P92鋼焊接接頭蠕變損傷的非線性超聲檢測研究

黃橋生 任德軍 章亞林 劉勝利

(1 國電科學技術研究院有限公司 武漢 430066)

(2 國電長源電力股份有限公司 武漢 430066)

0 引言

耐熱鐵素體、奧氏體和部分新材料已經在現有600°C 超超臨界機組中得到大規模的應用[1-2]，其中9%～12%Cr 馬氏體鋼所占比重越來越大。這些用于電站燃煤鍋爐的耐熱鋼材料長期在十分惡劣的環境介質中運行，材料微觀組織與機械性能發生劣化，機組頻繁起停，也加劇材質劣化，產生蠕變損傷，在運行中發展成裂紋，從而導致金屬部件的損傷失效[3]。

對于蠕變損傷，文獻[4—9]使用CDM 方法對焊件變形和失效進行了分析。Tu 等[10]使用本構方程模擬了服役材料的蠕變行為，研究了焊件損傷的發展，在此基礎上提出了基于損傷的設計準則。Becker 等[11]列出了大量的標準例子，包括單軸、雙軸和多軸應力狀態下的蠕變損傷。李兆霞[12]研究發現，T/P92 鋼接頭IV 型蠕變斷裂過程中，孔洞首先在內部產生，最后才擴展到管道外表面，因此，用現場覆膜金相方法檢測孔洞并不適用，需要開發新的檢測方法。

聲波是一種以波動形式傳播的機械振動。當聲波在固體介質中傳播時，波動方程僅在一定條件下才被近似認為是線性的，而當線性化的條件不能滿足時，波動方程則被認為是非線性的。當一列具有足夠強度的正弦波在固體介質中傳播時，超聲波會與固體介質發生非線性的相互作用并產生高頻諧波。通常把振動系統的最低固有頻率稱為基頻或基波，諧波是指頻率等于基頻整數(n)倍的正弦波。聲波在介質中傳播以及在發射和散射時，都具有非線性效應，導致產生諧波。因此基頻也稱一次諧波，頻率為基頻2倍的正弦波稱為二次諧波。

同時，這些諧波信號與介質的微觀組織結構密切相關，例如材料的位錯密度變化、位錯與析出相間的交互作用以及材料損傷過程中所形成的微孔洞和微裂紋等結構特征都會引起非線性效應以及諧波幅度的改變。因此，通過測量高頻諧波的幅值或是用來表征非線性效應大小的非線性參數，即可以在一定程度上反映介質內部微觀組織的變化狀況。在金屬的蠕變過程中，晶體的塑性滑動所形成的孔洞實質上是組織中細微的不連續現象。超聲檢測技術具有靈敏度高、穿透力強、指向性好、檢測速度較快、成本較低、設備相對簡單、對人體無害等一系列優點[13]。在非線性理論研究方面[14-15]，國內外研究者對非線性聲學所涉及的問題，如非線性彈性動力學及非線性波動方程進行了比較深入和系統的研究。王學等[16]研究發現，IV 型斷裂是接頭細晶粒HAZ 萌生蠕變孔洞、晶界蠕變孔洞長大、聚集最后形成微裂紋。目前國內外的研究者較多地運用非線性超聲技術表征金屬構件疲勞、塑性損傷、蠕變、高溫熱損傷等狀態。然而，對于采用非線性超聲技術表征和評價P92鋼焊接接頭部位蠕變損傷的研究報道還相對較少。由于P92鋼焊接接頭在高溫高壓下存在IV型開裂行為，導致焊接接頭的蠕變壽命顯著下降。因此開展P92鋼焊接接頭蠕變損傷的非線性超聲檢測研究，對保證我國超超臨界發電機組的安全可靠運行具有重要的理論意義和應用價值。

1 非線性超聲平臺的搭建

本文使用RAM-5000-SNAP 非線性檢測系統測量材料非線性二次諧波參數。非線性檢測系統包含脈沖發射器、匹配阻抗、衰減器、超聲換能器以及示波器。其中脈沖發射器用于激發高能射頻(Radio frequency,RF)脈沖群，同時要求加載在發射換能器上的輸出電壓不小于450 V，輸出功率不小于500 W。

試驗前，在高能射頻脈沖發射器的輸出端口依次連接一個50 Ω 的匹配阻抗、RA-6 大功率可調衰減器、兩個FDK5 雙工器(Stage 1 和Stage 2)以及超聲換能器(5 MHz 發射探頭)。其中，50 Ω 的匹配阻抗用于保證信號源內阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同。RA-6 型可調衰減器則用于承受輸出功率的衰減，同時可以檢驗諧波的發生是來源于聲學樣品而不是系統的射頻門放大器(對于聲學系統來說，1 dB 基頻波信號的衰減將導致2 dB 二次諧波信號的衰減，二次諧波的振幅與基頻波振幅的平方成正比)。FDK5 雙工器具有一個截止點功能，即截斷任何超過工作頻率5 MHz以外的頻率分量；同時，FDK5雙工器還可以對門控放大器所產生的諧波頻率進行衰減。在脈沖發射器的接收端口則連接PAS-0.1-40 型前置放大器以及超聲換能器(10 MHz接收探頭)，以此來接收基本波信號和二次諧波信號。非線性超聲系統的搭建及其模塊示意圖如圖1所示。

圖1 非線性超聲系統的搭建及其模塊示意圖Fig.1 The construction of nonlinear ultrasonic system and its module schematic diagram

超聲檢測采用縱波法，發射探頭與接收探頭的型號為SIUI，直徑為Φ=6 mm。測量前用超聲耦合劑對探頭接觸的試樣表面進行耦合，耦合劑的用量要適度。脈沖發射器的外置接口上連接一臺示波器，用于觀察接收信號在時域范圍內的波形(見圖2)，系統激發的射頻脈沖信號周期根據被測工件的厚度及材質進行設定。在試驗中統一將脈沖發射信號的周期設置為13，同時使用漢寧窗對一次底波信號進行調制。此外，當軟件系統對時域信號進行快速傅里葉變換(Fast Fourier transformation,FFT)之后，在系統中即可讀出基波以及二次諧波在頻域內的幅值。

采用加速試驗方法制作P92鋼焊接接頭(焊接接頭由焊縫(Weld metal,WM)、熱影響區(Heat affected zone,HAZ)和母材金屬(Base metal,BM)組成)蠕變損傷試樣，試驗采用的溫度為650°C，施加的應力為95 MPa。

為研究不同蠕變壽命P92鋼焊接接頭各區域材料微觀損傷與超聲非線性二次諧波之間的相互關系，分別對原始試樣、蠕變312 h(20% 蠕變壽命)、624 h(40% 蠕變壽命)、936 h(60% 蠕變壽命)、1248 h(80% 蠕變壽命)以及1560 h(蠕變斷裂)的P92 焊接接頭進行非線性超聲測量。焊接接頭非線性超聲評估的位置如圖3所示。每根試樣的測量部位涵蓋焊接接頭的所有區域(即母材、熱影響粗晶區、細晶區以及焊縫)，由于P92鋼焊接接頭為非均勻組織，非線性超聲試驗的測量位置一共包含5 個點，其中第1 點、第5 點為P92 鋼母材組織；第2 點、第4點為熱影響區組織；第3 點則為焊縫組織。同時結合金相試驗結果，研究非線性二次諧波參數變化與蠕變損傷之間的聯系。

圖2 非線性超聲裝置示意圖Fig.2 Diagram of nonlinear ultrasonic device

圖3 P92鋼焊接接頭非線性超聲測量位置Fig.3 Nonlinear ultrasonic measurement position of P92 steel welded joints

2 P92鋼焊接接頭的非線性超聲檢測

為了驗證測量的非線性是否來自于材料本身，對不同輸入電壓下基波和二次諧波的幅值進行了校驗[17]。圖4(a)為原始P92鋼焊接接頭試樣母材位置(測量點1)處的頻譜圖。圖中非線性超聲所測得的頻譜曲線同時包含5 MHz 以及10 MHz 的信號，它們分別對應著基波A1 以及二次諧波A2 頻率分量，然而與基波幅度相比較(A1≈4 V)，二次諧波A2 的幅值明顯較小且不在一個數量級上；圖4(b)為斷裂試樣(即蠕變1560 h)母材位置(測量點1)處的頻譜圖，可以發現，蠕變試驗后P92鋼母材組織的二次諧波A2幅值發生了波動與改變。黃橋生等[18]研究發現，采用傳統超聲無法進行蠕變損傷的評定，基波A1 無法評定蠕變損傷，因此本文主要開展非線性二次諧波(A2)波幅變化與蠕變損傷研究。

圖4 P92鋼焊接接頭母材組織非線性超聲測量頻譜圖Fig.4 Nonlinear ultrasonic measurement spectrum of P92 steel welded joint base material

3 超聲非線性信號與蠕變損傷研究

為了準確地研究蠕變試驗后P92鋼焊接接頭中傳播的超聲波二次諧波隨時間的變化，本文將所觀察的頻譜范圍聚焦在9.5 MHz～10.5 MHz，即單獨對二次諧波幅值的變化做觀察。

圖5、圖7、圖9為P92鋼焊接接頭各區域二次諧波幅值隨蠕變時間的變化示意圖。可以看出，隨著蠕變時間的延長，焊接接頭母材、熱影響區以及焊縫區域的二次諧波幅值(即10 MHz 信號)都呈上升趨勢。然而，各區域的A2值在焊接接頭蠕變壽命的40%以內增加都相對較小，而在之后的蠕變過程中增加明顯。從圖5 可以看出，與原始試樣相比較，蠕變1248 h 后接頭母材二次諧波值增加到2 倍左右，此時母材區域所產生的蠕變孔洞較少(見圖6)。從圖7 可以看出，與原始試樣熱影響區相比較，蠕變1248 h 后接頭熱影響區二次諧波已經增加超過了3倍以上，此時蠕變孔洞顯著增加，且孔洞尺寸變大(見圖8)。從圖9 可以看出，與原始試樣焊縫區相比較，蠕變1248 h 后接頭試樣焊縫區二次諧波增幅僅為40%，焊縫區域的晶粒尺寸較為粗大，然而焊縫區域的蠕變損傷程度較小，500 倍光學顯微鏡下并未發現有明顯的蠕變孔洞形成(見圖10)。

圖11為P92鋼焊接接頭蠕變試驗后的非線性二次諧波參數變化示意圖。總體來看，焊接接頭各區域的二次諧波隨著蠕變時間的延長而增加。在蠕變壽命的40%以內，熱影響區二次諧波的變化幅度較小，而在后續的蠕變過程中相對明顯。在到達蠕變破斷壽命后，熱影響區的二次諧波上升了3 倍左右，為P92鋼焊接接頭中的最大增長點；焊縫組織的二次諧波為接頭中的最大值，然而由于其初始值較高，因此在蠕變過程中，焊縫位置二次諧波的增幅最小；接頭母材區域的二次諧波在蠕變過程中也發生了明顯的增加，然而相比熱影響區來說，二次諧波在母材區域的增幅相對較小。

圖5 母材二次諧波變化Fig.5 Second harmonic change of BM

圖6 母材蠕變1248 h 顯微組織Fig.6 Microstructure of BM creep 1248 h

圖7 熱影響區二次諧波變化Fig.7 Second harmonic change of HAZ

圖8 熱影響區蠕變1248 h 顯微組織Fig.8 Microstructure of HAZ creep 1248 h

圖9 焊縫二次諧波變化Fig.9 Second harmonic change of WM

圖10 焊縫蠕變1248 h 顯微組織Fig.10 Microstructure of WM creep 1248 h

圖11 P92鋼焊接接頭各測量點在不同蠕變時間后非線性參數變化圖Fig.11 Nonlinear parameter of each part of the ASME P92 welded joints for different creep times

4 結論

在相同蠕變時間，P92鋼焊接接頭熱影響區蠕變孔洞的非線性二次諧波參數增長十分明顯，金相顯微組織中，該位置蠕變損傷程度最大。焊接接頭母材與焊縫區，非線性二次諧波增長幅度較熱影響區小，金相組織顯示蠕變損傷也無熱影響區嚴重。

綜上可知，蠕變孔洞的出現與長大是影響非線性參數變化的原因之一，P92鋼焊接接頭熱影響區超聲波二次諧波參數的變化與蠕變損傷之間存在很好的對應關系。