CN104439747B - 一种检测识别p92钢焊缝金属微细裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，步骤如下：模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹；TOFD法对试块进行检测，记录图像中可识别的小缺陷；相控阵法对TOFD检出的小缺陷进行检测，记录图像中长宽比大于3的小缺陷；对小缺陷界面进行解剖，制成金相试样，进行尺寸测量，将测量结果与TOFD和相控阵检测图像进行比对；确定检测P92钢焊缝微细裂纹的图像形貌判据为：a.满足TOFD检测图像中具有点状特征的小缺陷和测长长度小于4mm的小缺陷；b.满足相控阵扫描图像中长宽比大于3的小缺陷；采用图像形貌判据，对P92钢焊缝金属进行现场检测。采用本发明的检测方法提高该P92钢的焊缝金属内部微细裂纹的检出率，消除威胁机组安全运行的隐患。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，属于金属材料领域。
背景技术
超超临界机组已是世界上发展比较成熟的先进发电技术，由于其节能和环保独特优势在火力发电中得到了广泛应用，在中国得到了快速发展。中国已建成的超超临界火电机组中，大量采用了P92铁素体型耐热钢，该钢因具有较高的高温强度和抗蠕变性能，被广泛应用于超超临界机组的联箱和主蒸汽管道。
虽然P92钢在我国超超临界机组中得到了广泛应用，但在管道配管制作和安装过程中，在P92钢的焊缝金属内部容易产生许多微细裂纹，对机组安全稳定运行形成威胁。与传统的焊缝金属热裂纹和延迟裂纹不同，该类微细裂纹是焊缝金属在冷却过程中产生的低温脆性裂纹，形态呈蠕虫状，走向曲折有断续，尖端呈钝化形态，裂纹长度较短(长度为0.5～2mm)，宽长比小、尖端钝化，走向既有沿晶也有穿晶，在主裂纹周围还会产生许多小裂纹。常用的超声A波检测方法，受到裂纹取向、位置、探头角度、表面耦合状态、材质衰减等因素影响，对该类微细裂纹很难有效检出和定量、定性；TOFD(Time of Flight Diffraction Technique的简称)，中文译名为衍射时差法超声检测技术,对缺陷检出率高、对缺陷定位、定量准确，但是通过图谱对缺陷定性困难，尤其是对于微小缺陷很难区分是圆形缺陷(比如气孔)还是条型缺陷(比如裂纹)，难以实现对该类微细裂纹的定性检测；因此，目前缺少对P92钢的焊缝金属内部产生的微细裂纹进行定性、定量有效检出的检测方法，不利于P92钢在火电机组中的进一步应用。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，依据多样性和冗余概念，采用TOFD和相控阵检测技术相结合，合理选择参数和判据，以提高该P92钢的焊缝金属内部微细裂纹的检出率，消除威胁机组安全运行的隐患。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，步骤如下：
(1)对P92钢的焊接接头模拟产生焊缝金属微细裂纹，具体方法参见专利“模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法”(CN 103008855A)具体实施方式部分；
(2)采用TOFD检测方法对步骤(1)模拟产生焊缝金属裂纹的P92钢焊接接头进行检测，记录D扫描灰度图像中可识别的具有点状特征的小缺陷和条状特征的小缺陷；其中，具有点状特征的小缺陷长度小于1mm，具有条状特征的小缺陷的长度大于1mm；
(3)再利用相控阵检测方法对TOFD检出的小缺陷进行检测，记录扫描图像中小缺陷的长宽比；
(4)对步骤(3)检测出的小缺陷界面进行解剖，制成金相试样表面，在显微镜下对小缺陷进行观察并对其中的微细裂纹进行尺寸测量，将观察测量结果与TOFD和相控阵检测图像进行比对；
(5)在焊接接头试块上重复(2)-(4)步骤，确定检测P92钢焊缝微细裂纹的TOFD和相控阵图像形貌判据为：a.TOFD检测缺陷图像尺寸大于缺陷实际尺寸，且长度小于1mm缺陷图像一般呈现点状缺陷特征，因此选择满足TOFD检测图像中具有点状特征的小缺陷和测长长度小于4mm的具有条状特征的小缺陷；b.相控阵检测扫描图像因是基于超声回波成像，缺陷的宽度相较于长度方向易于被放大，因此选择满足相控阵扫描图像中长宽比大于3的小缺陷；同时满足上述图像形貌判据a和b的，即确定为P92钢焊缝微细裂纹；
(6)采用步骤(5)确定的TOFD和相控阵图像形貌判据，对P92钢焊缝金属进行现场检测。
步骤(3)中，TOFD检测的参数条件为：考虑到检测深度范围在50mm范围内，且微细裂纹缺陷多出现于深度30-40mm范围内，因此选择探头晶片的规格尺寸为Ф6mm，探测频率为5MHz，楔块角度为60°，采用非平行扫查，基准灵敏度为直通波幅度60-80％，扫查灵敏度提高2-4dB。
步骤(4)中，相控阵检测的参数条件为：考虑相控阵检测常用探头型式及现场检测条件，选择平面线型、5MHz/32晶片相控阵探头，声束转向采用动态深度聚焦(DDF)。
本发明的有益效果：
本发明通过采用TOFD和相控阵检测技术相结合来检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹，解决了采用TOFD检测方法无法通过图谱对P92钢焊缝金属中具有点状特征的缺陷进行定性的问题，以及采用相控阵检测难以对焊缝内部微小缺陷进行发现及定性的问题，创造性的提出了通过合理选择TOFD检测和相控阵检测的图像形貌特征作为判据，提高了P92钢的焊缝金属内部微细裂纹的检出率，消除了威胁机组安全运行的隐患。
附图说明
图1为P92钢焊接试样坐标图；
图2为TOFD检测的具有点状特征的小缺陷的图像；
图3为TOFD检测的具有条状特征的小缺陷的图像；
图4为相控阵检测的小缺陷的图像。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1
检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，具体步骤如下：
(1)首先参照专利“模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹方法”(CN 103008855A)说明书的“具体实施方式”部分记载的方法模拟产生焊缝金属微细裂纹，具体步骤为：
1)分析实际焊接过程中焊接热输入和拘束应力；
2)加工P92钢试验试块，并在试块上开“U”型坡口，坡口底部预留20mm厚度以增大试块的拘束应力；
3)试块底部贴三组高温应变片并与应力测试仪相连；
4)焊前对试块坡口两侧上部施加拉应力，通过应力测试仪测试试块底部达100MPa压应力值，然后焊接，焊接过程中固定外加拉应力值，使试块受到相对稳定的外加拘束应力；
步骤4)中的焊接为焊条电弧焊，焊条规格Φ3.2mm，焊接电流110A，双道多层焊，焊层厚度4.0mm，焊前预热200℃，层间温度为200℃，焊后试块冷却至室温2h，高温回火处理；高温回火规范为：由室温以90℃/h升温至750℃，保温5小时，然后以90℃/h降温至300℃，空冷；即得。
P92钢试验试块的尺寸为：长200mm×宽150mm×高50mm，纵向焊缝的结构如图1中所示；
(2)去除焊缝余高，对试块进行TOFD检测，针对超超临界机组中P92钢焊缝的微细裂纹缺陷多出现于深度30-40mm范围内，且微细裂纹多为纵向，因此选用一组5MФ6探头(探头晶片的规格尺寸为Ф6mm，探测频率为5MHz)、60°楔块，进行非平行扫查；为提高小缺陷检出率，基准灵敏度为直通波幅度60-80％，扫查灵敏度提高2-4dB。记录D扫描灰度图像中可识别的具有点状特征的小缺陷和条形特征的小缺陷，对这些记录的小缺陷进行编号并分别定位、定量；结果如图2和图3所示；
(3)对TOFD检出的小缺陷进行相控阵检测，选用最常用的平面线型、5M32晶片相控阵探头；为尽可能的反应缺陷的真实形貌，声束转向选用动态深度聚焦(DDF)。记录图像中小缺陷的长宽比；结果如图4所示；
(4)对检测出的小缺陷界面进行解剖，制成金相试样表面，在显微镜下对小缺陷进行观察并对其中的微细裂纹进行尺寸测量，并将测量结果与TOFD和相控阵检测图像进行比对；
(5)重复步骤(2)-(4)三次，确定检测P92钢焊缝微细裂纹的TOFD和相控阵图像形貌判据为：a.满足TOFD检测图像中具有点状特征的小缺陷和测长长度小于4mm(TOFD对小缺陷测长一般大于实际尺寸)的具有条状特征的小缺陷；b.满足相控阵扫描图像中长宽比大于3的小缺陷；同时满足上述图像形貌判据a和b的，即确定为P92钢焊缝微细裂纹；否则，不视为P92钢焊缝微细裂纹。
(6)采用步骤(5)确定的TOFD和相控阵图像形貌判据，可以进行现场检测P92钢主汽管道焊缝金属。
实施例2
P92钢主汽管道焊缝金属现场检测：
分别采用TOFD法、相控阵法和本发明实施例1的方法对P92钢主汽管道焊缝金属进行现场检测。
TOFD法的探头晶片的规格尺寸为Ф6mm，探测频率为5MHz，楔块角度为60°，采用非平行扫查，基准灵敏度为直通波幅度70％，扫查灵敏度提高4dB。
相控阵法采用平面线型、5MHz/32晶片相控阵探头，声束转向采用动态深度聚焦(DDF)。
检测结果见表1：
表1P92钢主汽管道焊缝金属检测结果
| 检测方法 | 检出量 | 超标缺陷总数 | 检出率(％) |
| TOFD法 | 26 | 32 | 81.3 |
| 相控阵法 | 20 | 32 | 62.5 |
| 实施例1 | 29 | 32 | 90.6 |
由表1可以看出，采用本发明的P92钢的焊缝金属内部微细裂纹的检测识别方法明显提高了缺陷的检出率。TOFD检测对于焊缝中部的微细缺陷检出率很高，但是对缺陷定性困难；相控阵检测成像直观，通过改变相控阵的聚焦深度可以提高对缺陷的分辨力，但是相控阵技术基于普通超声回波，它并不改变超声反射物理法则，如果缺陷反射面不合适，容易造成漏检，因此检出率偏低。本发明通过先采用TOFD检测，有效防止了相控阵漏检。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)对P92钢的焊接接头模拟产生焊缝金属微细裂纹；
(2)采用TOFD检测方法对步骤(1)模拟产生焊缝金属裂纹的P92钢焊接接头进行检测，记录D扫描灰度图像中可识别的具有点状特征的小缺陷和条状特征的小缺陷；其中，具有点状特征的小缺陷长度小于1mm，具有条状特征的小缺陷的长度大于1mm；
(3)再利用相控阵检测方法对TOFD检出的小缺陷进行检测，记录扫描图像中小缺陷的长宽比；
(4)对步骤(3)检测出的小缺陷界面进行解剖，制成金相试样表面，在显微镜下对小缺陷进行观察并对其中的微细裂纹进行尺寸测量，将观察测量结果与TOFD和相控阵检测图像进行比对；
(5)在焊接接头试块上重复(2)-(4)步骤，确定检测P92钢焊缝微细裂纹的TOFD和相控阵图像形貌判据为：a.满足TOFD检测图像中具有点状特征的小缺陷和测长长度小于4mm的具有条状特征的小缺陷；b.满足相控阵扫描图像中长宽比大于3的小缺陷；同时满足上述图像形貌判据a和b的，即确定为P92钢焊缝微细裂纹；
(6)采用步骤(5)确定的TOFD和相控阵图像形貌判据，对P92钢焊缝金属进行现场检测。
2.如权利要求1所述的检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，其特征在于，步骤(1)中，模拟产生P92钢焊缝金属微细裂纹的具体步骤如下：
1)分析实际焊接过程中焊接热输入和拘束应力；
2)加工P92钢试验试块，并在试块上开“U”型坡口，坡口底部预留20mm厚度以增大试块的拘束应力；
3)试块底部贴三组高温应变片并与应力测试仪相连；
4)焊前对试块坡口两侧上部施加拉应力，通过应力测试仪测试试块底部达100MPa压应力值，然后焊接，焊接过程中固定外加拉应力值，使试块受到相对稳定的外加拘束应力；
步骤4)中的焊接为焊条电弧焊，焊条规格Φ3.2mm，焊接电流110A，双道多层焊，焊层厚度4.0mm，焊前预热200℃，层间温度为200℃，焊后试块冷却至室温2h，高温回火处理；高温回火规范为：由室温以90℃/h升温至750℃，保温5小时，然后以90℃/h降温至300℃，空冷；即得。
3.如权利要求2所述的检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，其特征在于，P92钢试验试块的尺寸为：长200mm×宽150mm×高50mm。
4.如权利要求1所述的检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，其特征在于，步骤(3)中，TOFD检测的参数条件为：探头晶片的规格尺寸为Ф6mm，探测频率为5MHz，楔块角度为60°，采用非平行扫查，基准灵敏度为直通波幅度60-80％，扫查灵敏度提高2-4dB。
5.如权利要求1所述的检测识别P92钢焊缝金属微细裂纹的方法，其特征在于，步骤(4)中，相控阵检测的参数条件为：采用平面线型、5MHz/32晶片相控阵探头，声束转向采用动态深度聚焦。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Xinmei Inventor after: Zhang Zhongwen Inventor after: Du Baoshuai Inventor after: Li Huadong Inventor after: Liu Jinqiu Inventor before: Li Xinmei Inventor before: Zhang Zhongwen Inventor before: Liu Jinqiu Inventor before: Du Baoshuai |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |