The eddy current test of thermal aging of SUPER304/T92 dissimilar steel welded parts
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摘要:
异种钢焊接接头是超（超）临界发电机组管道的薄弱环节,在高温高压作用下易出现力学性能退化甚至失效现象。涡流检测是金属材料检测的一种重要方法,采用涡流法对SUPER304/T92异种钢焊接件的热老化进行检测。首先,研制涡流传感器并搭建了涡流扫查试验平台；其次,开展涡流扫频试验,分析不同激励频率对焊接试件涡流检测能力的影响,优选三种励磁频率下的涡流检测信号,并结合试件的金相显微组织进行分析；最后,研究SUPER304、焊缝和T92三种不同区域的涡流信号随热老化时间的变化关系,并与试件表面硬度进行相关性分析。试验结果为异种钢焊接件的热老化评估提供了一种有效的无损检测方法。
Abstract:The dissimilar steel welded joint in the ultra-critical generator set pipeline is considered as a weak link, susceptible to mechanical property degradation or even failure under high temperature and pressure conditions. Eddy current testing (ECT) is an important method for evaluating metal material properties. In this study, ECT was employed to detect thermal aging in SUPER304/T92 dissimilar steel welded parts. Firstly, an eddy current sensor was developed and an experimental platform for eddy current scanning was constructed. Secondly, a frequency sweep experiment was conducted to analyze the influence of different excitation frequencies on the eddy current detection capability of the welded specimens. Eddy current detection signals were selected from three excitation frequencies and analyzed in conjunction with the metallographic microstructure of the specimens. Finally, the relationship between eddy current signals in three different areas (SUPER304, weld and T92) and thermal aging time was explored while correlating it with surface hardness measurements of the specimen. The research results provided an effective nondestructive testing method for evaluating thermal aging in dissimilar steel welds.
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超（超）临界机组在不同的区域管道中蒸汽参数不同,所需材料的导热性、高温蠕变断裂强度等要求也不同,因此存在大量的SUPER304/T92异种钢管焊接接口[1]。SUPER304钢、T92钢主要材料成分分别是奥氏体和马氏体,其热膨胀系数、化学成分及力学性能等有较大区别。异种钢焊接接头是管道薄弱环节,在高温高压的长期作用下易出现高温蠕变、高温疲劳等力学性能退化甚至失效的现象[2-4],导致受热面管道早期开裂[5],从而威胁机组的安全运行。因此,异种钢焊接接头的热老化检测成为超（超）临界机组研究中的一个重点问题,发展快速、有效的异种钢焊接接头热老化检测方法具有重要意义[6]。
异种钢焊接接头热老化的无损检测方法主要有超声导波法、X射线法和电磁检测法。超声导波法具有灵敏度高、检测深度大的特点,常用于钢件焊缝内部的缺陷检测,但受限于超声波的传播特性,较难反映出材料的热老化程度。X射线法常被用于钢件微观结构检测中,有较高的检测精度,但检测成本高、检测效率低,而且对检测试件的表面形态要求较为严格。
涡流检测技术是一种金属材料电磁无损检测方法,常用于材料中缺陷、微观组织及材料性能（热老化、硬度等）的评估[7-8]。例如,XIE等[9]探讨了激励频率、涡流密度与其穿透深度的关系,优选激励频率对Q235钢焊缝区进行了缺陷检测,通过对比X射线法的结果验证了涡流检测焊缝缺陷的可靠性。RAJKUMAR等[10]将M250马氏体钢试件进行热老化处理,并使用涡流法对其进行检测,发现随热老化时间的增加,涡流的感应电压与相位均呈现出下降的趋势。何存富团队[11]通过热老化的处理方法制备了一批不同硬度的45号钢和S316钢,对钢件进行涡流检测,将得到的阻抗幅值与试件硬度进行回归分析,发现两种钢的阻抗幅值均与硬度呈现出良好的对应关系。
因此,涡流法可对焊接或热老化钢件的力学性能进行快速、有效地无损检测。为了研究涡流信号对SUPER304/T92异种钢焊接接头的热老化表现能力,文章对同批次5个SUPER304/T92异种钢焊接试件进行了不同时间的热老化处理,然后,对热老化试件进行了涡流扫频试验,确定焊接接口处不同区域的最佳激励频率,提取不同区域优选频率下的涡流阻抗幅值,并结合金相显微组织对焊接接口处的涡流信号变化进行分析,最后,分析了不同热老化时间SUPER304、焊缝和T92区域涡流信号的变化规律,并与硬度的变化规律进行了相关性分析。
1. 涡流检测技术原理
涡流检测技术是以法拉第电磁感应为基础的无损检测技术。金属材料置于交变磁场中时会产生涡流场,而涡流场的分布与材料的电磁特性密切相关[13]。当被测物体的微观组织改变时,会引起电导率及磁导率的变化,进而影响涡流空间分布密度[14]。将涡流检测线圈置于被测材料表面,材料特征对涡流的扰动作用会通过线圈的阻抗Z表现出来。因此,可以通过拾取涡流阻抗信号来反映被测试件的材料特征。
影响线圈阻抗Z的因素有多种,被测试件的电导率ρ与磁导率μ、涡流激励频率f、传感器提离距离d以及检测试件厚度x等均会对涡流阻抗产生影响,可用式（1）表示
(1) 2. 涡流检测试验系统与试件制备
2.1 涡流检测试验系统
为实现SUPER304/T92异种钢焊接接口不同区域位置的涡流检测,集成了一套涡流检测试验系统（见图1）,该系统主要包括涡流传感器、被测试件、上位机、运动控制平台及TiePie-HS3集成板卡5部分。其中,传感器由两个相同的空心线圈上、下同轴放置,上置线圈为激励线圈,下置线圈为检测线圈。线圈由线径为0.09 mm的漆包铜线缠绕而成,线圈内径尺寸为2 mm、外径尺寸为4 mm,每个线圈高度为6 mm,匝数约为500匝。线圈内垂直放置锰锌铁氧体磁芯以提高涡流检测的灵敏度。
TiePie-HS3集成板卡由可编程信号发生器和双通道采集卡组成。在涡流检测系统中,其激励信号端发出高频正弦信号的同时接入CH1接收通道,接收线圈采集到的涡流信号则接入CH2通道。对采集到的涡流信号进行傅里叶变换提取激励频率对应的涡流幅值,并采用涡流幅值比作为涡流信号的特征参量,其含义为激励频率下采集信号Ui与激励信号Uo的幅值之比。在试验过程中,由运动控制平台搭载传感器按照预定路径在试件表面进行自动化扫查,并由MATLAB内嵌的LabVIEW程序实现运动控制平台的移动及信号的激励、接收与处理。
2.2 异种钢焊接试件制备
选取5个初始状态相同的SUPER304/T92异种钢焊接标准拉伸试件作为检测试件（见图2）,每个试件均由SUPER304和 T92两种材料焊接制成,因此试件可分为3个区域：SUPER304区、焊缝过渡区和T92区。将5个试件置于650 ℃的高温炉中进行应力加卸载试验,其应力随时间在40~60 MPa交替变化,具体步骤为：① 在40 MPa单轴拉应力加载下保持0.5 h；② 以0.1 kN/min的速度升高拉应力至60 MPa,保持0.5 h；③ 以0.1 kN/min的速度降低应力至40 MPa,保持0.5 h；④ 重复步骤①~③。
通过循环上述操作控制不同试件热老化处理的时间,各试件热老化处理时间如表1所示。
Table 1. SUPER304/T92异种钢焊接件的热老化处理时间项目 试件 1# 2# 3# 4# 5# 热老化时间/h 1 587 1 991 3 029 4 352 5 030 3. 结果与分析
3.1 焊接接头热老化的涡流检测信号
涡流信号对不同材料的检测效果受激励频率的影响[15],为得到异种钢试件的最优激励频率,首先对试件进行扫频测试,按照图2所示扫描路径对试件进行线扫描：以焊缝中心点O为基准,向x轴正负两方向对称取点进行涡流检测；在距O点10~20 mm位置范围内每间隔5 mm取点检测,在距O点0~10 mm位置范围内每间隔0.5 mm取点检测,检测路径共40 mm。采集多激励频率下的涡流信号,并根据测试结果选择最优激励信号。涡流扫描激励频率为200~700 kHz,扫频步长为5 kHz,激励幅值为5 V。
热老化时间为1 587 h的试件1#的涡流扫频云图如图3所示,可知,涡流幅值比在350~430 kHz范围内（黄色亮带处）存在最大值,分析每个扫频位置,发现涡流幅值比特征参量随激励频率增加均呈现先上升后下降的趋势。其余热老化试件的扫频结果与图3类似,此处不再赘述。此外,图中3个不同区域的涡流敏感频率不同,故提取每个检测位置的涡流幅值比参量最大值处对应的频率,绘制不同试件的最佳频率随扫描位置的变化曲线,如图4所示,可见,SUPER304母材区、焊缝过渡区和T92母材区的最佳敏感频率不同。进一步计算5种试件变化曲线的平均值,如图4中虚线所示,发现在距离焊缝中心位置−20~20 mm区间,3种区域的最佳敏感频率呈现过渡性变化趋势,3个不同区域对应的最佳敏感频率分别为415,385,365 kHz。
415,385,365 kHz激励频率下,不同热老化试件的涡流幅值比特征参量随检测位置的关系曲线如图5所示,可见,随着检测位置变化,3种激励频率在不同热老化试件上的涡流检测信号趋势不同,但均能有效识别出SUPER304区、焊缝过渡区和T92区。当激励频率为415 kHz时,SUPER304区的涡流幅值大于T92区的,焊缝过渡区的呈现递减的变化趋势。当激励频率降低至365 kHz时,不同热老化试件的涡流幅值比参量随检测位置的变化趋势与激励频率为415 kHz时的相反。当激励频率为385 kHz时,焊缝过渡区中心位置的涡流幅值比参量存在最大值,并逐渐沿两个母材区位置递减,整体上看,SUPER304区的涡流幅值比参量略低于T92母材区的。此外,涡流参量随位置变化曲线的中心存在一定的右向偏移,这可能是焊缝区母材与焊材融合过程中SUPER304和T92扩散程度不一致引起的,母材之间的差异导致热影响区不一致也会对涡流检测结果产生影响。利用金相显微镜对试件进行显微组织成像检测,分析焊接接口不同区域的涡流幅值比特征参量与试件微观组织结构的关系。SUPER304/T92焊接试件热老化保持时间为1 587 h时焊接接口不同区域的金相组织图像如图6所示,可以看出,SUPER304区域为均匀的奥氏体等轴晶,焊缝区域为粗大的铁素体柱状晶和少量球状珠光体,T92母材区域的微观组织则为回火马氏体,且保持了板条马氏体的形态特征。马氏体的磁导率远大于奥氏体的,且不同热老化时间下的微观组织和组分体积分数不同,导致材料的磁导率或者电导率不同,不同金相组织区域的涡流检测信号也随之改变。
3.2 接头热老化硬度与涡流信号的相关性分析
基于上述分析,热老化试件的微观结构主要由奥氏体、铁素体混合物和马氏体构成,其中马氏体的硬度较大,奥氏体的硬度较小。为研究异种钢焊接接头热老化试件的硬度与涡流信号的关系,利用维氏硬度计在室温下对焊接接头进行硬度测试,力加载载荷为10 N,加载时间为10 s,在焊接中心各选取11个检测位置,每个位置重复测量3次,计算3次测量结果的平均值与焊缝位置的变化曲线,结果如图7所示。
分析可知,SUPER304母材区的硬度最小,靠近T92侧热影响区的硬度最大。沿着焊缝中心靠近两侧母材时,焊接接头的硬度呈现先增大后减小再趋于稳定的趋势。总体来看,随着热老化处理时间的增加,SUPER304区和T92区均存在软化的趋势。焊缝区域的硬度基本保持稳定。
分别提取SUPER304母材区、焊缝区、T92母材区3个区域的涡流幅值比特征参量与硬度值,绘制其与热老化时间的变化曲线,结果如图8所示。在激励频率为385 kHz时,随热老化时间的增加,3个区域的涡流幅值比均呈现下降趋势。SUPER304区的硬度分布与涡流幅值比的变化趋势基本一致,焊缝区的硬度与涡流幅值比的变化趋势恰好相反,T92区域的硬度值随热老化时间呈波动下降趋势。当激励频率为415 kHz或365 kHz时,其涡流幅值比与硬度随热老化时间变化的分析结果与上述相似。
为定量表示涡流幅值比与硬度的关系,使用Spearman秩相关系数分析涡流幅值比与硬度之间随热老化时间变化的相关程度ρ,其计算公式为
(2) 式中：n为变量总个数；di表示第i个数据的位次值之差。
在不同激励频率下,每个区域涡流幅值比与硬度的Spearman秩相关系数ρ的绝对值如图9所示。由图9可以发现,同一激励频率下,不同区域涡流幅值比与硬度的Spearman秩相关系数具有不同的相关性。不同激励频率对不同区域的检测效果不同,其中,在相同试件内,SUPER304区具有最大的Spearman秩相关系数,达到0.99；焊缝区的秩相关系数最高为0.90；在T92区,涡流幅值比对硬度的检测能力稍弱,秩相关系数最高为0.7。
4. 结论
采用涡流检测方法对不同热老化时间的SUPER304/T92异种钢焊接接口进行了试验研究,主要得出以下结论。
（1） SUPER304、焊缝及T92区有不同的敏感频率,分别为415,385,365 kHz,3种频率均可分辨出试件的3种区域,但对异种钢焊接接口的涡流幅值比的呈现效果并不相同。在415 kHz频率下,SUPER304区的涡流幅值比参量大于T92区的,焊缝过渡区沿扫描路径呈现下降的趋势；365 kHz激励频率下的结果与415 kHz下的结果相反；在385 kHz激励频率下,涡流幅值比参量从焊缝中心向两母体区逐渐下降。
（2） 由于SUPER304、焊缝及T92区分别由奥氏体、铁素体及珠光体混合物、马氏体组成,各区域材料对应的电磁特性不同,因此涡流幅值比参量也不同。
（3） SUPER304、焊缝及T92区的涡流幅值比均随着热老化时间的增加而减小。采用Spearman秩相关系数对涡流和硬度的相关性进行定量分析,发现SUPER304区及焊缝区的涡流与硬度具有良好的相关性（| ρ|≥0.90）,T92区的涡流与硬度之间的相关性则较弱（|ρ|=0.70）。
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