奧氏體不銹鋼馬氏體含量的雜散磁場檢測與渦流檢測

李運濤,羅重春,高海濤,于明亮, 劉寶林,董 熙

(1.國家市場監管重點實驗室(無損檢測與評價) 中國特種設備檢測研究院,北京 100029;2.中國石油化工股份有限公司九江分公司, 九江 332004)

奧氏體不銹鋼材料具有良好的耐蝕性、耐熱性、耐低溫性、成形性和優異的可焊接性,是承壓特種設備常用的材料之一。奧氏體不銹鋼承壓設備(壓力容器、壓力管道)多用于低溫、高溫、腐蝕性、有毒介質的存儲和傳輸;一旦設備失效,介質泄漏,將造成嚴重經濟損失。

大量的失效案例分析結果表明,在役奧氏體不銹鋼承壓設備的材料失效模式主要是局部腐蝕,其中以孔蝕和應力腐蝕開裂最為常見[1]。經研究,奧氏體不銹鋼的孔蝕、應力腐蝕開裂、氫脆等類腐蝕通常與奧氏體不銹鋼材料中的馬氏體含量有關[2-6]。

奧氏體不銹鋼材料中的形變誘發馬氏體通常產生于加工制造環節。在設備制造過程中,冷加工作業(冷拉、冷軋、冷彎等)都可能產生形變誘發馬氏體;變形量越大,馬氏體含量通常越高[7-9]。奧氏體不銹鋼壓力容器的封頭和壓力管道的彎頭變形量大,是形變誘發馬氏體含量較高的區域,也是質量控制的關鍵部位。

奧氏體不銹鋼形變誘發馬氏體含量的檢測方法很多,傳統的X射線衍射測量法、磁平衡測量法、密度測量法、光學金相測量法等方法檢測表面制備和試樣制作時間長,不適用于現場測量。FerritScope測量法(磁感應法)是目前常用的馬氏體含量現場測量方法,但每次只能測量一個點,檢測效率低[10-13]。

目前,檢測效率高、適用于現場的馬氏體含量電磁檢測技術包括雜散磁場檢測技術和渦流檢測技術。雜散磁場檢測技術是利用磁測量儀器測量奧氏體不銹鋼材料的雜散磁場,其檢測原理為:由于奧氏體不銹鋼材料中的奧氏體是非鐵磁性相,形變誘發馬氏體是鐵磁相,馬氏體在環境磁場(包括地磁場)作用下會產生雜散磁場,故通過測量雜散磁場既可得出馬氏體含量[14-15]。渦流檢測技術是利用電磁感應原理進行檢測的具體為:當材料中的形變誘發馬氏體含量增大時,材料的磁導率增大,導致電渦流傳遞給檢測線圈的阻抗信號發生變化,則通過檢測信號的阻抗響應即可測量馬氏體含量[16]。兩種檢測技術具有對工件表面要求低、無需接觸工件表面、無需耦合劑、檢測速度快等優點,都是適用于現場馬氏體含量檢測的電磁檢測方法。然而,兩種檢測方法的現場檢測應用效果和檢測能力差異鮮有報道。

采用雜散磁場檢測技術和渦流檢測技術對奧氏體不銹鋼馬氏體含量進行檢測,對比其信號響應和現場檢測效果,旨在為馬氏體含量檢測技術的選擇提供一些技術支撐。

1 檢測試驗

為了比較兩種檢測技術的馬氏體含量檢測能力,采用雜散磁場檢測儀器和渦流檢測儀器,制備了鐵素體含量系列標準試塊、相同材料不同馬氏體含量的試件和相同工件不同部位馬氏體含量不同的工件,通過比較雜散磁場檢測技術和渦流檢測技術對馬氏體含量的信號響應情況,評價兩種技術的馬氏體含量檢測能力。

1.1 檢測儀器

采集雜散磁場信號的檢測儀器為俄羅斯動力診斷公司的TSC-2M-8型應力集中磁測儀,輔助探頭包括4M型筆式探頭。磁場強度使用A·m-1為單位,采用長度計數器換算出長度,以mm為單位。檢測儀量程為±2 000 A·m-1,最大通道數量為8個,最小測量步長(間距為)1 mm。探頭分為筆式探頭和車式掃查裝置;筆式探頭共有2個傳感器,每個傳感器能同時測量2個磁場分量:x分量(切向分量,與探頭移動方向相同)和y分量(法向分量,與檢測面法向方向相同)?，F場檢測時,采用1-8M型車式掃查裝置;該掃查裝置具有編碼器,能夠保存檢測數據的位置信息;同時其具有4個傳感器,每個傳感器能同時測量2個磁場分量(與4M探頭傳感器相同);通常采用3個傳感器采集工件的雜散磁場,1個傳感器固定在桿上用于采集環境磁場(其與另3個傳感器采集的磁場相反)。雜散磁場檢測儀器實物如圖1所示。

圖1 雜散磁場檢測儀器實物

采用奧林巴斯OmniScan MX ECA/ECT(ECA4-32)型便攜式渦流檢測儀采集渦流信號,渦流模塊的最大通道數為4個。實驗室采集數據所用探頭為筆式探頭,部件編號為№9213014,探頭頻率為500 kHz～1 MHz,工作模式為橋式,信號顯示模式為絕對式?，F場試檢測采集數據的探頭為渦流陣列探頭,型號為SBB-051-150-032,具有32個工作模式為絕對橋式的檢測陣列單元,掃查覆蓋范圍為51 mm,頻率為45 kHz～500 kHz,探頭分辨率為1.6 mm;該設備搭載有編碼器,可以保存檢測數據的位置信息。渦流檢測儀器及探頭實物如圖2所示。

圖2 渦流檢測儀器及探頭實物

采用德國Feritscope公司生產的FMP30型鐵素體含量檢測儀測量馬氏體含量,其測量范圍為0.1～80%Fe。由于鐵素體和形變誘發馬氏體都是鐵磁相,工程上通常采用鐵素體含量檢測儀確定馬氏體含量。鐵素體含量檢測儀實物如圖3所示。

圖3 鐵素體含量檢測儀實物

1.2 試驗材料制備

試驗材料包括鐵素體含量系列標準試塊、馬氏體含量系列試樣和在役管道彎頭3種。

鐵素體含量系列標準試塊上的鐵素體含量數值都是經過校準的,鐵素體含量數值較為準確。通常根據測量范圍配置不同的鐵素體含量試塊。標準試塊的型號分別為“%Fe-WRC 0.3/80”系列和“%Fe-WRC 1.5/30”系列;“%Fe-WRC 0.3/80”系列標準試塊(以下簡稱“FA1系列試塊”)共有5個,鐵素體含量分別為0.43%,11.0%,35.5%,52.1%和100%;“%Fe-WRC 1.5/30”系列標準試塊(以下簡稱“FA2系列試塊”)共有4個,鐵素體含量分別為2.79%,10.3%,32.8%,100%。鐵素體含量系列試塊用于評價兩種檢測技術對于不同材料馬氏體含量的信號響應能力。鐵素體含量系列標準試塊實物如圖4所示。

圖4 鐵素體含量系列標準試塊實物

馬氏體含量系列試樣是在常溫下通過材料試驗機拉伸304奧氏體不銹鋼拉伸試樣得到的。試樣的總長度為300 mm,中間受力均勻區長度為150 mm,試樣寬度為15 mm,厚度為8 mm。對同一批材料的9根拉伸試樣通過控制其拉伸變形量,得到不同含量的形變誘發馬氏體。首先采用鐵素體含量檢測儀測定拉伸前工件中心點的鐵素體含量數值M0;拉伸后,再測量工件中心相同位置的鐵素體含量M’,將拉伸前后的測量數值相減,便可得到系列試樣的馬氏體含量,分別為0%,0.6%,1.23%,2.40%,3.80%,4.77%,6.07%,7.60%和9.57%。馬氏體含量系列試樣用于評價同一種材料不同馬氏體含量的檢測能力,其實物如圖5所示。

圖5 馬氏體含量系列試樣實物

從垂直到水平的過渡在役管道彎頭直徑為350 mm,壁厚為35 mm,管道材料為TP321,工作溫度為271 ℃,其實物如圖6所示。

圖6 某在役管道彎頭實物

1.3 實驗室檢測對比試驗

1.3.1 不同馬氏體含量信號響應對比試驗

鐵素體含量系列標準試塊的雜散磁場測量過程為:將標準試塊水平放置在試驗臺中間,遠離鐵磁性材料,金屬面朝上。采用地磁場垂直分量(約-40 A·m-1)對應力集中磁測儀進行校準后, 4M探頭垂直放置在標準試塊金屬面的中央位置,x分量朝向東,y方向朝下。采用timer(時間編碼器)方式采集數據,在同一個位置采集超過300個數據,獲得該點的雜散磁場平均值。按馬氏體含量從小到大的順序,對鐵素體標定試塊依次采集數據,對采集的數據進行分析,并制作鐵素體含量與雜散磁場各分量的相關曲線。

1.3.2 磁各向異性檢測試驗

選取FA1系列試塊中的基體標準試塊和FA2系列試塊中鐵素體含量為2.79%,10.3%,32.8%的試塊進行試驗。將標準試塊水平放置在試驗臺中間,遠離鐵磁性材料,金屬面朝上,并在標準試塊的正東側做一個標記;4M探頭的x分量朝東,y方向朝下,采集超過300個數據,然后將標準試塊逆時針旋轉90°,使標記指向北,探頭保持不動,再采集300多個數據;然后再將標準試塊旋轉90°,使標記指向西,探頭保持不動,再采集300多個數據。最后,將標準試塊旋轉90°,使標記指向南,探頭始終不動,再采集300多個數據。

1.3.3 同種材料不同馬氏體含量檢測試驗

馬氏體含量系列試樣的雜散磁場測量過程為:工件南北水平放置,x分量朝向北,y方向朝下。其他情況與鐵素體含量系列標準試塊的測量情況相同。

鐵素體含量系列標準試塊的渦流檢測參數為:檢測頻率為500 kHz;探頭驅動電壓為1.0 V;增益為44 dB;旋轉角度為263°;垂直增益為0 dB。將探頭在空氣中平衡,然后將探頭從空中垂直放置到鐵素體含量系列標準試塊金屬側中心點的位置,再迅速提離,得到一個半“8”字的阻抗信號和對應的帶狀圖。

馬氏體含量系列試樣的渦流檢測參數為:檢測頻率為500 kHz;探頭驅動電壓為1.0 V;增益為54 dB;旋轉角度為254°;垂直增益為0 dB。將探頭在空氣中平衡,然后將探頭從空中垂直放置到馬氏體含量系列試樣的中心位置,再迅速提離,得到一個半“8”字的阻抗信號和對應的帶狀圖。

1.3.4 現場管道彎頭的檢測試驗

為了比較兩種檢測技術的現場檢測能力,在某石化企業開展了壓力管道彎頭的馬氏體含量檢測對比試驗。采集數據的儀器主機不變,探頭選擇了適應于現場的帶編碼器探頭。雜散磁場的采集使用1-8M型車式掃查裝置,步進為1 mm;渦流檢測的數據采集采用SBB-051-150-032型探頭,其頻率為45.2 kHz,探頭驅動電壓為2.0 V,增益為60.0 dB,旋轉角度為192°,垂直增益為0 dB。

對于管道彎頭來說,背側是拉應力變形最大的部位,也是形變誘發馬氏體含量最大的部位,因此筆者對該部位進行檢測,該區域介于兩個環焊縫之間,彎頭的掃查位置如圖7所示。

圖7 彎頭的掃查位置示意

采集雜散磁場數據時,將掃查器的第2個傳感器(中間傳感器)對準掃查路徑,從上到下進行掃查,直至水平環焊縫。渦流檢測時,將渦流陣列探頭的中間陣列元對準掃查路徑,從上到下進行掃查,直至水平環焊縫。采用鐵素體儀器沿著采集路徑每隔一段距離測量一次馬氏體含量,并與雜散磁場信號或渦流檢測信號進行對應。

2 結果與討論

2.1 鐵素體含量信號響應對比試驗

FA1,FA2系列試塊的雜散磁場測量結果如圖8,9所示,圖中曲線的每個臺階段都對應一個具有一定鐵素體含量的試塊,上曲線表示雜散磁場的x分量(Hx),下曲線表示雜散磁場的y分量(Hy)。

圖8 FA1系列試塊的雜散磁場測量結果

圖9 FA2系列試塊的雜散磁場測量結果

從圖8,9可以看出,隨著鐵素體含量的增加,雜散磁場的x分量和y分量的響應存在差別,但都不是單調變化的,因此采用雜散磁場的x分量或y分量的數值直接表征鐵素體含量是不準確的。

FA1,FA2系列試塊的渦流檢測結果如圖10,11所示,圖中數值為鐵素體含量的百分數,圖左側顯示的是阻抗圖,右側顯示的是阻抗信號幅值垂直分量的帶狀圖。

圖10 FA1系列試塊的渦流檢測結果

圖11 FA2系列試塊的渦流檢測結果

從圖10,11可以看出,隨著鐵素體含量的增加,渦流信號的阻抗幅值變大,阻抗相位整體是增大的,但個別阻抗相位會發生變化(如圖10中含量11.0%的阻抗相位略大于35.5%的阻抗相位,但阻抗幅值的垂直分量隨著鐵素體含量的增加單調增加)。

因此,通過鐵素體含量系列標準試塊的檢測結果可以看出,對于馬氏體含量檢測,渦流檢測技術的線性對應關系要優于雜散磁場檢測技術的。

2.2 磁各向異性研究

幾個鐵素體含量標準試塊的不同方位雜散磁場曲線如圖12,13所示。

圖12 FA2系列標準試塊的不同方位雜散磁場曲線

圖13 兩個基材標準試塊的不同方位雜散磁場曲線

從圖12,13可以看出,隨著標準試塊的旋轉,雜散磁場的數值發生變化,x分量變化幅度較大,y分量變化幅度較小。

為了了解鐵素體含量系列標準試塊不同方位的雜散磁場數值差異,筆者列出了不同方位的鐵素體含量系列標準試塊的雜散磁場分量,其結果如表1所示,表中,Hx為雜散磁場的切向分量,Hy為雜散磁場的法向分量。鐵素體含量系列標準試塊的不同方位雜散磁場分量的變化情況如圖14所示。

表1 鐵素體含量系列標準試塊的各方位雜散磁場測量結果 A·m-1

由表1和圖14可知,對于旋轉到不同方位的鐵素體含量系列標準試塊,所測量的雜散磁場Hx分量變化較大,最大差值為44.73 A·m-1;雜散磁場Hy分量變化較小。

圖14 鐵素體含量系列標準試塊的不同方位雜散磁場分量

由于探頭沒有動,因此環境磁場的影響不大,儀器測量的數值與工件的雜散磁場有關。隨著圓形標準試塊的旋轉,雜散磁場發生變化,說明標準試塊具有磁各向異性。這種各向異性對于雜散磁場測量技術的影響很大,會導致雜散磁場測量準確度下降。

而對于渦流檢測技術,檢測線圈是水平放置的扁平線圈,在工件表面的感應電場也是圓形的,因此,無論如何旋轉標準試塊,感應渦流路徑始終保持不變。因此,只要測量點不發生變化,渦流阻抗響應都是一樣的,標準試塊的各向異性對于渦流檢測的影響很小。

2.3 同種材料不同馬氏體含量的檢測信號比較

馬氏體含量系列試樣的雜散磁場和渦流檢測信號如圖15,16所示。

圖15 馬氏體含量系列試樣的渦流檢測信號

從圖15可以看出,隨著馬氏體含量增加,雜散磁場信號的x分量整體呈現增加趨勢,但個別試樣的響應難以區分(如馬氏體含量0.60%和1.23%,2.40%和3.80%);y分量整體呈現增加趨勢,但局部出現波動,如0.6%和4.77%處。

從圖16可以看出,隨著馬氏體含量的增加,渦流信號的阻抗幅值整體呈現增加趨勢,但個別出現波動;阻抗相位呈現增加趨勢;阻抗幅值的垂直分量(帶狀圖)呈現單調遞增趨勢。

圖16 馬氏體含量系列試樣的渦流檢測信號

由于304奧氏體不銹鋼是亞穩態,304不銹鋼工件在常溫下的拉伸變形過程中,會產生馬氏體,變形量越大,馬氏體含量越高。由于馬氏體是鐵磁相,具有磁疇結構,形變誘發馬氏體在拉應力的作用下,又會發生磁疇壁的不可逆移動;當拉力載荷去除后,工件的磁疇壁無法恢復,產生了一定的磁性。由于工件產生了一定的磁各向異性,工件同一位置兩面的雜散磁場也會不同。這種檢測面不同導致雜散磁場測量質的不同,也會影響雜散磁場的檢測精度。

對于渦流檢測技術,工件正反兩面的受力相同,變形量差別很小,因此產生的馬氏體含量也相近,因此,兩面檢測時的渦流阻抗響應差別不大。

這種檢測面不同導致的磁各向異性(簡稱磁各面異性)會影響雜散磁場技術的馬氏體含量測量,而對渦流檢測技術的影響不大。

2.4 現場管道彎頭的檢測試驗

某管道彎頭背彎側采集路徑上渦流檢測帶狀圖、測量磁場的切向分量(x分量)曲線和雜散磁場的法向分量(y分量)曲線如圖17所示,圖中Hx2為掃查路徑處工件自有漏磁場的切向分量;Hy2為掃查路徑處工件自有漏磁場的法向分量;Hx4為掃查路徑處工件上方環境磁場的切向分量;Hy4為掃查路徑處工件上方環境磁場的法向分量。

由圖17可見,渦流檢測的曲線上,馬氏體含量較高的地方,渦流信號的電壓就高,渦流信號與馬氏體含量具有良好的對應性。而雜散磁場曲線的切向分量(Hx2)和雜散磁場的法向分量(Hy2)曲線信號變化情況與馬氏體含量變化規律不一致,表明雜散磁場與馬氏體含量的對應性很差。

圖17 管道彎頭的渦流檢測帶狀圖和雜散磁場曲線

可見,渦流檢測技術受環境磁場干擾的影響非常小,渦流的阻抗響應主要與彎頭材料的電磁特性相關,其能夠很好地反映材料的馬氏體含量。

對于雜散磁場檢測技術,所測信號包括測量點處的目標雜散磁場信號、在該點的環境磁場(包括地磁場)的信號以及工件上測量點臨近區域產生的雜散磁場信號(簡稱鄰域信號),導致采集的干擾信號太多,影響目標雜散磁場與馬氏體含量的單調對應性。

管道彎頭路徑上的環境磁場曲線如圖18所示。由圖18可以看出,管道彎頭掃查路徑的環境磁場切向分量變化很大,最大值為21.5 A·m-1,最小值為-59.88 A·m-1,二者差值達到81.38 A·m-1,影響了馬氏體含量的測量,但環境磁場法向變化幅度較小。

圖18 管道彎頭路徑上的環境磁場曲線

由圖17可以看出,由于工件本身的雜散磁場(Hx2和Hy2)很強,環境磁場(Hx4和Hy4)的影響則相對較弱。如果工件的雜散磁場很弱,環境磁場的影響將相對很大,會影響雜散磁場檢測技術對馬氏體含量的測量效果,但環境磁場對于渦流檢測技術的影響不大。

3 結語

(1) 奧氏體不銹鋼工件具有磁各向異性,導致雜散磁場檢測技術與其中馬氏體含量的單調對應關系差,但對渦流檢測技術影響較小。

(2) 環境磁場對馬氏體含量的雜散磁場檢測有影響,對渦流檢測技術的影響較小。

(3) 對于奧氏體不銹鋼馬氏體含量的現場測量,渦流檢測技術在一定程度上優于雜散磁場檢測技術。