火力发电厂锅炉水冷壁管氢损伤超声检测工艺的研究及应用

　　1　水冷壁管氢损伤机理

　　水冷壁管氢损伤的机理是:当炉水发生局部浓缩时,垢下(或缝隙)的浓酸腐蚀掉管壁表面的保护膜后,与金属发生析氢反应,其中一部分氢扩散进入管壁中,与金属中的FeC3结合生成甲烷并发生脱碳现象,甲烷在晶界上积聚形成很高的内压力,从而产生晶间裂纹。随着腐蚀时间的延长,这些晶间裂纹逐渐连接而形成宏观裂纹,氢损伤区域沿壁厚方向由内向外不断扩展,最后在工作应力下发生脆性损坏。水冷壁管氢损伤的反应可用下式表示:

　　水冷壁管氢损伤的特征:产生氢损伤区域发生脆性开裂或整块裂开飞脱(形象的称为“开天窗”,图1),爆口边沿无明显塑性变形,发生氢损伤的区域材料机械性能显著下降。金相组织检验有晶间裂纹,珠光体与裂纹部位有明显脱碳现象(图2)。

　　2　水冷壁管氢损伤超声检测系统

　　水冷壁管氢损伤会使超声波在其中的传播特性发生显著变化:(1)氢损伤区域晶间裂纹的存在使得金属弹性模量减小,降低了在其间传播的超声横波和纵波的速度;(2)氢损伤区域晶间裂纹的存在使得金属的散射衰减量增加,降低了管子内表面的反射能量和反射回波次数;(3)氢损伤区域晶间裂纹的存在使得晶界成为声阻抗相差最大的异质(金属/气体)界面,同时由于晶界的取向各异,增加了超声波能量的散射,即背散射能量增加。

　　2.1　检测方法

　　由于氢损伤产生的晶间裂纹降低了超声波的传播速度,增加了传播过程中底面回波的衰减及背散射的增加,因此可以通过研究声速减小、底波衰减和背散射增加3个特征来确定水冷壁管是否存在氢损伤,即声速法、衰减法、背散射法。

　　(1)通过测定声速的变化可以检测是否产生了氢损伤,但用机械方法准确测定在役水冷壁管的壁厚进而求出超声波在材料中的声速极为困难,也不能得到水冷壁管产生氢损伤的厚度。

　　(2)超声波在氢损伤的金属中传播时,由于晶粒的散射衰减作用,从管子表面入射后,由于衰减大,观察到的底面反射波的高度要比完好部位降低。所以可以采用测定衰减值或衰减系数的方法来判断是否发生了氢损伤。但是,衰减要受到材料的性质、形状、内外表面的状态等多种因素的影响。

　　(3)背散射法(反射法或垂直探伤法)是采用超声波的纵波(或横波)探伤,广泛应用于部件制造缺陷的检测,还可检测在役水冷壁管是否发生氢损伤,且检测氢损伤时使用的探头频率和灵敏度都较高,在仪器上可同时观察到背散射回波和内表面回波。因此,可以测量出未发生氢损伤区域的厚度和氢损伤区域的大约厚度,并根据背散射回波幅度判断氢损伤的严重程度。同时背散射法不受管子内表面状态的影响,因此,用背散射法检测水冷壁管内部是否发生氢损伤是切实可行的。