Page 47 - 《应用声学》2020年第3期
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第 39 卷 第 3 期 黄桥生等： P92 钢焊接接头蠕变损伤的非线性超声检测研究 367
系列优点 [13] 。在非线性理论研究方面 [14−15] ，国内
0 引言
外研究者对非线性声学所涉及的问题，如非线性弹
耐热铁素体、奥氏体和部分新材料已经在现有 性动力学及非线性波动方程进行了比较深入和系
统的研究。王学等 [16] 研究发现，IV 型断裂是接头
600 C 超超临界机组中得到大规模的应用 [1−2] ，其
◦
细晶粒 HAZ 萌生蠕变孔洞、晶界蠕变孔洞长大、聚
中 9% ∼ 12%Cr 马氏体钢所占比重越来越大。这些
用于电站燃煤锅炉的耐热钢材料长期在十分恶劣 集最后形成微裂纹。目前国内外的研究者较多地运
的环境介质中运行，材料微观组织与机械性能发生 用非线性超声技术表征金属构件疲劳、塑性损伤、
蠕变、高温热损伤等状态。然而，对于采用非线性超
劣化，机组频繁起停，也加剧材质劣化，产生蠕变损
声技术表征和评价 P92 钢焊接接头部位蠕变损伤
伤，在运行中发展成裂纹，从而导致金属部件的损伤
的研究报道还相对较少。由于 P92钢焊接接头在高
失效 [3] 。
对于蠕变损伤，文献 [4–9] 使用 CDM 方法对焊 温高压下存在IV型开裂行为，导致焊接接头的蠕变
件变形和失效进行了分析。Tu 等 [10] 使用本构方 寿命显著下降。因此开展 P92钢焊接接头蠕变损伤
的非线性超声检测研究，对保证我国超超临界发电
程模拟了服役材料的蠕变行为，研究了焊件损伤
机组的安全可靠运行具有重要的理论意义和应用
的发展，在此基础上提出了基于损伤的设计准则。
价值。
Becker 等 [11] 列出了大量的标准例子，包括单轴、双
轴和多轴应力状态下的蠕变损伤。李兆霞 [12] 研究
1 非线性超声平台的搭建
发现，T/P92 钢接头 IV 型蠕变断裂过程中，孔洞首
先在内部产生，最后才扩展到管道外表面，因此，用 本文使用 RAM-5000-SNAP 非线性检测系统
现场覆膜金相方法检测孔洞并不适用，需要开发新 测量材料非线性二次谐波参数。非线性检测系统
的检测方法。 包含脉冲发射器、匹配阻抗、衰减器、超声换能器
声波是一种以波动形式传播的机械振动。当声 以及示波器。其中脉冲发射器用于激发高能射频
波在固体介质中传播时，波动方程仅在一定条件下 (Radio frequency, RF) 脉冲群，同时要求加载在发
才被近似认为是线性的，而当线性化的条件不能满 射换能器上的输出电压不小于 450 V，输出功率不
足时，波动方程则被认为是非线性的。当一列具有 小于500 W。
足够强度的正弦波在固体介质中传播时，超声波会 试验前，在高能射频脉冲发射器的输出端口依
与固体介质发生非线性的相互作用并产生高频谐 次连接一个 50 Ω 的匹配阻抗、RA-6 大功率可调衰
波。通常把振动系统的最低固有频率称为基频或基 减器、两个 FDK5 双工器 (Stage 1 和 Stage 2) 以及
波，谐波是指频率等于基频整数(n)倍的正弦波。声 超声换能器 (5 MHz 发射探头)。其中，50 Ω 的匹配
波在介质中传播以及在发射和散射时，都具有非线 阻抗用于保证信号源内阻与所接传输线的特性阻
性效应，导致产生谐波。因此基频也称一次谐波，频 抗大小相等且相位相同。RA-6 型可调衰减器则用
率为基频2倍的正弦波称为二次谐波。 于承受输出功率的衰减，同时可以检验谐波的发生
同时，这些谐波信号与介质的微观组织结构密 是来源于声学样品而不是系统的射频门放大器 (对
切相关，例如材料的位错密度变化、位错与析出相 于声学系统来说，1 dB 基频波信号的衰减将导致
间的交互作用以及材料损伤过程中所形成的微孔 2 dB 二次谐波信号的衰减，二次谐波的振幅与基频
洞和微裂纹等结构特征都会引起非线性效应以及 波振幅的平方成正比)。FDK5 双工器具有一个截
谐波幅度的改变。因此，通过测量高频谐波的幅值 止点功能，即截断任何超过工作频率5 MHz以外的
或是用来表征非线性效应大小的非线性参数，即可 频率分量；同时，FDK5双工器还可以对门控放大器
以在一定程度上反映介质内部微观组织的变化状 所产生的谐波频率进行衰减。在脉冲发射器的接收
况。在金属的蠕变过程中，晶体的塑性滑动所形成 端口则连接 PAS-0.1-40 型前置放大器以及超声换
的孔洞实质上是组织中细微的不连续现象。超声检 能器(10 MHz接收探头)，以此来接收基本波信号和
测技术具有灵敏度高、穿透力强、指向性好、检测速 二次谐波信号。非线性超声系统的搭建及其模块示
度较快、成本较低、设备相对简单、对人体无害等一 意图如图1所示。
