一种通过超声周向导波声速检测材料氢损伤的方法与流程

本发明涉及金属材料的无损探伤技术领域，具体涉及通过超声导波检测金属材料氢损伤的方法，特别是通过超声周向导波声速检测材料氢损伤的方法。

背景技术：

金属的氢损伤包括氢脆、氢鼓泡以及氢致开裂等情况，其中，氢脆是可以恢复的，而氢鼓泡和氢致开裂是永久性的，因此，在金属氢损伤的初期就能够评价氢损伤的程度具有非常重要的意义。目前，评价金属材料氢损伤程度的方法通常采用材料力学性能检测法，由于该方法属于破坏性的方法，无法采用此方法对在役设备进行检测。

现有在役设备检测材料氢损伤非破坏检验方法主要集中在超声波纵波声速vl和横波声速vs对于氢损伤程度的表征。理论研究表明：材料中的微观裂纹会影响整体弹性模量，从而降低纵波波速vl和横波波速vs，发生氢损伤的材料的纵波波速vl和横波波速vs比没有发生氢损伤的材料波速至少减少了各10％和7％，vl减少的百分比要大于vs减少的百分比。因此，氢损伤将增加vs/vl的值，分别测定vs、vl，计算其比值就可以衡量材料产生氢损伤程度。采用目前的超声纵波横波检测氢损伤的优点是可以对材料非破坏的情况下检验材料的氢损伤；其缺点是如果采用超声纵波横波体波去表征，需要知道材料的壁厚，而材料在使用过程中有时候会产生壁厚减薄的情况，无法建立对应关系；而如果采用纵横波比方法判定，只能判定材料严重氢损伤和未损伤，而对于材料的氢损伤初期则不能较好地判定。

公开号为：103245726b的中国专利介绍了一种通过超声表面波检测材料氢损伤的方法，其核心技术是建立了材料超声表面波波速与材料氢损伤的对应关系，通过测量材料的超声表面波波速，即可获得材料的氢损伤程度。其优点是建立了材料超声表面波波速与材料表面一定深度内平均氢浓度的对应关系，可对材料被检测表面的材料氢损伤程度进行检测判断；而超声表面波的能量随传播深度的增加而迅速减弱，其检测材料的深度一般是2倍超声波长；而石化系统加氢设备或临氢设备的压力容器或压力管道在工作中，一般设备内壁为氢接触面。因此，如果采用超声表面波检测材料的内壁氢损伤程度，则应在设备内壁去检测，这对于一些内径较小、不能进入或不能停机的设备就无法开展检测。

因此，有必要发明一种通过超声导波检测材料氢损伤的方法，可对内径较小、不能进入或不能停机的设备进行材料氢损伤的在线无损检测。

技术实现要素：

针对现有的通过超声表面波检测材料氢损伤的方法存在的缺点，本发明提供了一种通过超声周向导波声速检测材料氢损伤的方法。该方法具有方案简单，操作方便的优点，可实现对内径较小、不能进入或不能停机的化工炼油加氢、临氢设备进行材料氢损伤的在线无损检测。

本发明采用以下的技术方案：

一种通过超声周向导波声速检测材料氢损伤的方法，包括以下步骤：

步骤1：制作一组原始环形对比试块；

原始环形对比试块共有6块，6块原始环形对比试块尺寸相同，编号为s0～s5；

步骤2：对原始环形对比试块进行渗氢试验；

对编号为s5号原始环形对比试块进行高温高压渗氢试验，直至其刚产生氢鼓泡或氢致开裂，记录持续时间为h；

步骤3：制作周向氢损伤环形对比试块组；

在相同试验环境下，对编号为s1～s4的四块原始环形对比试块进行渗氢试验，其中，s1号原始环形对比试块的渗氢试验的试验时间为0.2h，s2号原始环形对比试块的渗氢试验的试验时间为0.4h，s3号原始环形对比试块的渗氢试验的试验时间为0.6h，s4号原始环形对比试块的渗氢试验的试验时间为0.8h；

将完成渗氢试验的s1～s5总共5块原始环形对比试块定义为周向氢损伤环形对比试块组，并重新编号为shh1～shh5号周向氢损伤环形对比试块；s0号原始环形对比试块为未进行渗氢试验的原始环形对比试块；

步骤4：搭设超声周向导波声速检测系统；

超声周向导波声速检测系统包括多通道超声导波检测仪和周向导波探头，所述周向导波探头包括探头主体，探头主体的底部设置有弧形楔块，探头主体和弧形楔块内通过隔声层分为左侧发射部分和右侧接收部分，左侧发射部分中倾斜的设置有发射压电晶片，右侧接收部分中倾斜的设置有接收压电晶片，发射压电晶片和接收压电晶片上均设置有阻尼块，所述探头主体的顶部设置有发射信号接口和接收信号接口，发射压电晶片与发射信号接口电连接，接收压电晶片与接收信号接口电连接，发射信号接口和接收信号接口均与多通道超声导波检测仪电连接；

步骤5：测试周向氢损伤环形对比试块组的周向导波声速；

利用超声周向导波声速检测系统依次测定超声周向导波在shh1～shh5号周向氢损伤环形对比试块中的声速，分别对应值为cd1、cd2、cd3、cd4、cd5；

测定超声周向导波在未进行渗氢试验的s0号原始环形对比试块中的声速，对应值为cd0；

步骤6：使用定氢仪测定shh1～shh5号周向氢损伤环形对比试块中氢的平均浓度含量，分别对应得出试块中的平均氢浓度为a、b、c、d、e；

步骤7：绘制周向导波声速－平均氢浓度参考曲线；

步骤8：对在役待检测的临氢设备氢损伤程度进行检测。

优选地，步骤1中，原始环形对比试块为未经投入使用的临氢设备材料制作而成，其材质、厚度与在役待检测的临氢设备一致。

优选地，步骤2中，渗氢试验环境根据在役待检测的临氢设备实际工作参数选取。

优选地，步骤3中，shh1～shh5号周向氢损伤环形对比试块对应1～5级在役临氢设备氢损伤级别。

优选地，所述发射压电晶片和接收压电晶片均设置在弧形楔块上。

优选地，所述探头主体是由吸声材料制成的。

优选地，步骤5中，周向氢损伤环形对比试块的周向导波声速的测试过程为：

将周向导波探头周向放置在shh1号周向氢损伤环形对比试块的表面上，启动多通道超声导波检测仪，超声导波由发射压电晶片发出，在shh1号周向氢损伤环形对比试块中以周向导波模态进行传播，经过探头本身，第一次进入接收压电晶片并导入多通道超声导波检测仪，将此之前的超声导波称之为探头始波，然后超声导波继续在shh1号周向氢损伤环形对比试块中传播，直到第二次进入接收压电晶片，超声导波两次进入接收压电晶片之间的时间即为导波在shh1号周向氢损伤环形对比试块中完成一整圈的传播时间t1，多通道超声导波检测仪能够测量传播时间t1，则有以下关系式：

cd1＝πd1/t1；(1)

式中，cd1为shh1号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速；

d1为shh1号周向氢损伤环形对比试块外径；

用同样的方法，测量出shh2号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速cd2，测量出shh3号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速cd3，测量出shh4号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速cd4，测量出shh5号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速cd5，测量出s0号原始环形对比试块中超声周向导波声速cd0。

优选地，s0号原始环形对比试块中的平均氢浓度为0。

优选地，步骤7中绘制周向导波声速－平均氢浓度参考曲线具体为：

利用步骤5获得的超声周向导波声速cd0、cd1、cd2、cd3、cd4、cd5，步骤6得到的平均氢浓度为a、b、c、d、e及0，绘制周向导波声速－平均氢浓度参考曲线，其中，曲线纵坐标为周向导波声速，横坐标为试块的平均氢浓度含量。

优选地，步骤8对在役待检测的临氢设备氢损伤程度进行检测具体包括：

将周向导波探头周向放置在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道上，启动多通道超声导波检测仪，超声导波由发射压电晶片发出，在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中以周向导波模态进行传播，经过探头本身，第一次进入接收压电晶片并导入多通道超声导波检测仪，将此之前的超声导波称之为探头始波，然后超声导波继续在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中传播，直到第二次进入接收压电晶片，超声导波两次进入接收压电晶片之间的时间即为导波在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中完成一整圈的传播时间τ，多通道超声导波检测仪能够测量传播时间τ，则有以下关系式：

cds＝πds/τ；

式中，cds为在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中超声周向导波声速；

ds为在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道的外径；

根据步骤7获得的周向导波声速－平均氢浓度参考曲线，能得出在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道的实际平均氢浓度。

本发明具有的有益效果是：

本发明借助开发的专用的周向导波探头及周向氢损伤环形对比试块组，制作材料的周向导波声速－平均氢浓度参考曲线，建立了周向导波声速变化与材料氢损伤程度的对应关系；利用制作的参考曲线对被检测的在役临氢设备氢损伤情况进行分级评定。

本发明开发专用的周向导波探头，采用一发一收压电晶片，发射晶片发射出的导波两次传入接收压电晶片；并选择弧形楔块，与被检测的临氢设备管子更好的耦合。

本发明开发的周向氢损伤环形对比试块组，可以通过调节对试块的渗氢时间实现调节损伤级别的范围，具有测试范围宽的优点。

采用检测材料超声波导波的方法可以在临氢设备外壁对材料的周向导波声速进行测量，实现对在役临氢设备的全厚度尺寸的氢损伤评价，包括设备内壁的氢损伤程度信息。通过找出周向导波声速变化与材料氢损伤程度对应关系，绘制材料周向导波声速－材料平均氢浓度参考曲线，进而对在役内径较小、不能进入或不能停机的化工炼油加氢、临氢设备氢损伤情况进行评价。检测过程成本低，无需辅助设备或者相关材料的破坏性评估，被测在役临氢设备无需停工，对在用化工炼油临氢设备的氢损伤监控具有非常积极的作用。

本发明得到的波幅参数直观明了，曲线制作简单，具有检测效率高的特点。

本发明使用的周向氢损伤环形对比试块组与在役临氢设备相同的规格及材质，可充分利用余料，节约资源，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为周向导波探头的示意图。

图2为通过超声周向导波声速检测材料氢损伤的示意图。

图3为周向导波声速－平均氢浓度参考曲线图。

1.发射信号接口；2.连接线；3.发射压电晶片；4.阻尼块；5.接收信号接口；6.接收压电晶片；7.隔声层；8.探头主体；9.弧形楔块；10.多通道超声导波检测仪；11.周向导波探头；12.电缆线；13.在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“周向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

超声波导波是一种由于介质边界存在而产生的机械波，可在有边界的介质内如容器、管道、平板、棒等传播，传播方向平行于介质的边界面。在管子介质中，超声导波以纵波、扭转波和弯曲波等多种波形存在。超声导波可以在整个介质边界内传播振动，能反映设备全厚度范围内声学特性。因此，临氢材料的氢损伤会影响材料整体弹性模量，从而影响材料的周向导波声速。

本发明基于超声导波技术，借助专用导波氢损伤检测装置，制作专用氢损伤检测分级评定对比试块组，在设备外壁对材料的周向导波声速进行测量，找出周向导波声速变化与材料氢损伤程度对应关系，绘制材料周向导波声速－材料平均氢浓度参考曲线，进而对在役内径较小、不能进入或不能停机的化工炼油加氢、临氢设备氢损伤情况进行评价。

结合图1至图3，一种通过超声周向导波声速检测材料氢损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制作一组原始环形对比试块；

原始环形对比试块共有6块，6块原始环形对比试块尺寸相同，编号为s0～s5。

原始环形对比试块为未经投入使用的临氢设备材料制作而成，其材质、厚度与在役待检测的临氢设备一致。

步骤2：对原始环形对比试块进行渗氢试验；

对编号为s5号原始环形对比试块进行高温高压渗氢试验，直至其刚产生氢鼓泡或氢致开裂，记录持续时间为h。

渗氢试验环境根据在役待检测的临氢设备实际工作参数选取。

步骤3：制作周向氢损伤环形对比试块组；

在相同试验环境下，对编号为s1～s4的四块原始环形对比试块进行渗氢试验，其中，s1号原始环形对比试块的渗氢试验的试验时间为0.2h，s2号原始环形对比试块的渗氢试验的试验时间为0.4h，s3号原始环形对比试块的渗氢试验的试验时间为0.6h，s4号原始环形对比试块的渗氢试验的试验时间为0.8h；

将完成渗氢试验的s1～s5总共5块原始环形对比试块定义为周向氢损伤环形对比试块组，并重新编号为shh1～shh5号周向氢损伤环形对比试块。

s0号原始环形对比试块为未进行渗氢试验的原始环形对比试块。

shh1～shh5号周向氢损伤环形对比试块对应1～5级在役临氢设备氢损伤级别。

步骤4：搭设超声周向导波声速检测系统；

超声周向导波声速检测系统包括多通道超声导波检测仪10和周向导波探头11。

周向导波探头包括探头主体8，探头主体是由吸声材料制成的。

探头主体的底部设置有弧形楔块9，探头主体和弧形楔块内通过隔声层7分为左侧发射部分和右侧接收部分，左侧发射部分中倾斜的设置有发射压电晶片3，右侧接收部分中倾斜的设置有接收压电晶片6，发射压电晶片和接收压电晶片均设置在弧形楔块上。

发射压电晶片和接收压电晶片上均设置有阻尼块4。

探头主体的顶部设置有发射信号接口1和接收信号接口5。

发射压电晶片通过连接线2与发射信号接口电连接，接收压电晶片通过连接线与接收信号接口电连接。

发射信号接口和接收信号接口均通过电缆线12与多通道超声导波检测仪电连接。

发射压电晶片3和接收压电晶片6倾斜设置是为了主声束能够更好的传播和接收。

发射压电晶片发出的主声束经反射后能够在接收压电晶片的中间处聚焦。

超声周向导波声速检测系统选择一发一收工作模式，并对检测系统进行频散特性分析、频率选择等参数的设置。

步骤5：测试周向氢损伤环形对比试块组的周向导波声速；

利用超声周向导波声速检测系统依次测定超声周向导波在shh1～shh5号周向氢损伤环形对比试块中的声速，分别对应值为cd1、cd2、cd3、cd4、cd5；

测定超声周向导波在未进行渗氢试验的s0号原始环形对比试块中的声速，对应值为cd0。

周向氢损伤环形对比试块的周向导波声速的测试过程为：

将周向导波探头周向放置在shh1号周向氢损伤环形对比试块的表面上，在二者之间涂抹耦合剂。在多通道超声导波检测仪的激励下，发射压电晶片在周向氢损伤环形对比试块表面上发射信号，接收压电晶片接收信号，并将接收信号回传到多通道超声导波检测仪内，超声导波波型由液晶面板显示出来。

启动多通道超声导波检测仪，超声导波由发射压电晶片发出，在shh1号周向氢损伤环形对比试块中以周向导波模态进行传播，经过探头本身，第一次进入接收压电晶片并导入多通道超声导波检测仪，将此之前的超声导波称之为探头始波，然后超声导波继续在shh1号周向氢损伤环形对比试块中传播，直到第二次进入接收压电晶片，超声导波两次进入接收压电晶片之间的时间即为导波在shh1号周向氢损伤环形对比试块中完成一整圈的传播时间t1，多通道超声导波检测仪能够测量传播时间t1，则有以下关系式：

cd1＝πd1/t1；(1)

式中，cd1为shh1号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速；

d1为shh1号周向氢损伤环形对比试块外径；

用同样的方法，测量出shh2号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速cd2，测量出shh3号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速cd3，测量出shh4号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速cd4，测量出shh5号周向氢损伤环形对比试块中超声周向导波声速cd5，测量出s0号原始环形对比试块中超声周向导波声速cd0。

步骤6：使用定氢仪测定shh1～shh5号周向氢损伤环形对比试块中氢的平均浓度含量，分别对应得出试块中的平均氢浓度为a、b、c、d、e；

s0号原始环形对比试块中的平均氢浓度为0。

步骤7：绘制周向导波声速－平均氢浓度参考曲线；

具体为：

利用步骤5获得的超声周向导波声速cd0、cd1、cd2、cd3、cd4、cd5，步骤6得到的平均氢浓度为a、b、c、d、e及0，绘制周向导波声速－平均氢浓度参考曲线，其中，曲线纵坐标为周向导波声速，横坐标为试块的平均氢浓度含量。

步骤8：对在役待检测的临氢设备氢损伤程度进行检测。

具体包括：

将周向导波探头周向放置在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道13上，启动多通道超声导波检测仪，超声导波由发射压电晶片发出，在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中以周向导波模态进行传播，经过探头本身，第一次进入接收压电晶片并导入多通道超声导波检测仪，将此之前的超声导波称之为探头始波，然后超声导波继续在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中传播，直到第二次进入接收压电晶片，超声导波两次进入接收压电晶片之间的时间即为导波在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中完成一整圈的传播时间τ，多通道超声导波检测仪能够测量传播时间τ，则有以下关系式：

cds＝πds/τ；

式中，cds为在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中超声周向导波声速；

ds为在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道的外径；

由cds值可获得在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道的氢损伤级别，根据步骤7获得的周向导波声速－平均氢浓度参考曲线，能得出在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道的实际平均氢浓度。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。