一种通过超声轴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，特别是通过超声轴向导波声速的变化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轴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：

一种通过超声轴向导波声速检测材料氢损伤的方法，包括以下步骤：

步骤1：制作一组原始对比试块；

原始对比试块共有6块，6块原始对比试块尺寸相同，编号为s0～s5；

步骤2：对原始对比试块进行渗氢试验；

对编号为s5号原始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：制作轴向氢损伤对比试块组；

在相同试验环境下，对编号为s1～s4的四块原始对比试块进行渗氢试验，其中，s1号原始对比试块的渗氢试验的试验时间为0.2h，s2号原始对比试块的渗氢试验的试验时间为0.4h，s3号原始对比试块的渗氢试验的试验时间为0.6h，s4号原始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块原始对比试块定义为轴向氢损伤对比试块组，并重新编号为sh1～sh5号轴向氢损伤对比试块；s0号原始对比试块为未进行渗氢试验的原始对比试块；

步骤4：搭设超声轴向导波声速检测系统；

超声轴向导波声速检测系统包括多通道超声导波检测仪和超声波导波探头，所述超声波导波探头包括发射导波探头一个，接收导波探头一个，发射导波探头和接收导波探头均连接到多通道超声导波检测仪上；

步骤5：测试轴向氢损伤对比试块组的轴向导波声速；

利用超声轴向导波声速检测系统依次测定超声轴向导波在sh1～sh5号轴向氢损伤对比试块中的声速，分别对应值为vd1、vd2、vd3、vd4、vd5；

测定超声轴向导波在未进行渗氢试验的s0号原始对比试块中的声速，对应值为vd0

步骤6：使用定氢仪测定sh1～sh5号轴向氢损伤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：绘制轴向导波声速－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，sh1～sh5号轴向氢损伤对比试块对应1～5级在役临氢设备氢损伤级别。

优选地，步骤4中，所述发射导波探头和接收导波探头固定设置在刚性探头支架上，且发射导波探头和接收导波探头间的固定距离为l。

优选地，步骤4中，发射导波探头通过信号线连接在多通道超声导波检测仪的发射信号接口上，接收导波探头通过信号线连接在多通道超声导波检测仪的接收信号接口上。

优选地，步骤5中，轴向氢损伤对比试块的轴向导波声速的测试过程为：

将发射导波探头设置在sh1号轴向氢损伤对比试块的表面的一端进行信号发射，将接收导波探头设置在sh1号轴向氢损伤对比试块的表面的另一端进行信号接收，发射导波探头和接收导波探头的间距为l，启动多通道超声导波检测仪，超声导波由发射导波探头发出，在sh1号轴向氢损伤对比试块中轴向导波模态进行传播，然后由接收导波探头接收并导入多通道超声导波检测仪内，由多通道超声导波检测仪的液晶面板显示出来；通过多通道超声导波检测仪测得超声导波在sh1号轴向氢损伤对比试块中的传播时间为t1，则有以下关系式：

vd1＝l/t1；(1)

式中，vd1为sh1号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速；

用同样的方法，测量出sh2号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速vd2，测量出sh3号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速vd3，测量出sh4号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速vd4，测量出sh5号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速vd5，测量出s0号原始对比试块中超声轴向导波声速vd0。

优选地，s0号原始对比试块中的平均氢浓度为0。

优选地，步骤7中绘制轴向导波声速－平均氢浓度参考曲线具体为：

利用步骤5获得的超声轴向导波声速vd0、vd1、vd2、vd3、vd4、vd5，步骤6得到的平均氢浓度为a、b、c、d、e及0，绘制轴向导波声速－平均氢浓度参考曲线，其中，曲线纵坐标为轴向导波声速，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：

将发射导波探头、接收导波探头依次轴向布置在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道上，所述发射导波探头和接收导波探头且各相距l，启动多通道超声导波检测仪，超声导波由发射导波探头发出，在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中轴向导波模态进行传播，然后由接收导波探头接收并导入多通道超声导波检测仪内，由多通道超声导波检测仪的液晶面板显示出来；通过多通道超声导波检测仪测得超声导波在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中的实际传播时间τ，则有以下关系式：

vds＝l/τ；

式中，vds为在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中超声轴向导波声速；

根据步骤7获得的轴向导波声速－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：

本发明借助开发的轴向氢损伤对比试块组，制作材料的轴向导波声速－平均氢浓度参考曲线，建立了轴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。

本发明开发的轴向氢损伤对比试块组，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。

本发明搭设的检测系统设备轻巧，仪器操作灵活，探头与刚性探头支架安装或拆卸方便。

本方法可以在临氢设备外壁对材料的轴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。通过找出轴向导波声速变化与材料氢损伤程度对应关系，绘制材料轴向导波声速－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。

本发明使用的轴向氢损伤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为通过超声轴向导波声速检测材料氢损伤的示意图。

图2为轴向导波声速－平均氢浓度参考曲线图。

1.在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道；2.刚性探头支架；3.发射导波探头；4.接收导波探头；5.信号线；6.发射信号接口；7.接收信号接口；8.多通道超声导波检测仪。

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”、“轴向”、“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，从而影响材料的轴向导波声速。

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轴向导波声速进行测量，找出轴向导波声速变化与材料氢损伤程度对应关系，绘制材料轴向导波声速－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和图2，一种通过超声轴向导波声速检测材料氢损伤的方法，包括以下步骤：

步骤1：制作一组原始对比试块；

原始对比试块共有6块，6块原始对比试块尺寸相同，编号为s0～s5。

原始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。

一个实施例中，原始对比试块宽度w至少大于超声波导波探头的宽度，取3倍探头宽度，一般取30mm；原始对比试块长度一般取350mm。

步骤2：对原始对比试块进行渗氢试验；

对编号为s5号原始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：制作轴向氢损伤对比试块组；

在相同试验环境下，对编号为s1～s4的四块原始对比试块进行渗氢试验，其中，s1号原始对比试块的渗氢试验的试验时间为0.2h，s2号原始对比试块的渗氢试验的试验时间为0.4h，s3号原始对比试块的渗氢试验的试验时间为0.6h，s4号原始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块原始对比试块定义为轴向氢损伤对比试块组，并重新编号为sh1～sh5号轴向氢损伤对比试块。

sh1～sh5号轴向氢损伤对比试块对应1～5级在役临氢设备氢损伤级别。

s0号原始对比试块为未进行渗氢试验的原始对比试块。

步骤4：搭设超声轴向导波声速检测系统；

超声轴向导波声速检测系统包括多通道超声导波检测仪8和超声波导波探头，所述超声波导波探头包括发射导波探头3一个，接收导波探头4一个，发射导波探头和接收导波探头均连接到多通道超声导波检测仪上。选择一发一收工作模式，对检测系统进行频散特性分析、频率选择等参数的设置。

具体的，发射导波探头3通过信号线连接5在多通道超声导波检测仪的发射信号接口6上，接收导波探头4通过信号线连接在多通道超声导波检测仪的接收信号接口7上。

可将发射导波探头和接收导波探头固定设置在刚性探头支架2上，且发射导波探头和接收导波探头间的固定距离为l(l一般取300mm)。

步骤5：测试轴向氢损伤对比试块组的轴向导波声速；

利用超声轴向导波声速检测系统依次测定超声轴向导波在sh1～sh5号轴向氢损伤对比试块中的声速，分别对应值为vd1、vd2、vd3、vd4、vd5；

测定超声轴向导波在未进行渗氢试验的s0号原始对比试块中的声速，对应值为vd0。

轴向氢损伤对比试块的轴向导波声速的测试过程为：

将发射导波探头设置在sh1号轴向氢损伤对比试块的表面的一端进行信号发射，将接收导波探头设置在sh1号轴向氢损伤对比试块的表面的另一端进行信号接收，发射导波探头和接收导波探头的间距为l，在探头和对比试块之间涂抹耦合剂，启动多通道超声导波检测仪，超声导波由发射导波探头发出，在sh1号轴向氢损伤对比试块中轴向导波模态进行传播，然后由接收导波探头接收并导入多通道超声导波检测仪内，由多通道超声导波检测仪的液晶面板显示出来；通过多通道超声导波检测仪测得超声导波在sh1号轴向氢损伤对比试块中的传播时间为t1，则有以下关系式：

vd1＝l/t1；(1)

式中，vd1为sh1号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速；

用同样的方法，测量出sh2号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速vd2，测量出sh3号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速vd3，测量出sh4号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速vd4，测量出sh5号轴向氢损伤对比试块中超声轴向导波声速vd5，测量出s0号原始对比试块中超声轴向导波声速vd0。

步骤6：使用定氢仪测定sh1～sh5号轴向氢损伤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(单位：ppm)；

s0号原始对比试块中的平均氢浓度为0。

步骤7：绘制轴向导波声速－平均氢浓度参考曲线；

利用步骤5获得的超声轴向导波声速vd0、vd1、vd2、vd3、vd4、vd5，步骤6得到的平均氢浓度为a、b、c、d、e及0，绘制轴向导波声速－平均氢浓度参考曲线，其中，曲线纵坐标为轴向导波声速，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：

将发射导波探头、接收导波探头依次轴向布置在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道1上，所述发射导波探头和接收导波探头且各相距l，启动多通道超声导波检测仪，超声导波由发射导波探头发出，在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中轴向导波模态进行传播，然后由接收导波探头接收并导入多通道超声导波检测仪内，由多通道超声导波检测仪的液晶面板显示出来；通过多通道超声导波检测仪测得超声导波在在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中的实际传播时间τ，则有以下关系式：

vds＝l/τ；

式中，vds为在役待检测的临氢设备的压力容器或压力管道中超声轴向导波声速；

由vds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获得的轴向导波声速－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。