压力容器用钢氢致开裂的声发射试验研究.pdf
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1、压力容器用钢氢致开裂的声发射试验研究 李丽菲 , 张万岭 , 沈功田 , 李小亭 ( 1 河北 大学 质 量技术 监督 学 院, 河北 保 定0 7 1 0 0 2 ; 2 中国特种设 备 检测研 究 院, 北 京 1 0 0 0 1 3 ) 摘要: 氢致开裂是在役压力容器一种常见的失效形式。声发射技术是监测动态破坏过程 的有效手 段。为了研究压力容器用钢氢致开裂过程 的声发射特征, 对 电解充氢过 程中的 2 0 R钢进行 了监 测。试验结果表明, 碳钢表面电解充氢并腐蚀的过程和 内部氢致裂纹的产生均会对材料 的声发射 活动产生影响。氢致裂纹的发展过程可分为孕育期和扩展期两个阶段, 随着裂纹
2、的生长, 高幅声发 射信号的数量明显增多。试验结果为压力容器现场检验提供 了参考。 关键词: 氢致开裂; 声发射 ; 碳钢 ; 压力容器 中图分类号 : T Q 0 5 1 3 ; T Gt 1 5 2 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 1- 4 8 3 7 ( 2 0 0 9 ) O 6 0 0 0 5一 o 4 d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 0 9 0 6 0 0 2 De t e c t i o n o f Hy d r o g e n I n du c e d Cr a c k i n g f o r
3、 S t e e l Us e d i n Pr e s s ur e Ve s s e l b y Ac o u s t i c Emi s s i o n Te c h n i q ue LI Li f e i , ZHANG W a nl i n g , SHEN Go ngt i a n , LI Xi aot i n g ( 1 C o l l e g e o f Q u a l i t y E n g i n e e r i n g S u p e r v i s i o n ,H e b e i U n i v e r s i t y , B a o d i n g 0 7 1
4、0 0 2 , C h i n a , 2 C h i n a S p e - c i a l E q u i p me n t I n s p e c t i o n I n s t i t u t e , B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a ) Ab s t r a c t : H y d r o g e n I n d u c e d C r a c k i n g( H I C)i s o n e o f f a i l u r e t y p e s o f i ns e r v i c e c a r b o n s t e e l p r
5、e s s u r e v e s s e l s Ac o u s t i c e mi s s i o n i s a g o o d me t h o d t o mo n i t o r t h e d y n a mi c b r e a k p r o g r e s s I n o r d e r t o i n v e s t i - g a t e t he c ha r a c t e r i s t i c o f a c o us t i c e mi s s i o n s i g n a l s p r o d u c e d b y HI C o f c a r
6、b o n s t e e l u s e d i n p r e s s u r e v e s - s e l ,t h e h y d r o g e n c h a r g i n g p r o g r e s s o f 2 0R s t e e l wa s mo n i t o r e d us i n g a c o us t i c e mi s s i o n i n s t r u me n t T he r e s u l t s p r o v e d t h a t o b s e rva b l e a c o u s t i c a c t i v i t y
7、 i s a n e f f e c t o f h y dr o g e n c h a r g i n g,c o r r o s i o n a n d HI C p r o - d u c t i o n i n t h e s t e e l s a mp l e s Th e p r o c e s s o f HI C c a n be d i v i d e d i n t o t wo s t a g e s,g e s t a t i o n a nd e x t e n d i n g Th e a mo u n t o f h i g h a mp l i t u d
8、e AE s i g na l s we r e i nc r e a s e d o b v i o u s l y wi t h c r a c ki ng gro wt hTh i s s t u d y p r o v i d e s a r e f e r e n c e t o p r e s s u r e v e s s e l i n s p e c t i o n o n s i t e Ke y wo r d s: h y d r o g e n i n d u c e d c r a c ki n g; a c o u s t i c e mi s s i o n; c
9、 a r b o n s t e e l ; p r e s s u r e v e s s e l 压力容器是广泛应用于石油 、 化工 、 航空等工业 部 门的生产和人民生活 中的承压类特种设备 , 一旦 失效 , 将危及生命安全并造成重大经济损失 , 因此 , 基金项 目: 国家十一五科技支撑计划( 2 0 0 6 B A K 0 2 B 0 2 ) 必须进行有效 、 及时的检验 以确保其安全运行。氢 致开裂是在役压力容器一种常见 的失效形式 卜引。 自2 0世纪 7 0年代 D u n e g a n 开始将声发射技术应 5 C P V T 压力容器用钢氢致开裂 的声发射试验研究 V o
10、 1 2 6 N 0 6 2 0 0 9 用于压力容器至今 , 利用声发射技术对压力容器进 行检验近年来发展迅速 。但是作为监测动态破 坏过程的有效手段 , 声发射技术应用 于氢致开裂的 监测方面, 相关的研究很少。文献 9 在室温条件 下 , 对暴露于 0 1 MP a氢气中不同时间后的 9 K h F 、 4 3 4 0钢试样的应力拉伸过程进行声发射监测, 观测 到声发射脉冲计数率与裂纹生长速率成正比; 文献 1 0 将低合金高强度钢 的 A S T M标准三点弯 曲试 样电解充氢 , 记 录了试样在恒载荷拉伸时, 声发射事 件计数随时间和信号幅度的变化关系。文献 I 1 研究了在湿 H
11、, S环境 中 J I SG一3 1 1 5 S P V一5 0 Q 钢电化学渗氢时声发射信号的参数特征 , 推测声发 射源可能来 自F e S覆层的形成和破坏或者来 自H I C 的发生。为了获知压力容器用钢材料氢致开裂过程 中的声发射特性, 研究 了2 0 R钢在饱和硫化氢溶液 中电解充氢过程 中的声发射特征。 1 试验方法 1 1 试验 用材及试 样 在集输和炼油工业 中, 中低压的中小型容器常 采用 2 0 R钢制造 , 因此 , 本试验选用 2 0 R钢板进行 试验 , 其化学成分和力学性能见表 1 。2 0 R钢试样 板厚 1 2 m m, 其几何尺寸见图 1 。在试样下部打磨 出
12、直径 2 0 m m的区域作为电解充氢部位, 其余部分 用环氧树脂密封保护。 表 1 试 样的化学成分和力学性能 钢种 化学成分( ) 力学性能 C Mn s i S P O“ b 2 0 R ( M P a ) ( MP a ) ( ) 0 1 8 0 48 0 1 7 0 0 3 5 0 0 28 45 0 2 40 2 5 6 图 l 2 0 R钢试样 1 声发射传感器; 2 充氢部位 1 2试 验 设 备 试验装置如图 2所示 , 室温条件下 向蒸馏水 中 持续通入 H S气体一定时间后获得饱和硫化氢水 溶液。将试样置于盛有饱和硫化氢水溶液的玻璃方 缸内, 试样作阴极 , 铂电极作阳极
13、 , 利用稳恒电流源 对试样电解充氢。在整个试验过程 中, 用声发射仪 监测试样声发射活动的变化过程 。声发射仪采用德 国 V a l l e n公司的 A MS Y一5型全波形声发射仪 , 采 样频率 1 0 MH z , 监测门槛设 为 3 5 d B; 宽带传感器 1 0 0 9 0 0 k H z ; 前置放大器固定增益 4 0 d B, 带宽 9 0 k H z 1 MH z ; 电解电源为稳恒电流源 , 输出电流 0 1 0 0 mA。 图 2 声发射检测框图 1 H 2 S进气口; 2 声发射传感器 ; 3 稳恒电流源; 4 前置放大器 ; 5 声发射仪; 6 H 2 s 出气1
14、3; 7 铂电极; 8 试样 2 试 验结果及 分析 2 1 声发射监测结果 通电前 , 采集环境噪声 1 0 m i n 。获取的环境噪 声信号( 见图 3 ) , 幅度低于3 5 d B, 属于连续型信号 , 具有很宽的频带分布 , 在 7 0 9 0 0 k H z , 无 明显峰值 频率 。 电解充氢开始后 , 幅度为 3 5 4 5 d B的声发射 信号立即出现( 称之为模式 4) 。当试验进行了近4 0 o 宣 一 丑 O o llIIIjlJ 【- L 山jj lI d I 1l L 山 W 。 I 1 IIl - 时问 ( s ) ( a ) 环境噪声的典型波形图 第 2 6卷
15、第 6期 压 力 容 器 总第 1 9 9期 ( b ) 境 噪声 的典 型 频 谱 图 图 3 环境噪声的声发射波形 图和频谱 图 h 后 , 出现 了幅度较高 4 5 6 0 d B的信号 ( 称之为模 式 B) , 此模式持续了约 1 5 m i n后 , 信号又恢复到模 式 A, 直到约 3 h后 , 再次 出现了模式 B 。试验初期 声发射信号幅度 随时问的分布如图4所示 。 图4 试验初期声发射信 号幅度 一时间分 布 随着试验的进行 , 这两个模式 的分界越来越不 明显 , 4天后有大幅度的信号产生( 称之为模式 C ) , 其幅值高达 6 07 5 d B, 并持续了约 1 0
16、 m i n 。在试验 的最后阶段 , 几乎每隔 1 5 h左右就会出现 6 07 5 d B的高幅信号 。试验后期声发射信 号幅度随时问 的分布如图 5所示。 图 5 试验后期声发射信号幅度 一时间分布 整个试验 阶段的声发射信号从波形上看 , 既具 有一定的突发性 , 又具有一定的连续性 , 属于混合型 信号。A, B, C三种模式的声发射信号波形及对应 的频谱分别如图6 8所示。 根据频谱图 , 可知信号的峰值频率范围位 于 8 0 1 8 0 k Hz , 绝大部分 能量集 中在 5 04 0 0 k Hz内, 这与环境噪声 的频谱特征是明显不同的。 0 曼 堡 - o ( a ) 模
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- 压力容器 用钢氢致 开裂 声发 试验 研究
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