性超声参数计算公式的具体推导过程如下：将一列高能脉冲发射到被检工件上，超声波在传播过程中会与材料内部的微缺陷相互作用，使得频域内的基波a1发生扭曲并引起二次谐波a2产生；对于金属材料而言，由于应力σ与应变ε成非线性的关系，由胡克定律描述为：σ＝eε(1+βε+…)(1)式中，e是弹性模量，β称为二阶弹性系数，也被称为非线性参数，当一列单频超声纵波穿过试样后，一维波动方程用下式表达：其中，ρ为质点的质量密度，u为质点的位移，t为时间，x为纵波动传播距离(工件厚度)，结合质点应变ε与介质位移之间的关系：得出介质位移的非线性波动方程：当一列单频正弦波u＝a1sinωt作用到非线性介质上时，通过两次迭代求得质点位移u的近似解：其中ω为角频率，k为波数，根据上式可以确定非线性参数的表达式：由于k和x为常数，在工程上为了方便测量与计算，使用非线性超声参数的简化表达式：所述步骤3中拟合模型的建立过程为：通过研究不同蠕变损伤状态下、非线性超声参数与焊接接头蠕变孔洞的对应关系，拟合得到了以下关系模型：其中，x为视场范围内蠕变孔洞的面积分数，β为材料的非线性参数，c1，t1，β0为常数。一种高铬马氏体耐热钢接头蠕变孔洞损伤的无损检测装置，包括超声脉冲发生器、输出阻抗、衰减器、双工器、滤波器、超声换能器以及示波器，所述超声脉冲发生器用于激发高能射频(rf)脉冲群，在超声脉冲发生器的输出端口依次连接输出阻抗，衰减器、双工器、滤波器以及超声换能器的发射探头，所述输出阻抗用于保证信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，衰减器用于承受输出功率的衰减；双工器用于清除系统脉冲发射时所产生的噪声信号；滤波器则用于过滤其它频率分量，保证发射信号频率的纯净性，在超声脉冲发生器的接收端口连接超声换能器的接收探头，以此来接收基本波信号和二次谐波信号，在超声脉冲发生器的外置接口上连接一台示波器，用于观察接收信号在时域范围内的波形，本装置超声信号发射的模式采用纵波法(一发一收)，被测量的试样放置在发射探头与接收探头之间，测量前用超声耦合剂进行耦合。所述超声脉冲发生器的输出电压不小于450v，输出功率不小于500w。所述超声换能器的发射探头和接收探头的频率分别为2.5-5mhz与5-10mhz。本发明具有如下优点：高铬马氏体耐热钢接头ⅳ型蠕变失效是一种极具危害性的破坏方式。以往研究表明，传统线性超声检测技术由于灵敏度的限制，超声纵波声速变化和声衰减在这类钢焊接接头蠕变寿命范围内的变化很小，无法实现对接头ⅳ型蠕变失效的损伤评估。在本专利中，所采用的非线性超声测量技术的灵敏度较高，表现为在接头蠕变寿命范围的60％内，非线性参数已经上升了50％，即发生了明显的增加。因此，采与非线性超声检测可以有效地评估焊接接头的蠕变损伤，从而实现早预警，防止ⅳ型断裂事故的突然发生。附图说明图1为本发明采用的高铬马氏体钢接头蠕变持久试样的示意图；图2为本发明采用的高铬马氏体钢接头蠕变持久试样蠕变孔洞损伤评估位置示意图；图3为本发明非线性检测系统示意图；图4为高铬马氏体钢接头热影响区蠕变孔洞的金相照片；图5为非线性参数与高铬马氏体钢接头蠕变孔洞损伤之间的对应关系；图6为非线性参数与高铬马氏体钢接头蠕变寿命之间的关系图；具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，本发明提供了一种新型高铬马氏体耐热钢接头蠕变孔洞损伤的无损检测方法，解决现有无损检测方法无法检出的问题。本发明通过采取非线性超声技术解决新型高铬马氏体耐热钢接头蠕变孔洞损伤的检测难题，其原理是利用高能射频脉冲和材料内部微缺陷之间相互作用所产生的高次谐波，评估接头的损伤程度。本发明利用非线性超声技术检测高铬马氏体耐热钢接头的高温蠕变损伤程度，建立蠕变孔洞与非线性超声参数之间的定量关系，从而实现对新型高铬马氏体耐热钢接头服役期间蠕变孔洞损伤的定量评估，保障超超火电机组的长期安全运行。本发明包括非线性超声参数的确定，非线性超声检测系统的搭建以及非线性检测工艺的确定。(1)非线性超声测量参数的确定若将一列高能脉冲发射到被检工件上，超声波在传播过程中会与材料内部的微缺陷相互作用，使得频域内的基波a1发生扭曲并引起二次谐波a2产生。对于金属材料而言，由于应力σ与应变ε成非线性的关系，可由胡克定律描述：σ＝eε(1+βε+…)(1)式中，e是弹性模量，β称为二阶弹性系数，也被称为非线性参数。当一列单频超声纵波穿过试样后，一维波动方程可以写为下式：其中，ρ为质点的质量密度，u为质点的位移，t为时间，x为纵波动传播距离(工件厚度)。结合质点应变ε与介质位移之间的关系：可以得出介质位移的非线性波动方程：当一列单频正弦波u＝a1sinωt作用到非线性介质上时，可以通过两次迭代求得质点位移u的近似解：其中ω为角频率，k为波数，根据上式可以确定非线性参数的表达式：由于k和x为常数，在工程上为了方便测量与计算，可以使用非线性超声参数的简化表达式：(2)非线性超声参数与高铬马氏体钢接头蠕变孔洞的关系模型若将一列高能脉冲发射到被检工件上，超声波在传播过程中会与材料内部的微缺陷相互作用，使得频域内的基波发生扭曲并引起高次谐波产生。由于高铬马氏体钢接头的热影响区在长期蠕变过程中会产生蠕变孔洞，且孔洞内外的密度差异很大。当超声波穿过蠕变孔洞时，即会在孔洞内外的界面处发生折射与散射，致使超声波的传播路径发生改变，并引起频域内二次谐波幅度的上升以及非线性参数的变化。由于超声波在材料内部传播路径的扭曲程度取决于蠕变时所形成的蠕变孔洞的数量与体积。因此通过利用非线性超声技术测量出材料的二次谐波幅度以及非线性超声参数，即可研究材料中所形成的缺陷，并对其蠕变损伤进行评估。在本发明中，通过研究不同蠕变损伤状态下、非线性超声参数与焊接接头蠕变孔洞的对应关系，拟合得到了以下的关系模型：其中，x为视场范围内蠕变孔洞的面积分数，β为材料的非线性参数，c1,t1,β0为常数。(3)非线性超声检测系统的搭建本发明提供一种高铬马氏体耐热钢接头蠕变孔洞损伤的非线性超声检测系统的搭建，该系统包含超声脉冲发生器、输出阻抗、衰减器、双工器、滤波器、超声换能器以及示波器。其中超声脉冲发生器用于激发高能射频(rf)脉冲群，要求超声脉冲发生器的输出电压不小于450v，输出功率不小于500w。在超声脉冲发生器的输出端口依次连接输出阻抗，衰减器、双工器、滤波器以及超声换能器(5mhz发射探头)。其中输出阻抗用于保证信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，衰减器则用于承受输出功率的衰减；双工器用于清除系统脉冲发射时所产生的噪声信号；滤波器则用于过滤其它频率分量，保证发射信号频率的纯净性。在超声脉冲发生器的接收端口连接超声换能器(10mhz)，以此来接收基本波信号和二次谐波信号。超声信号发射的模式采用纵波法(一发一收)，被测量的试样放置在发射探头与接收探头之间，测量前用超声耦合剂进行耦合。此外，在超声脉冲发生器的外置接口上连接一台示波器，用于观察接收信号在时域范围内的波形。(4)非线性超声检测工艺首先，在超声脉冲发生器上设定高能射频脉冲群的脉冲个数，脉冲延迟以及脉冲幅度，具体设定依据被检工件的材质及厚度。当超声脉冲发生器上的参数设定完后，即可对接头试样进行非线性超声评估。超声换能器(发射探头与接收探头)的频率分别可以采用2.5-5mhz与5-10mhz。由于蠕变孔洞和iv型裂纹最容易出现在高铬马氏体钢接头的热影响区(fghaz)，因此非线性超声的测量位置也设定在接头试样焊缝两侧的热影响区。当非线性超声测量完后，对时域内的信号进行傅立叶变换(fft)，得出接头试样的频谱。从频谱的结果中读出测量点的基波幅度(a1)以及二次谐波的幅度(a2)。根据(6)中非线性参数公式可以计算出接头试样热影响区的非线性超声参数。根据非线性参数的上升幅度，可以评估接头薄弱位置的蠕变损伤。本发明旨在评估高铬马氏体耐热钢接头在高温蠕变过程中的孔洞损伤，本发明中采用一种典型的耐热钢接头，即t92钢的焊接接头作为实施例。(1)为了使用非线性超声技术评估t92钢焊接接头在不同蠕变孔洞损伤程度下的反应，建立非线性参数与蠕变孔洞之间的定量关系。制备t92钢焊接接头在650℃/90mp下不同蠕变损伤程度试样，即分别在断裂寿命(tf)的20％，40％，60％，80％中止试验，得到几种不同蠕变损伤程度的试样(见图1)。(2)使用超声脉冲发生器激发高能射频(rf)脉冲群，对不同蠕变损伤程度的试样进行非线性超声评估。超声参数的设定取决于被检工件的厚度以及材质，对接收到的回波信号进行fft变换，使得接收到的时域信号转变成频域信号。由于热影响区是t92钢接头最容易出现蠕变孔洞的位置。因此，本实施例评估的位置为图2中的位置1和2，分别包含了两侧的热影响区。超声的发射模式设定为纵波穿透法(一发一收)，发射探头和接收探头分别采用超声直探头siui-5z6n和siui-10z6n。(3)分别对原始试样、0.2tf蠕变试样、0.4tf蠕变试样、0.6tf蠕变试样、0.8tf蠕变试样以及1.0tf蠕变试样(断裂试样)进行非线性超声评估。测量各个试样2个位置的初始波幅度a1与二次谐波的幅度a2，并根据步骤3.3中的公式计算出材料非线性参数，并记录于表1。其中，试样的断裂位置发生在位置1处(见图1)，因此关于断裂试样的非线性超声评估在其对称的位置2处进行。结果表明，t92钢焊接接头两侧热影响区的非线性参数都随着蠕变时间的增加而上升，且两侧的非线性参数相差很小，表明非线性超声技术用于探测接头蠕变损伤的稳定性较好。表1使用本发明专利测得的非线性超声数据结果(4)非线性参数测量完成后，对不同蠕变寿命分数的t92钢接头试样进行金相观察，统计热影响区的蠕变孔洞参数。由于焊接接头的对称性，本实施例统一观察接头试样右侧的热影响区(即对应非线性超声的测量位置点2)。在金相显微镜下拍摄不同蠕变寿命分数试样热影响区的孔洞照片(见图4)，再利用image-pro-plus(ipp)软件定量统计热影响区的孔洞面积分数，结果见表2。表2t92钢接头蠕变试样热影响区的孔洞面积分数测量位置2孔洞面积分数原始试样nf＝3.37×10-3～3.68×10-3％0.2tfnf＝9.36×10-3～9.91×10-3％0.4tfnf＝1.04×10-1～1.41×10-1％0.6tfnf＝2.74×10-1～3.13×10-1％0.8tfnf＝7.36×10-1～8.03×10-1％1.0tf(断裂试样)nf＝2.33～2.83％(5)选择这六根t92钢接头蠕变试样的孔洞面积分数，并设定为自变量，将对应测得的非线性参数设定为因变量，即可绘制出t92钢接头蠕变孔洞面积分数－非线性参数变化曲线(见图5)。通过代入公式可以拟合得到t92钢接头蠕变试样模型的系数c1＝-0.0014，t1＝0.5955，y0＝0.0027。此外，将蠕变寿命设定为自变量，将对应测得的非线性参数设定为因变量，还可以绘制出t92钢接头蠕变寿命分数－非线性参数变化曲线(见图6)，即达到使用非线性超声检测技术(一种非破坏性的无损检测方法)评估t92钢接头内部蠕变孔洞损伤的目的。本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。当前第1页12