CN109490410A - 残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法，首先采用直流电位检测和涡流检测方法建立残余应力与材料电导率、磁导率的对应关系，然后利用多频涡流检测方法测取应力腐蚀裂纹周围各个选定测试点处的残余应力值，并明确不同裂纹尺寸的应力腐蚀裂纹附近区域残余应力分布规律，最后采用反问题研究策略，将多频涡流检测实验数据作为目标信号，考虑裂纹附近残余应力分布对材料电导率、磁导率的影响，实现对应力腐蚀裂纹尺寸的定量无损评价；本发明方法可以对残余应力作用下的应力腐蚀裂纹进行准确有效的定量评估，具有操作简单，易实现，数据量小的优点，可以广泛应用于实际工程结构部件真实状态下应力腐蚀裂纹尺寸的定量无损评价，具有较大的工程应用价值。

Description

残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法

技术领域

本发明涉及一种应力腐蚀裂纹的定量评估方法，具体涉及一种残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法。

背景技术

随着人类对能源的需求量日益增长，核电获得了大力发展，然而由于反应堆内部包含大量放射性核燃料和反应生成物，核电站运行安全问题是一个人类必须长期关注解决的重大问题。而应力腐蚀裂纹等缺陷的发生和发展极有可能导致核级管道和容器的泄漏甚至破裂，对堆芯安全造成威胁。有研究对近年来发生的200多起核电设备失效案例并整理分析，结果表明应力腐蚀开裂是焊接接头的主要失效形式。为此，对核电站的关键部件和材料进行定期无损检测发生缺陷时，就迫切需要对检出的缺陷进行定量无损评估。

由于核电结构应力腐蚀裂纹主要发生在奥氏体不锈钢及高温合金结构的焊接部位，焊接部位的柱状晶各向异性会对超声检测信号产生严重影响，导致其检测能力和定量精度的降低，对于表面浅裂纹，超声检测也有很大的局限性。而涡流检测对浅裂纹的定量有独特优势，并且对材料的各向异性不敏感，因此涡流定量检测在解决核电结构中应力腐蚀裂纹定量问题上有望成为超声检测的一个有效补充。另外，涡流检测还具有很多其他优点，例如，检测速度快、信号易于自动化处理等优势，同时它属于非接触检测，不需要对表面进行特殊处理，检测成本低。多频涡流检测在具备上述涡流检测优点的同时，其检测信号还含有更为丰富的检测对象信息，有效使用这些信息可以大幅度地降低噪声影响，提高定量评价精度。

值得注意的是，应力腐蚀裂纹是由于材料退化引起的，从其萌生和发展的条件亦可看出在其附近区域必然存在残余应力，因此应力腐蚀裂纹往往不是单纯的存在，而是与残余应力相伴相生，在残余应力作用下的应力腐蚀裂纹，相比于单纯的应力腐蚀裂纹，更具有普遍性，且裂纹更容易扩展、危害性更大，因此对无损检测的定量精度要求更高。更为重要的是，残余应力的存在会引起材料电磁参数(主要为磁导率和电导率)的变化，在很大程度上增加了应力腐蚀裂纹的定量无损评价难度，并严重影响了其定量评价精度。

发明内容

为了解决上述现有的应力腐蚀裂纹定量评估存在的问题，本发明的目的在于提供一种考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹无损定量评价方法，该方法通过测定应力腐蚀裂纹及其周围区域的多频涡流检测信号，基于反问题研究策略，结合裂纹区域应力分布规律，实现对应力腐蚀裂纹尺寸的定量无损评价；该方法具有操作简单，数据量小，易实现的优点，可广泛应用于实际工程结构部件真实状态下应力腐蚀裂纹尺寸的定量无损评价中。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹进行无损定量评价的方法，包括如下步骤：

步骤1：建立应力与材料电导率、磁导率的对应关系，具体为：

1)设计加工多个不锈钢标准拉伸试件，对各个不锈钢标准拉伸试件施加不同的载荷使试件处于不同应力水平，利用涡流检测探头对处于不同应力水平的不锈钢标准拉伸试件进行直流电位检测和多频涡流检测，获取直流电位检测和多频涡流检测实验数据；

2)分析步骤1)中获取的直流电位检测实验数据，通过公式(1)计算得到处于不同应力水平的各个不锈钢标准拉伸试件的电导率，进而建立应力大小与材料电导率的对应关系，

式中：σ为不锈钢标准拉伸试件的电导率，I为加载直流电流值，s为测取电位差的两探针之间的距离，U为数据采集装置采集的两探针之间的电位差，w、d分别为不锈钢标准拉伸试件在电位差测量区域处的宽度和厚度；

3)步骤1)中获取的多频涡流检测实验数据与材料的电导率和磁导率都有关，其中电导率由步骤2)中给定的方法进行测量，磁导率基于多频涡流检测实验数据采用最速下降法反演得到，即对不同应力水平下不锈钢标准拉伸试件各个频率对应的磁导率进行反演计算，然后求取平均值作为最终该应力水平情况下不锈钢标准拉伸试件的磁导率，进而建立应力大小与材料磁导率的对应关系；

步骤2：明确不同尺寸应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布规律，具体步骤如下：

1)利用步骤1的步骤1)中获取的不同应力水平下不锈钢标准拉伸试件多频涡流检测数据，分析获得多个频率涡流检测阻抗与应力值的对应关系；

2)加工应力腐蚀裂纹不锈钢平板待测试件，测量应力腐蚀裂纹远场处的残余应力值，即在应力腐蚀裂纹四周位置选取一条将应力腐蚀裂纹包围在内的封闭曲线，在该封闭曲线上选取一系列残余应力测试点，且保证各残余应力测试点到应力腐蚀裂纹的最短距离相等，采用与步骤1的步骤1)中多频涡流检测相同的实验条件对每个残余应力测试点分别进行多频涡流检测，获取每个残余应力测试点在多个激励频率下的涡流检测实验数据，通过步骤2的步骤1)中获得的多个频率涡流检测实验数据与应力值的对应关系测取每个激励频率情况下各个残余应力测试点的残余应力值，然后求取各个激励频率情况测取的残余应力值的平均值，作为该残余应力测试点处的残余应力值；

3)利用有限元软件，将步骤2的步骤2)中获得的各残余应力测试点的残余应力值作为边界条件，建立不同长度、深度的应力腐蚀裂纹数值计算模型，计算获取不同尺寸应力腐蚀裂纹附近的残余应力分布，进一步分析获得应力腐蚀裂纹尺寸与残余应力分布之间的函数关系；

步骤3：考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹涡流定量无损评价方法，具体步骤如下：

1)对步骤2的步骤2)中加工的应力腐蚀裂纹不锈钢平板待测试件进行多频涡流扫描检测实验，获取应力腐蚀裂纹及其周围区域的多频涡流检测实验数据；

2)给定应力腐蚀裂纹尺寸，通过步骤2的步骤3)中获得的应力腐蚀裂纹尺寸与残余应力分布之间的函数关系求取该给定裂纹尺寸情况下应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布，然后利用步骤1的步骤

2)中获得的应力大小与材料电导率的对应关系和步骤1的步骤3)中获得的应力大小与材料磁导率的对应关系，确定应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布对应的材料电导率、磁导率的分布，考虑该材料电导率、磁导率分布，建立应力腐蚀裂纹数值计算模型，利用电磁场A-φ方法，选取步骤3的步骤1)中多频涡流检测实验时的一个激励频率，通过公式(2)计算得到该激励频率的涡流检测信号ΔZ，

式中N为线圈匝数，对应导体区域由于裂纹所产生的扰动矢量，I₀为线圈匝数，ω为正弦激励信号的角频率；

3)对考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹涡流定量无损评价转化为优化问题，寻找特定的应力腐蚀裂纹尺寸参数向量c，使目标函数(3)取最小值，

式中M为检测点个数，c为应力腐蚀裂纹尺寸参数向量，Z_m(c)为对应于应力腐蚀裂纹尺寸参数向量c的计算信号，为步骤3的步骤1)中检测实验获取的涡流检测实验数据，为解决此优化问题，采用基于共轭梯度法对应力腐蚀裂纹尺寸进行重构，其迭代公式为c_k＝c_k-1+λ_kP_k，其中c_k、c_k-1分别为第k、k-1迭代步c的值，λ_k为第k步的迭代步长，P_k为第k步的搜索方向，利用这个迭代公式实现选定激励频率情况下应力腐蚀裂纹尺寸的重构；

4)重复步骤3的步骤2)和步骤3)，实现对步骤3的步骤1)中多频涡流检测实验时的其他激励频率情况下应力腐蚀裂纹尺寸的重构；

5)将步骤3的步骤3)和步骤4)中多个频率下重构获得的应力腐蚀裂纹尺寸求取平均值，即为最终考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹尺寸定量无损评价结果。

步骤2的步骤2)中选取的包括应力腐蚀裂纹的封闭曲线形状与实际应力腐蚀裂纹尺寸、形状有关，封闭曲线上各点到应力腐蚀裂纹处最近的距离相等，在封闭曲线上选取残余应力测试点的个数与所选取的封闭曲线和应力腐蚀裂纹的距离有关，同时也与封闭曲线的周长有关。

步骤3的步骤2)中建立应力腐蚀裂纹数值计算模型时，采用多介质单元对边界轮廓进行描述与定义，能够更加准确的模拟应力腐蚀裂纹复杂的边界轮廓。

步骤3的步骤3)中需要重构的应力腐蚀裂纹尺寸包括裂纹长度和深度。

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明方法考虑了裂纹区域及附近的残余应力影响，对裂纹的定量评估准确度更高。

2)本发明方法通过反问题研究策略，实现对残余应力作用下的应力腐蚀裂纹尺寸进行定量无损评估，研究对象更具普遍性，适用性广，效率高，更具工程实用价值。

附图说明

图1为考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹无损定量评价方法的流程图。

图2为标准拉伸试件及加载示意图。

图3为直流电位检测实验系统各组件连接示意图。

图4为多频涡流检测实验系统各组件连接示意图。

图5为残余应力测试点选取示意图。

图6为多介质单元示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出的残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法，其实现过程包括如下步骤：

步骤1：建立应力与材料电导率、磁导率的对应关系，具体为：

1)设计加工多个不锈钢标准伸试件，其几何形状如图2所示，对于各个不锈钢标准拉伸试件施加不同的拉伸载荷5kN、10kN、20kN、30kN、40kN、50kN、60kN、70kN、80kN，使试件处于不同应力水平，利用涡流检测探头对每个处于不同应力水平的不锈钢标准拉伸试件进行直流电位检测和多频涡流检测，直流电位检测如图3所示，利用探针1和探针4施加直流电流5A，测取探针2和探针3之间的电位差并记录下来，多频涡流检测实验系统如图4所示，其中多频涡流检测的激励频率选用10kHz、30kHz、50kHz、80kHz、100kHz、150kHz，获取直流电位检测和多频涡流检测实验数据；

2)分析步骤1)中获取的直流电位检测实验数据，通过公式(1)计算得到处于不同应力水平的各个不锈钢标准拉伸试件的电导率，进而建立应力大小与材料电导率的对应关系，

式中：σ为不锈钢标准拉伸试件的电导率，I为加载直流电流值，s为测取电位差的两探针之间的距离，U为数据采集装置采集的两探针之间的电位差，w、d分别为不锈钢标准拉伸试件在电位差测量区域处的宽度和厚度；

3)步骤1)中获取的多频涡流检测实验数据与材料的电导率和磁导率都有关，其中电导率由步骤2)中给定的方法进行测量，磁导率基于多频涡流检测实验数据采用最速下降法反演得到，即对不同应力水平下不锈钢标准拉伸试件各个频率对应的磁导率进行反演计算，然后求取平均值作为最终该应力水平情况下不锈钢标准拉伸试件的磁导率，进而建立应力大小与材料磁导率的对应关系；

步骤2：明确不同尺寸应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布规律，具体步骤如下：

1)利用步骤1的步骤1)中获取的不同应力水平下不锈钢标准拉伸试件多频涡流检测数据，分析获得多个频率涡流检测阻抗与应力值的对应关系；

2)加工应力腐蚀裂纹不锈钢平板待测试件，几何尺寸为200mm×100mm×15mm，如图5所示，经测量得应力腐蚀裂纹长度为11.8mm、深度为4.6mm,测量应力腐蚀裂纹远场处的残余应力值，即在应力腐蚀裂纹四周位置选取一条将应力腐蚀裂纹包围在内的封闭曲线，在该封闭曲线上选取8个残余应力测试点(如图5所示)，且保证各残余应力测试点到应力腐蚀裂纹的最短距离相等，采用与步骤1的步骤1)中多频涡流检测相同的实验条件对每个残余应力测试点分别进行多频涡流检测，获取每个残余应力测试点在多个激励频率下的涡流检测实验数据，通过步骤2的步骤1)中获得的多个频率涡流检测实验数据与应力值的对应关系测取每个激励频率情况下各个残余应力测试点的残余应力值，然后求取各个激励频率情况测取的残余应力值的平均值，作为该残余应力测试点处的残余应力值；

3)利用有限元软件ANSYS，将步骤2的步骤2)中获得的8个残余应力测试点的残余应力值作为边界条件，建立不同长度、深度的应力腐蚀裂纹数值计算模型，计算获取不同尺寸应力腐蚀裂纹附近的残余应力分布，进一步分析获得应力腐蚀裂纹尺寸与残余应力分布之间的函数关系；

步骤3：考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹涡流定量无损评价方法，具体步骤如下：

1)对步骤2的步骤2)中加工的应力腐蚀裂纹不锈钢平板待测试件进行多频涡流扫描检测实验，获取应力腐蚀裂纹及其周围区域的多频涡流检测实验数据；

2)给定应力腐蚀裂纹初始长度为9.8mm、深度为3.5mm，通过步骤2的步骤3)中获得的应力腐蚀裂纹尺寸与残余应力分布之间的函数关系求取该给定裂纹尺寸情况下应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布，然后利用步骤1的步骤2)中获得的应力大小与材料电导率的对应关系和步骤1的步骤3)中获得的应力大小与材料磁导率的对应关系，确定应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布对应的材料电导率、磁导率的分布，考虑该材料电导率、磁导率分布，建立应力腐蚀裂纹数值计算模型，值得注意的是，网格划分时在应力腐蚀裂纹边界处选择了多介质单元，如图6所示，可以更准确的模拟应力腐蚀裂纹形状，利用电磁场A-φ方法，选取步骤3的步骤1)中多频涡流检测实验时的一个激励频率10kHz，通过公式(2)计算得到该激励频率的涡流检测信号ΔZ，

式中N为线圈匝数，对应导体区域由于裂纹所产生的扰动矢量，I₀为线圈匝数，ω为正弦激励信号的角频率；

3)对考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹涡流定量无损评价转化为优化问题，寻找特定的应力腐蚀裂纹尺寸参数向量c，使目标函数(3)取最小值，

式中M为检测点个数，c为应力腐蚀裂纹尺寸参数向量，Z_m(c)为对应于应力腐蚀裂纹尺寸参数向量c的计算信号，为步骤3的步骤1)中检测实验获取的涡流检测实验数据，为解决此优化问题，采用基于共轭梯度法对应力腐蚀裂纹尺寸进行重构，其迭代公式为c_k＝c_k-1+λ_kP_k，其中c_k、c_k-1分别为第k、k-1迭代步c的值，λ_k为第k步的迭代步长，P_k为第k步的搜索方向，利用这个迭代公式实现选定激励频率10kHz情况下应力腐蚀裂纹尺寸的重构；

4)重复步骤3的步骤2)和步骤3)，实现对步骤3的步骤1)中多频涡流检测实验时的其他激励频率30kHz、50kHz、80kHz、100kHz、150kHz情况下应力腐蚀裂纹尺寸的重构；

5)将步骤3的步骤3)和步骤4)中多个频率下重构获得的应力腐蚀裂纹尺寸求取平均值得应力腐蚀裂纹长度为11.6mm、深度为4.8mm，即获得了最终考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹尺寸定量无损评价结果。

Claims (4)

1.残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立应力与材料电导率、磁导率的对应关系，具体为：

1)设计加工多个不锈钢标准拉伸试件，对各个不锈钢标准拉伸试件施加不同的载荷使试件处于不同应力水平，利用涡流检测探头对处于不同应力水平的不锈钢标准拉伸试件进行直流电位检测和多频涡流检测，获取直流电位检测和多频涡流检测实验数据；

2)分析步骤1)中获取的直流电位检测实验数据，通过公式(1)计算得到处于不同应力水平的各个不锈钢标准拉伸试件的电导率，进而建立应力大小与材料电导率的对应关系，

式中：σ为不锈钢标准拉伸试件的电导率，I为加载直流电流值，s为测取电位差的两探针之间的距离，U为数据采集装置采集的两探针之间的电位差，w、d分别为不锈钢标准拉伸试件在电位差测量区域处的宽度和厚度；

3)步骤1)中获取的多频涡流检测实验数据与材料的电导率和磁导率都有关，其中电导率由步骤2)中给定的方法进行测量，磁导率基于多频涡流检测实验数据采用最速下降法反演得到，即对不同应力水平下不锈钢标准拉伸试件各个频率对应的磁导率进行反演计算，然后求取平均值作为最终该应力水平情况下不锈钢标准拉伸试件的磁导率，进而建立应力大小与材料磁导率的对应关系；

步骤2：明确不同尺寸应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布规律，具体步骤如下：

1)利用步骤1的步骤1)中获取的不同应力水平下不锈钢标准拉伸试件多频涡流检测数据，分析获得多个频率涡流检测阻抗与应力值的对应关系；

2)加工应力腐蚀裂纹不锈钢平板待测试件，测量应力腐蚀裂纹远场处的残余应力值，即在应力腐蚀裂纹四周位置选取一条将应力腐蚀裂纹包围在内的封闭曲线，在该封闭曲线上选取一系列残余应力测试点，且保证各残余应力测试点到应力腐蚀裂纹的最短距离相等，采用与步骤1的步骤1)中多频涡流检测相同的实验条件对每个残余应力测试点分别进行多频涡流检测，获取每个残余应力测试点在多个激励频率下的涡流检测实验数据，通过步骤2的步骤1)中获得的多个频率涡流检测实验数据与应力值的对应关系测取每个激励频率情况下各个残余应力测试点的残余应力值，然后求取各个激励频率情况测取的残余应力值的平均值，作为该残余应力测试点处的残余应力值；

3)利用有限元软件，将步骤2的步骤2)中获得的各残余应力测试点的残余应力值作为边界条件，建立不同长度、深度的应力腐蚀裂纹数值计算模型，计算获取不同尺寸应力腐蚀裂纹附近的残余应力分布，进一步分析获得应力腐蚀裂纹尺寸与残余应力分布之间的函数关系；

步骤3：考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹涡流定量无损评价方法，具体步骤如下：

1)对步骤2的步骤2)中加工的应力腐蚀裂纹不锈钢平板待测试件进行多频涡流扫描检测实验，获取应力腐蚀裂纹及其周围区域的多频涡流检测实验数据；

2)给定应力腐蚀裂纹尺寸，通过步骤2的步骤3)中获得的应力腐蚀裂纹尺寸与残余应力分布之间的函数关系求取该给定裂纹尺寸情况下应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布，然后利用步骤1的步骤2)中获得的应力大小与材料电导率的对应关系和步骤1的步骤3)中获得的应力大小与材料磁导率的对应关系，确定应力腐蚀裂纹附近残余应力的分布对应的材料电导率、磁导率的分布，考虑该材料电导率、磁导率分布，建立应力腐蚀裂纹数值计算模型，利用电磁场A-φ方法，选取步骤3的步骤1)中多频涡流检测实验时的一个激励频率，通过公式(2)计算得到该激励频率的涡流检测信号ΔZ，

式中N为线圈匝数，对应导体区域由于裂纹所产生的扰动矢量，I₀为线圈匝数，ω为正弦激励信号的角频率；

3)对考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹涡流定量无损评价转化为优化问题，寻找特定的应力腐蚀裂纹尺寸参数向量c，使目标函数(3)取最小值，

式中M为检测点个数，c为应力腐蚀裂纹尺寸参数向量，Z_m(c)为对应于应力腐蚀裂纹尺寸参数向量c的计算信号，为步骤3的步骤1)中检测实验获取的涡流检测实验数据，为解决此优化问题，采用基于共轭梯度法对应力腐蚀裂纹尺寸进行重构，其迭代公式为c_k＝c_k-1+λ_kP_k，其中c_k、c_k-1分别为第k、k-1迭代步c的值，λ_k为第k步的迭代步长，P_k为第k步的搜索方向，利用这个迭代公式实现选定激励频率情况下应力腐蚀裂纹尺寸的重构；

4)重复步骤3的步骤2)和步骤3)，实现对步骤3的步骤1)中多频涡流检测实验时的其他激励频率情况下应力腐蚀裂纹尺寸的重构；

5)将步骤3的步骤3)和步骤4)中多个频率下重构获得的应力腐蚀裂纹尺寸求取平均值，即为最终考虑残余应力影响的应力腐蚀裂纹尺寸定量无损评价结果。

2.根据权利要求1所述的残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法，其特征在于：步骤2的步骤2)中选取的包括应力腐蚀裂纹的封闭曲线形状与实际应力腐蚀裂纹尺寸、形状有关，封闭曲线上各点到应力腐蚀裂纹处最近的距离相等，在封闭曲线上选取残余应力测试点的个数与所选取的封闭曲线和应力腐蚀裂纹的距离有关，同时也与封闭曲线的周长有关。

3.根据权利要求1所述的残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法，其特征在于：步骤3的步骤2)中建立应力腐蚀裂纹数值计算模型时，采用多介质单元对边界轮廓进行描述与定义，能够更加准确的模拟应力腐蚀裂纹复杂的边界轮廓。

4.根据权利要求1所述的残余应力作用下的应力腐蚀裂纹多频涡流定量评价方法，其特征在于：步骤3的步骤3)中需要重构的应力腐蚀裂纹尺寸包括裂纹长度和深度。