P91鋼無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

歐陽(yáng)雨豐,沈功田,宋 凱,崔西明,沈永娜

(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063;2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院,北京 100029;3.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)),北京 100029)

近年來(lái),我國(guó)電力發(fā)展迅速,超(超)臨界機(jī)組成為各發(fā)電企業(yè)的主力機(jī)型。超(超)臨界火電機(jī)組技術(shù)是一種新型的發(fā)電技術(shù),其在常規(guī)火電機(jī)組基礎(chǔ)上通過(guò)加壓或者提高溫度的方法來(lái)提高熱效率[1-3]。P91鋼是美國(guó)20世紀(jì)70年代末開(kāi)發(fā)的一種改良9Cr1Mo馬氏體耐熱鋼,其在9Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上,通過(guò)降低含碳量,限制P、S等有害元素,并添加一定量的N以及強(qiáng)碳化物元素(V和Nb)以達(dá)到固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒的效果[4-6]。自1996年起,國(guó)產(chǎn)600 MW及以上超臨界機(jī)組開(kāi)始把P91鋼作為主蒸汽管道以及高溫再熱管道的主要材料[7-8]。隨著1 000 MW的超臨界及超超臨界參數(shù)機(jī)組投入建設(shè),對(duì)材料耐高溫高壓的性能要求越來(lái)越高,P91鋼作為一種高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼,以其優(yōu)秀的沖擊韌性、抗高溫氧化性能、導(dǎo)熱性能、持久強(qiáng)度而被廣泛應(yīng)用[9-11]。

(1) 主蒸汽溫度從538 ℃至566 ℃過(guò)渡的首要材料

538 ℃和566 ℃鍋爐出口溫度可達(dá)541 ℃和571 ℃,同時(shí)再熱器和過(guò)熱器的管道和出口集箱的壁溫均低于593 ℃。而P91鋼的最高使用界限溫度為625 ℃,故P91鋼是適用于566 ℃主蒸汽溫度鍋爐的首要材料。

(2) 蒸汽溫度從566 ℃至593 ℃過(guò)渡的關(guān)鍵材料

主蒸汽溫度達(dá)到593 ℃的發(fā)電機(jī)組是世界各國(guó)發(fā)展超(超)臨界機(jī)組的第一步,也是我國(guó)電力能源行業(yè)發(fā)展超臨界機(jī)組的合適參數(shù)[12]。目前除了P91耐熱鋼外,還有P92/T92(NF616)等材料適用于超臨界機(jī)組服役環(huán)境。T92/P92是在T91/P91材料基礎(chǔ)上通過(guò)增加W元素減少M(fèi)o元素所得的9Cr系鋼,因此加強(qiáng)對(duì)于P91鋼服役過(guò)程中性能以及微觀組織結(jié)構(gòu)變化的研究,有利于未來(lái)開(kāi)發(fā)性能更優(yōu)異的9Cr系鋼。

(3) P91鋼可以替代TP304H、TP347H不銹鋼,作為亞臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器和再熱器的材料

P91鋼焊縫塑形與TP347H鋼的相當(dāng),抗氧化性與TP340H鋼幾乎相同,裂紋敏感性低于TP347H鋼的。從蠕變斷裂角度來(lái)看,P91鋼在約625 ℃下具有高于TP304H鋼的強(qiáng)度,適用于高溫蒸汽的環(huán)境。此外,P91鋼代替TP304H鋼可以避免異種鋼焊接接頭的早期失效。

(4) P91鋼是改造現(xiàn)役發(fā)電機(jī)組高溫部件最有前途的替換材料

P91鋼具有較高的蠕變斷裂強(qiáng)度,可以采用較薄的壁厚,降低了管道和集箱運(yùn)行過(guò)程中的熱應(yīng)力[12]。

在高溫、高壓的環(huán)境中,P91鋼存在蠕變以及焊接接頭性能劣化的問(wèn)題,從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降,甚至發(fā)生斷裂失效,進(jìn)而危害工業(yè)安全。2006年10月某發(fā)電廠300 MW亞臨界機(jī)組的主蒸汽P91管道在調(diào)試過(guò)程中發(fā)生直管段爆裂,裂縫長(zhǎng)達(dá)900 mm,造成了嚴(yán)重的安全事故[13]。同時(shí),P91鋼的返修性能較差,在返修過(guò)程中極易出現(xiàn)沖擊韌性下降的問(wèn)題,因此,利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確高效地對(duì)P91鋼實(shí)施檢測(cè),對(duì)確?；痣姍C(jī)組、鍋爐等設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義[14-16]。

文章簡(jiǎn)要介紹了P91鋼的主要缺陷,并對(duì)P91鋼的磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、超聲檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、磁檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹,闡述了國(guó)內(nèi)外P91鋼無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀,分析各種無(wú)損檢測(cè)方法的應(yīng)用效果,最后提出P91鋼無(wú)損檢測(cè)存在的問(wèn)題,對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 P91鋼無(wú)損檢測(cè)重點(diǎn)及易產(chǎn)生的缺陷

焊接接頭性能的劣化是鋼材服役過(guò)程中的主要質(zhì)量問(wèn)題[17]。P91鋼焊接接頭的工藝要求十分嚴(yán)格,在焊接過(guò)程中難以對(duì)溫度、熱處理工藝和焊接線能量等實(shí)施嚴(yán)格控制,故極易產(chǎn)生缺陷。P91鋼焊接與服役特點(diǎn)決定了其缺陷類型,主要包括以下幾類[18-19]:① P91鋼屬于高強(qiáng)度馬氏體耐熱鋼,其具有較高的淬硬傾向,易產(chǎn)生冷裂紋;② P91鋼焊接過(guò)程中,熔池中金屬流動(dòng)性較差、黏度高,在焊縫部位易出現(xiàn)氣孔、層間未熔合、夾渣等缺陷;③ P91鋼焊縫熔池冷卻過(guò)快會(huì)使收弧處雜質(zhì)來(lái)不及溢出,在冷卻凝固收縮時(shí)產(chǎn)生弧坑裂紋;④ P91鋼屬于高溫承壓部件,其焊接接頭的熱影響區(qū)受蠕變損傷影響最大,易形成焊縫裂紋。P91鋼收弧裂紋形貌如圖1所示[20]。

圖1 P91鋼收弧裂紋形貌示意

相關(guān)研究表明,鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的爆炸事故大多由焊接接頭的失效斷裂引起。因此,P91鋼焊接接頭質(zhì)量的好壞直接影響著P91鋼的使用安全性與穩(wěn)定性。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,須重點(diǎn)對(duì)P91鋼焊接接頭的缺陷以及組織劣化進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

2 P91鋼無(wú)損檢測(cè)時(shí)機(jī)

P91鋼表面以及內(nèi)部缺陷在焊接前、焊接后都應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。由于P91鋼具有延遲裂紋傾向,焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)應(yīng)在其焊后熱處理至少24 h后進(jìn)行[21]。P91鋼常見(jiàn)缺陷及損傷分布如表1所示[22]。

表1 P91鋼常見(jiàn)缺陷及損傷分布

3 P91鋼表面及內(nèi)部缺陷檢測(cè)

P91鋼作為一種新型馬氏體耐熱鋼,生產(chǎn)中對(duì)其焊接工藝的要求十分嚴(yán)格,焊接工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)極易產(chǎn)生氣孔、夾渣、未熔合以及裂紋缺陷。故在P91鋼服役前后應(yīng)使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其表面及內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。考慮到P91鋼在實(shí)際工程應(yīng)用中以厚壁、大徑管為主,目前其缺陷檢測(cè)主要以磁粉、滲透、常規(guī)超聲與超聲檢測(cè)新技術(shù)為主。

3.1 P91鋼表面缺陷檢測(cè)

(1) 磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)主要應(yīng)用于鐵磁性材料表面及近表面缺陷的檢測(cè),在常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法中,磁粉檢測(cè)對(duì)于表面裂紋的檢測(cè)靈敏度較高。

李成超等[23]對(duì)某電廠XD-150/9.8-M型P91鋼主蒸汽管進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí),首次檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)裂紋,隨后結(jié)合金相檢驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)調(diào)整磁懸液濃度與磁粉粒度后在集汽集箱前一環(huán)焊縫上發(fā)現(xiàn)了兩處明顯的磁痕(呈放射狀,符合裂紋特征)。對(duì)于P91鋼表面微裂紋的磁粉檢測(cè),嚴(yán)正等[24]進(jìn)行了相關(guān)研究,提出了磁粉檢測(cè)工藝的優(yōu)化方向,即選用粒度細(xì)的黑磁粉,將磁懸液濃度控制在標(biāo)準(zhǔn)濃度的偏下限,提高光照度的同時(shí)避免炫光。針對(duì)P91鋼聯(lián)箱壁厚大,容易出現(xiàn)表面裂紋的特點(diǎn),李樹(shù)軍等[25]提出,在對(duì)聯(lián)箱焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)應(yīng)選用交流磁軛并使用反差增強(qiáng)劑以防漏檢。以上研究結(jié)果表明,優(yōu)化磁粉檢測(cè)工藝并結(jié)合其他檢測(cè)方法有利于提高P91鋼焊縫表面微裂紋的檢出率。

張立新[26]使用MP-A2L型交流磁軛,利用黑磁粉濕法對(duì)某廠鍋爐過(guò)熱器出口聯(lián)箱疏水管標(biāo)高40 m下方的焊縫泄漏部位進(jìn)行了磁粉檢測(cè),發(fā)現(xiàn)焊縫外表面存在一長(zhǎng)度為140 mm的裂紋,磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的焊縫裂紋位置如圖2所示。張凡志等[27]依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730—2005 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》,對(duì)主蒸汽管道P91鋼對(duì)接焊縫進(jìn)行了磁粉檢測(cè),在9條焊縫中發(fā)現(xiàn)線性裂紋顯示,其中焊縫周向裂紋寬度細(xì)小、走向不規(guī)則,長(zhǎng)度從幾毫米至幾十毫米不等,最長(zhǎng)為27 mm,其檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖2 磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的某過(guò)熱器焊縫裂紋位置

圖3 某主蒸汽管道P91鋼焊縫裂紋磁粉檢測(cè)結(jié)果

上述研究結(jié)果表明,磁粉檢測(cè)技術(shù)對(duì)P91鋼表面裂紋敏感,缺陷顯示直觀,可以作為P91鋼表面無(wú)損檢測(cè)的主要手段。

(2) 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)流程為:在預(yù)先處理過(guò)的檢測(cè)面上,采用噴、刷或浸漬的方式涂上適量滲透劑,當(dāng)P91鋼表面存在缺陷時(shí),滲透劑滲入到表面缺陷中,隨后對(duì)檢測(cè)面進(jìn)行清洗、噴涂顯像劑,此時(shí)缺陷中殘存的滲透劑會(huì)在毛細(xì)管作用下滲出,形成缺陷顯示。

牛林興等[28]對(duì)溫度計(jì)套管與P91主蒸汽母管焊接部位進(jìn)行了滲透檢測(cè),其結(jié)果如圖4所示,發(fā)現(xiàn)焊縫表面分布著整圈裂紋。師學(xué)禮[29]利用滲透檢測(cè)技術(shù)對(duì)P91鋼焊縫起弧與收弧處進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià),未發(fā)現(xiàn)表面缺陷,表明焊接工藝得當(dāng)。

圖4 某溫度計(jì)套管與主蒸汽母管焊接部位滲透檢測(cè)結(jié)果

目前滲透檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于P91鋼焊接前坡口、母材的檢測(cè)以及無(wú)法進(jìn)行磁粉檢測(cè)的焊接部位的表面檢測(cè)。

裂紋類缺陷往往危害性大,漏檢易造成嚴(yán)重安全事故。由于磁粉檢測(cè)對(duì)鐵磁性材料表面極易出現(xiàn)的微裂紋檢出率高于滲透檢測(cè)的,目前P91鋼表面缺陷檢測(cè)以磁粉檢測(cè)方法為主。

3.2 P91鋼內(nèi)部缺陷檢測(cè)

P91鋼內(nèi)部缺陷檢測(cè)以射線與超聲檢測(cè)方法為主,由于其面積型缺陷出現(xiàn)比重高且射線檢測(cè)在對(duì)大厚度P91焊接接頭檢測(cè)時(shí),容易出現(xiàn)底片灰度高、缺陷檢出率低的情況,故P91鋼內(nèi)部缺陷檢測(cè)優(yōu)先使用超聲檢測(cè)方法。

(1) 常規(guī)超聲檢測(cè)

常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波與待測(cè)試件的相互作用,通過(guò)對(duì)反射波幅值等信息來(lái)表征待測(cè)試件內(nèi)部連續(xù)性、力學(xué)性能以及微觀組織結(jié)構(gòu)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

在對(duì)P91鋼焊接接頭進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí),P91鋼聲學(xué)特性的準(zhǔn)確測(cè)定是有效檢出缺陷的前提。為此,楊勇等[30]提出一種利用雙探頭快速測(cè)定P91鋼衰減系數(shù)和橫波聲速的方法,選用2組P91鋼試塊,依據(jù)所得的聲特性傳播數(shù)據(jù),對(duì)儀器以及距離-波幅曲線進(jìn)行調(diào)整與修正,選用尺寸為10 mm×12 mm(寬×長(zhǎng)),頻率為2.5 MHz,K值為1和2的探頭對(duì)P91鋼焊接接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),發(fā)現(xiàn)超聲方法能夠準(zhǔn)確高效地檢出裂紋、未熔合等關(guān)鍵缺陷。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中,P91鋼材料專用試塊獲取困難,用碳鋼試塊調(diào)整檢測(cè)靈敏度時(shí)存在以下兩個(gè)問(wèn)題:① 普通碳鋼與P91鋼相比,聲速存在較大差異,缺陷定位不準(zhǔn);② 普通碳鋼與P91鋼材衰減系數(shù)不同,缺陷定量存在誤差。考慮到無(wú)專用P91鋼試塊的超聲檢測(cè)工況,呂磊等[31]對(duì)碳鋼試塊所得的聲速、K值以及衰減系數(shù)進(jìn)行修正,一定程度上解決了利用碳鋼試塊校準(zhǔn)的超聲檢測(cè)儀器在P91鋼焊接接頭檢測(cè)中存在的缺陷垂直及水平定位不準(zhǔn)的問(wèn)題。但該方法存在一定的局限性,即隨著K值以及深度的增加,缺陷水平定位誤差會(huì)逐漸增大,因此在保證檢測(cè)要求的情況下宜選用小K值的超聲探頭。

在P91鋼超聲檢測(cè)過(guò)程中,常出現(xiàn)波幅處于評(píng)定線與定量線之間的缺陷回波,按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可能判定為合格,但解剖后常發(fā)現(xiàn)有一定比例為裂紋、未熔合等危害性大的缺陷,因此需要對(duì)此類缺陷回波特征進(jìn)行相關(guān)分析。李振山等[22]依據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)P91鋼裂紋、未熔合缺陷的超聲檢測(cè)波形特征進(jìn)行了總結(jié),發(fā)現(xiàn)以下特征:① 裂紋缺陷回波波幅可能較低,在轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí),波趾處寬度發(fā)生明顯變化,同時(shí)存在多個(gè)高點(diǎn); ② 縱向未熔合缺陷波形呈陡直尖銳形,波趾平整,回波在探頭移動(dòng)時(shí)變化平滑且緩慢,多種K值探頭檢測(cè)結(jié)果相差較大;③ 對(duì)于橫向未熔合缺陷,使用探頭進(jìn)行斜向平行掃查時(shí),缺陷長(zhǎng)度延伸方向垂直或近似垂直于焊縫軸線,波幅非常低。因此,實(shí)際檢測(cè)中除了依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷定量分析以外,還需根據(jù)回波特征對(duì)缺陷性質(zhì)進(jìn)行分析。

常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)于P91鋼內(nèi)部裂紋、未熔合等面積型缺陷檢出率高,但在工程應(yīng)用中仍存在以下問(wèn)題[17]:① 大型電廠蒸汽管道的壁厚一般在60 mm以上,使用常規(guī)超聲進(jìn)行單面雙側(cè)檢測(cè)時(shí)存在上表面檢測(cè)盲區(qū);② P91鋼焊縫中的裂紋方向具有不確定性,對(duì)于與聲速方向不垂直的裂紋,反射波幅很低,容易漏檢;③ P91鋼專用超聲檢測(cè)試塊很少,難以滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。

(2) 超聲檢測(cè)新技術(shù)

相控陣超聲(PAUT)與超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)作為超聲檢測(cè)新技術(shù),在P91鋼缺陷檢測(cè)方面也有一定應(yīng)用。

相控陣超聲波束可控,能夠調(diào)控聲場(chǎng)的聚焦與偏轉(zhuǎn),檢測(cè)易于成像,檢測(cè)可達(dá)性好。某電廠受限空間P91鋼管道焊縫位置如圖5所示,該位置超聲檢測(cè)的難點(diǎn)在于要在20 mm空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭上部至根部聲場(chǎng)的全覆蓋。針對(duì)此問(wèn)題,韓傳高等[32]設(shè)計(jì)了受限空間焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)工藝,采用CIVA仿真軟件優(yōu)化相控陣超聲探頭參數(shù),并將相控陣仿真、檢測(cè)與X射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明,相控陣超聲在典型缺陷(根部裂紋、中心裂紋、焊趾裂紋)定性方面與X射線檢測(cè)結(jié)果基本一致,在受限空間,相控陣超聲方法能有效檢出規(guī)格為368 mm×38 mm(直徑×壁厚)P91鋼的焊縫缺陷。盡管相控陣超聲技術(shù)在P91鋼焊接接頭缺陷定性定量方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),但因存在5 mm表面盲區(qū),還需在焊縫邊緣增加探頭掃查或輔以其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)加以驗(yàn)證。

圖5 受限空間P91鋼管道焊縫位置示意

圖6 P91鋼典型缺陷相控陣超聲檢測(cè)與X射線檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

TOFD檢測(cè)技術(shù)是一種利用缺陷尖端衍射信號(hào)對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量的無(wú)損檢測(cè)方法,其檢測(cè)結(jié)果與缺陷方向無(wú)關(guān),定位定量精度不依賴于信號(hào)波幅,因此TOFD檢測(cè)技術(shù)可靠性好,具有較高的缺陷檢出率。ABRAHAM等[33]基于彈性波在裂紋尖端的衍射,提出利用TOFD技術(shù)監(jiān)測(cè)不同載荷比下緊致拉伸試樣的疲勞裂紋在閾值區(qū)附近的擴(kuò)展情況,通過(guò)建立有限元二維波傳播模型,模擬裂紋尖端的衍射現(xiàn)象并與常規(guī)直流電位降法進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,該方法對(duì)P91鋼疲勞裂紋敏感,在P91鋼定期檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用前景廣闊。

4 P91鋼蠕變損傷以及熱損傷檢測(cè)

P91鋼長(zhǎng)期服役在高溫高壓環(huán)境中,極易發(fā)生蠕變損傷以及熱損傷,帶來(lái)安全隱患,因此對(duì)P91鋼服役后的蠕變以及熱損傷進(jìn)行評(píng)估具有重要意義。對(duì)P91鋼服役后的蠕變、熱損傷的評(píng)估,主要采用非線性超聲、磁巴克豪森以及磁聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。

4.1 非線性超聲檢測(cè)

非線性超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)位錯(cuò)等引起的損傷非常敏感,其檢測(cè)原理如圖7所示,首先利用基波幅值與高次諧波幅值獲得非線性系數(shù),然后通過(guò)非線性系數(shù)對(duì)P91鋼材料進(jìn)行評(píng)估。大量研究表明,非線性系數(shù)與金屬材料損傷密切相關(guān)。

圖7 非線性超聲檢測(cè)原理

在P91鋼熱損傷研究方面,孫錦中等[34]基于非線性超聲理論,搭建非線性超聲檢測(cè)平臺(tái),對(duì)P91鋼的高溫?zé)釗p傷進(jìn)行研究,獲得了不同P91鋼熱損傷試樣的基波和二次諧波信號(hào),得到的非線性系數(shù)與P91鋼加熱溫度的關(guān)系曲線如圖8所示,可見(jiàn)非線性系數(shù)隨著P91鋼加熱溫度的升高呈單調(diào)遞增趨勢(shì),表明高溫會(huì)導(dǎo)致P91鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,非線性系數(shù)可以作為P91鋼早期高溫?zé)釗p傷評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

圖8 非線性系數(shù)與P91鋼加熱溫度的關(guān)系曲線

在P91鋼蠕變損傷研究方面,谷濤等[35]針對(duì)傳統(tǒng)非線性超聲檢測(cè)高溫蠕變存在的問(wèn)題,定義高頻能量段與低頻能量段之比為非線性參數(shù),提出依據(jù)一定頻率范圍內(nèi)非線性參數(shù)的累計(jì)效應(yīng)來(lái)表征P91鋼蠕變損傷的新方法,結(jié)果表明,該方法克服了二次諧波的分離問(wèn)題且檢測(cè)靈敏度高,在金屬材料蠕變損傷表征方面具有很大的潛力。但該研究采用的是一發(fā)一收的穿透法,不利于在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展檢測(cè)工作。宋俊俊[36]提出通過(guò)分離第一次底波反射信號(hào)獲得基波與高次諧波參量的方法,搭建反射式非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同蠕變壽命(0%,35%及70%)的P91鋼蠕變?cè)嚰M(jìn)行了檢測(cè),研究結(jié)果表明,該方法不僅能有效區(qū)分不同蠕變時(shí)間的P91試塊,還能表征熱影響區(qū)受蠕變的影響程度。目前各種蠕變的超聲檢測(cè)都是通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)中的少量參數(shù)進(jìn)行量化來(lái)實(shí)現(xiàn),雖然利用這些參數(shù)能夠快速對(duì)P91鋼蠕變狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,但卻丟失了一些檢測(cè)信息。為提高P91鋼蠕變檢測(cè)靈敏度,原可義等[37]提出一種新的超聲檢測(cè)信號(hào)處理方法,該方法利用未蠕變P91鋼焊接接頭超聲檢測(cè)信號(hào)生成零蠕變特征空間,將不同蠕變率P91鋼試件的檢測(cè)信號(hào)投影在該特征空間,以投影殘差能量與原信號(hào)能量的比值表征試件蠕變程度,比值越高說(shuō)明蠕變損傷越嚴(yán)重。該方法對(duì)于蠕變檢測(cè)具有較高的檢測(cè)成像效果,是材料組織劣化綜合評(píng)價(jià)的一種有效方法,但其缺點(diǎn)在于不能區(qū)分材料組織劣化的原因。

目前非線性超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)于P91鋼損傷的研究主要集中于實(shí)驗(yàn)室理論研究層面,該方法雖能夠有效表征P91鋼熱損傷及蠕變損傷狀態(tài),但距離現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用還有一定距離,主要有以下原因:① 非線性超聲檢測(cè)儀體積較大,與非線性超聲檢測(cè)系統(tǒng)相配合的硬件很難在現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi);② 對(duì)大型主蒸汽管道檢測(cè)時(shí)難以保證檢測(cè)條件的一致性。

4.2 磁檢測(cè)

磁檢測(cè)技術(shù)主要包括磁聲發(fā)射法與磁巴克豪森法,其通過(guò)檢測(cè)P91鋼磁特性的變化來(lái)表征鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以及是否含有缺陷,具有快速、精度高的特點(diǎn)。

在P91鋼服役后的蠕變損傷評(píng)估方面,主要采用磁巴克豪森與磁聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。AUGUSTYNIAK等[38]研究了P91鋼在塑性變形以及蠕變(應(yīng)力為290 MPa、溫度為773 K)兩種不同組織狀態(tài)下磁聲發(fā)射強(qiáng)度的變化規(guī)律,其結(jié)果如圖9所示,可見(jiàn)未損傷的樣品(N)和兩個(gè)蠕變損傷后的樣品(C1,C7)的MAE(磁聲發(fā)射)強(qiáng)度包絡(luò)隨場(chǎng)強(qiáng)的增加而變化,即隨著蠕變的進(jìn)行MAE信號(hào)幅度有所下降且信號(hào)特征由原來(lái)的雙峰寬峰轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏逭?表明磁聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)蠕變引起的組織變化非常敏感,適用于P91鋼蠕變損傷階段的無(wú)損檢測(cè)。同樣為了利用磁參數(shù)對(duì)P91鋼的蠕變過(guò)程進(jìn)行表征,TAKANORI等利用微磁多參數(shù)顯微組織與應(yīng)力分析(3MA)裝置,從微磁性能中提取位錯(cuò)密度變化信息,對(duì)P91鋼蠕變退化后的組織變化進(jìn)行評(píng)價(jià);結(jié)果表明,在1 kHz時(shí)窄帶濾波消除了沉淀對(duì)磁性能的影響,由增量磁導(dǎo)率曲線得到的矯頑力場(chǎng)強(qiáng)是提取和評(píng)價(jià)P91位錯(cuò)密度信息的最佳參數(shù)。張?zhí)K周[39]對(duì)P91鋼服役過(guò)程中的磁特性展開(kāi)了研究,發(fā)現(xiàn)在服役狀態(tài)下P91鋼保留了較好的磁滯特性,表明基于磁滯的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在高溫構(gòu)件蠕變損傷在線監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方面具有很大的潛力。

圖9 不同組織狀態(tài)下磁聲發(fā)射信號(hào)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

上述研究結(jié)果表明,磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)P91鋼微觀組織結(jié)構(gòu)變化非常敏感,能有效評(píng)估P91鋼的蠕變狀態(tài)。未來(lái)P91鋼的磁檢測(cè)技術(shù)將向多磁參數(shù)表征、在線監(jiān)測(cè)、磁聲智能化信息識(shí)別等方向不斷發(fā)展,且檢測(cè)效率將不斷提高,應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。

5 P91鋼裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)

在服役過(guò)程中,P91鋼中微裂紋的擴(kuò)展是一個(gè)重大安全隱患,須使用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

聲發(fā)射是材料局域源快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種現(xiàn)象,利用瞬態(tài)彈性波的信息對(duì)材料的完整性和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的本質(zhì)。該方法屬于動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)范疇,多應(yīng)用于泄漏監(jiān)測(cè)、腐蝕檢測(cè)以及材料疲勞監(jiān)測(cè)。

近些年來(lái),不少學(xué)者利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)P91鋼裂紋擴(kuò)展進(jìn)行評(píng)估,以實(shí)現(xiàn)P91鋼裂紋擴(kuò)展的在線監(jiān)測(cè)。HANEEF等[40]搭建了如圖10所示的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)P91鋼焊縫的氫致裂紋進(jìn)行了檢測(cè),利用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)散熱、傳播聲波的特點(diǎn),采集了熔爐中P91鋼拉伸時(shí)的聲發(fā)射數(shù)據(jù),識(shí)別了無(wú)預(yù)熱、不同預(yù)熱及前后聯(lián)合加熱組合的焊接過(guò)程中氫致裂紋的萌生和擴(kuò)展。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,前后聯(lián)合加熱對(duì)減少氫致裂紋有良好的效果,從聲發(fā)射結(jié)果中獲得的開(kāi)裂信息有助于選擇合適的熱條件來(lái)消除氫致裂紋。BABU等[41]研究了P91鋼在300～823 K溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,同時(shí)監(jiān)測(cè)了其聲發(fā)射信號(hào);發(fā)現(xiàn)在不同ΔK值下,聲發(fā)射計(jì)數(shù)率先隨溫度的升高而減小,然后增大,在623～673 K時(shí)計(jì)數(shù)率最小,對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效的最大值。該研究結(jié)果表明,可利用聲發(fā)射參數(shù)捕捉不同機(jī)制的開(kāi)始,如動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效和高溫環(huán)境輔助裂解。

圖10 疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

上述研究表明,聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù),在P91鋼裂紋萌生與擴(kuò)展監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出了巨大的潛力,有望在實(shí)際P91鋼的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)工程中投入使用。

6 P91鋼無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

每種無(wú)損檢測(cè)方法在P91鋼缺陷、高溫?zé)釗p傷及蠕變損傷檢測(cè)方面都有其相應(yīng)的側(cè)重點(diǎn)與適用范圍,具體如下所述。

(1) P91鋼表面缺陷檢測(cè)以磁粉檢測(cè)方法為主,焊接前坡口、母材的檢測(cè)以及無(wú)法進(jìn)行磁粉檢測(cè)的焊接部位輔以滲透檢測(cè)。

(2) P91鋼內(nèi)部缺陷檢測(cè)優(yōu)先選用常規(guī)超聲檢測(cè)方法。在檢測(cè)前需準(zhǔn)確測(cè)定P91鋼的聲學(xué)特性,檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)特別注意處于評(píng)定線與定量線之間的反射回波,依據(jù)裂紋、未熔合等缺陷回波特征進(jìn)行分析比對(duì),以避免危害性缺陷漏檢。

(3) 針對(duì)狹小空間P91鋼焊縫缺陷檢測(cè)以及P91鋼缺陷的精確定量,可以采用相控陣超聲和超聲波衍射時(shí)差法。

(4) P91鋼高溫蠕變、熱損傷的評(píng)估可以選用非線性超聲檢測(cè)、磁聲發(fā)射檢測(cè)以及磁巴克豪森檢測(cè)技術(shù)。

(5) 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在P91鋼裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)方面具有巨大潛力。

在實(shí)際P91鋼無(wú)損檢測(cè)中,面對(duì)不同的檢測(cè)工況、檢測(cè)需求,常需結(jié)合不同檢測(cè)方法以達(dá)到檢測(cè)目的。

7 結(jié)論與展望

針對(duì)P91新型馬氏體耐熱鋼在亞臨界、超(超)臨界火電機(jī)組中的重要地位,文章詳細(xì)闡述了磁粉、滲透、超聲、磁檢測(cè)以及聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在P91鋼缺陷檢測(cè)、高溫蠕變損傷以及高溫?zé)釗p傷當(dāng)中的應(yīng)用,總結(jié)了各無(wú)損檢測(cè)方法的側(cè)重點(diǎn)。

目前,關(guān)于P91鋼缺陷定量化、在役P91鋼無(wú)損檢測(cè)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究還較少,還需作深入研究,推動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在P91鋼檢測(cè)中的應(yīng)用。此外,將人工智能、自動(dòng)化與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)而節(jié)省人工,更好地利用檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)提高檢測(cè)效率,降低生產(chǎn)成本,也將成為P91鋼無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展方向,在此趨勢(shì)下,P91鋼無(wú)損檢測(cè)技術(shù)將向著智能化、多樣化以及可視化方向不斷發(fā)展。