CN1013461B - 对铁磁性工件蠕变损伤的无损检验 - Google Patents

Abstract

一种快速的无损检验铁磁性工件蠕变损伤的方法。检验时将涡流电流线圈(1)贴放在工件(3)上，使交变电流通过该线圈，测量受到工件影响的涡流电流响应，将此电流测量值与相应于给定铁磁性材料的已知蠕变损伤的标定电流进行比较。由经受了不同的时间、温度和应力作用的给定材料的试样上进行的蠕变破坏检验而推导出涡流电流响应与蠕变速率及失效前寿命的相关性。

Description

本发明所涉及的是一种对铁磁性工件作无损检验的方法。铁磁性材料长期受到机械应力和高温的作用会产生合金组份的晶界迁移而最终导致晶间断裂和材料损伤。称之为蠕变损伤的这种现象在电力工业中受到特别关注，在这个领域，为延长发电厂寿命所作的各种努力取决于对有关金属构件，例如结构钢材料的高温蠕变性能下降的寿命极限及对其可维修性的准确了解。

合金钢中的蠕变损伤是与时间、温度和应力有关的现象，其涉及到在材料固有的微结构中累积的损坏变化过程。简单说来，合金钢是通过产生非平衡状态的热处理来得以强化的。当长时间地经受到足够高的温度和应力时，这种非平衡状态将减弱，随之而来的是材料负荷能力的降低。与蠕变损伤相关联的机械性能的下降，其直接原因在于碳化物化学及有关的动力学。碳化物的组分、形态、分布和浓度等特征支配着蠕变性质。除了考虑碳化物化学外，在晶界处形成的空洞和裂缝也促进了蠕变损伤。

评定在高温下长期受到应力作用的金属工件的蠕变损伤的一种现行方法是表面检查。通常直径为1/4到1/2吋的受检部位被研磨掉10密耳深並进行蚀刻以备作显微照相，由此来分析确定晶界的状态。对表面进行直接检验的替代方法就是用醋酸基感光胶片摄下表面状态然后进行对胶片的实验室检验。对蠕变损伤进行检验的另一种方 法是挖出一个船形样品进行全相显微照相，其典型尺寸为直径约1/16吋，长度约1/4吋。为评定处于长年服役的零部件的潜在蠕变损伤，常用的第三种方法是一种超小型样品的机械性能试验，即仍然是从受检材料上挖下一小块试验样品，然后用其作抗拉试验。上述这些检验尽管有时得到成功的应用，但是它们较大的缺点就是试验得出的数据仅对应于受检材料的有限的部位，因此为正确地选择合适的受检部位所需的大量经验与检验方法本身是同等的重量。当然，上述船形样品和小型化样品方法都不是无损的检验法，产生了不希望有的切口，它们必须被仔细地处理以减少工件上应力的集中。

涡流电流检验法通常用来检验持续运转使用的工件的伤痕，如裂缝或表面砂眼。把通有交流电流的线圈贴放到工件上，于是该工件对线圈的电抗产生了影响。当线圈沿着工件移动时，裂缝在线圈电流上产生了独特的变化，训练有素的技术人员会识别出这种变化。近来，涡流电流技术，如在美国专利NO.4，528，856中描述的用来测定铁磁性材料的应力，还有如在美国专利NO.4，553，095所描述的用来测量在铁磁性材料基衬上的弱铁磁性材料敷层的厚度。上述两个技术都利用了备有磁偏置的薄型扁平线圈。

一种迅速的无损测定处于长年运转使用的铁磁性材料蠕变损伤的方法依然是必要的。

本发明具有的优点是基于下列事实，即铁类合金高温蠕变损伤是以晶界的破坏显示出来的，其结果是该合金的电磁特性的变化大致与损伤的程度相关。

测得的流经涡流线圈的电流与特定材料中蠕变损伤之间的相关性可以通过测量对应于一系列具有已知蠕变损伤的样品的线圈电流来得 知。已知的蠕变损伤可以用机械试验方法来测定，该方法提供了所需的在给定材料中的蠕变损伤的定量数值。

因而本发明的宗旨在于提供一种无损检验铁磁性工件中的蠕变损伤的新方法。

于是为实现此宗旨，由本发明得到了一种确定铁磁性工件内蠕变损伤的方法，该方法的特征包括下述几个步骤：将涡流线圈紧贴放置在铁磁性工件上，该工件曾受到了高温下长期的应力作用;使交流电流流经上述涡流线圈以在铁磁性工件内感生涡流;测量在上述工件影响下所流经上述线圈的电流;将此电流与对应于已知蠕变损伤的标定电流值相比较从而可确定所检工件的蠕变损伤。

下面参考附图来描述本发明的一个优选实例：

图1为应用本发明方法的装置;

图2为对于具有已知蠕变损伤的样品运用本发明进行蠕变检验所得结果的图示。

图3画出了被检样品以及几个受到了不同时间、温度和应力作用的样品检验结果;

图4a和4b分别为应用本发明检验一个典型的铁磁性材料所得到的涡流电流与蠕变速率及涡流电流与失效前寿命的相互关系之曲线。

图1绘出了适于应用本发明方法的装置。涡流电流探头1紧贴着被检的铁磁性工件3上。相适应的探头公认为美国专利NO.4，528，856。为更好地显示细节，图1中的该探头被放大，包括有杯筒形软铁质探头体5，其内装有永久磁体7和薄扁平型涡流线圈9，该线圈置于永磁体7和工件3之间。由信号源及微处理器 11产生的交变电流通过电缆13加到线圈9上。电缆13穿过了卡紧在探头体5的中心孔内的接线卡15。

信号源和微处理器11为线圈9提供选定频率的交流电流並且将受到工件影响的电流显示在显示器17上。电流测量值也可以记录在通过电缆21连接到信号源和处理器11上的存储器19里。有许多涡流电流测试仪适合于用作信号源和微处理器11，例如Nortec    NDT-25或Zetec    MIZ17型的。

为了评定涡流探头检测和识别蠕变损伤的能力，检验了一些标准样品，它们取自由1-1/4Cr-1/2Mo钢（ASME    P-11）制成的蒸汽集汽联箱，它们曾经受过既有“热”又有“冷”的工作条件超过二十五年之久。检验结果由图2的直方图表示。由来自高温工作区的样品测得的结果用画了剖面线的直方图来表示，而那些来自冷的工作区的样品的测试结果未打斜线。每个样品标出的字符表明了在标准集汽联箱样品上的取样位置，这蒸汽集汽联箱已经成为一个参考标准，借助于此标准，评估电力工业中的构件的蠕变损伤。

在字母数字码下面的数字1到5标明来自标准集汽联箱相应的热端和冷端区域的成对样品。这样，样品S36取自低温区，而样品N212取自与其相对称的高温区。图2的直方图上还给出了不包括第一对样品的所有样品蠕变检验所得的数据，这些样品除了受到25年的运行应力外，还在图2所示的施加应力强度下的蠕变温度范围内进行了数百小时的试验。所示的应力强度系施加在处于1000华氏度的样品上直至样品断裂。经受同样应力和温度的热和冷的对应样品失效前的寿命可作为运行中发生蠕变损伤的度量。没有施加破坏性试验应力的样品那端所存在的蠕变损伤是由于它们具体的热和冷的运行 情况而产生的，样品的该端部用涡流探头检验得到图2中所示的电流读数。在每次检验中可以清楚地看到，在受到了较多蠕变损伤的样品热端上的涡流电流响应值较低。

为进一步评定涡流探头1检测和识别蠕变损伤的能力，从经受过热和冷的运行的标准集汽联箱ASME    P-11上对称的部位沿着中心轴线切割蠕变断裂样品3，並且沿轴向进行涡流电流测量，如图3上部所示。样品的一部分加工成截面稍小的细颈，这样可保证断裂发生在指定区域。图3中的曲线19代表受到“冷”运行的样品的涡流电流响应，而曲线21表示“热”样品的响应。附加的曲线23表明从未受到负载应力作用的一个新样品的电流响应。由图3表示的结果说明“热”样品的涡流电流响应总是低于“冷”样品的，並且涡流电流值从有螺纹端到有断口25的缩颈端是降低的。这个电流值的下降反映了从负载端27到断口点25随着应力的增加蠕变损伤也增加。25年“冷”和“热”运行使用的影响表现在取自运行设备的样品间的涡流电流值的重大差别上，分别由曲线21和19来表示，新样品由曲线23来表示。

评定蠕变损伤的重要判断原则之一是基于蠕变性质（表现为蠕变速率或失效前寿命）与微结构特征（碳化物形态）之间相互关系的研究进展。碳化物分析和表面照相诊断法都有赖于这个前提。由本发明提出的蠕变损伤特征识别通过应用涡流电流检验法得到微结构特征的定量测量来代替碳化物分析和照相术所需的金相检验。

涡流电流响应与蠕变特性（蠕变速率或失效前寿命）之间的相互关系对于定量检测是必要的。图4a和4b表示蠕变行为与涡流电流响应的相互关系，其根据用以绘制图3中检测得出的数据。从这些数 据，在实际工件的清洁（吹掉灰尘）表面上进行的涡流电流测量可以与标准测量刻度进行比较来预测蠕变损伤程度。

为了确定这个相关性，利用图3的试验中使用的在“热”和“冷”的样品上进行蠕变损坏试验所得的数据进行计算。在这些试验中，单轴向的拉力试样在1000华氏度下被施加12，000磅/吋²的应力达数千小时直到损坏。为确定蠕变速率，按照美国试验与材料协会ASTM的E139规范，测量了作为时间函数的拉伸量。工件断裂后，在样品受到支撑的螺纹端部上进行了涡流电流测试，当然，在这个端部蠕变损伤保持在由样品先前运行使用造成的损伤水平上，未受到上述试验的影响。

这些相关性试验的结果绘制在图4a和4b中。图4a中的曲线29提供了涡流电流值与用每小时的百分比为单位表示的最小蠕变速率之间的相互关系。点31是对应“热”样品的数据点，点33代表了“冷”样品的数值点。曲线的虚线部分是试验数据的外推结果。图4b中的曲线35表示了涡流电流响应和以小时为单位测得的失效前寿命之间的相互关系。对应“热”样品的数据点是37，对应“冷”样品的是39。同样，曲线35的虚线部分是试验数据的外推结果，可以看出，随寿命的增加曲线变水平了。

利用图4a和4b的相关性，可以从涡流电流响应读数来确定给定工件的蠕变损伤，其可以表示为给定温度和应力条件下的百分比蠕变速度以及失效前寿命。可以通过其它试样作蠕变损伤试验来导出该给定材料在其它温度和应力条件下的多重相关性，这样，可取得在全（温度、应力）范围内的相关性。

通过比较在有关金属构件上的热和冷的部位测得的清洁表面的涡 流电流响应，可以实现定性的检测。这种与表面金相学或照相相结合的简化研究方法在确定那些需用别种方法检验的蠕变损伤最严重的部位时可能是最有价值的方法。在上述的定量和定性的测量技术中，降低涡流电流的频率可以被用来穿透更深的金属表面，因此提供了更具有代表性的检验采样。

实际检测探头的结构、直径、导线尺寸、线圈匝数、永磁体参数等等将取决于检验的面积和穿透深度，而这些又与所要求的金属构件检测仪有关。对于示范性检验，使用了由42号规格铜线绕250匝制成的直径为0.95厘米（3/8吋）的线圈。一个瓷质钴永磁体被用来提供磁偏置，並且用工作在50KHz的一台Nortec    NDT-25型仪作信号源和微处理器。对于较深的穿透测试，可使用更低的频率。

Claims (6)

1、一种确定铁磁性工件(3)内蠕变损伤的方法，其特征在于下列步骤：放置探头(1)的涡流线圈(9)使其紧贴着铁磁性工件(3)，该工件经受了高温的长时间应力作用；施加交变电流信号到上述涡流线圈(9)以在铁磁性工件(3)中感生涡流电流；测量流经上述线圈(9)的电流值，该电流受到上述工件(3)的影响；将上述电流测量值与相应于已知蠕变损伤的定标电流相比较以确定该工件的蠕变损伤。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：在进行上述线圈内的电流测量时对上述工件施加磁偏置。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：定标电流通过下列步骤确定：将探头（1）的涡流线圈（9）依次贴放在定标试样表面选定的位置上，这些试样由上述选定的铁磁性材料构成並且每个试样都事先经受了不同条件的机械应力和高温作用;将交变电流施加到涡流线圈上以在试样中感生涡流电流;测量流经上述涡流线圈的电流，该电流受到上述试样的影响;对每个试样在选定的部位独立地测定其蠕变损伤的程度;对应上述选定的铁磁性材料推导出流经涡流线圈的电流测量值与蠕变损伤的关系。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于：在上述试样和上述工件的上述选定部位施加一固定偏置磁场。

5、如权利要求3所述的方法，其特征在于：独立地确定每个试样的蠕变损伤程度这一步骤，即包括对试样进行蠕变破坏试验並由此用蠕变速率来计算蠕变损伤，对于每个试样导出涡流电流测量值与计算得的蠕变速率值之间的相关性。

6、如权利要求3所述的方法，其特征在于：上述独立地确定每个样品的蠕变损伤程度的步骤，即包括对试样进行蠕变破坏试验;由此计算上述试样的失效前寿命，並对每个试样导出涡流电流测量值与失效前寿命的相关性。

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