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氢损伤超声检测（一）

来源： | 发布日期：2022-07-25

由于氢和结构钢的相互反应导致的损伤积累，是化工和石化工业中一个严峻的工程问题。Kawano 和Birrings[31]研究发现，氢蚀试样中的背散射超声波信号比无氢蚀材料增强十倍。Wang[32]尝试利用来自于Goebbels[33]的数学表达式，将背散射信号的时域分布和缺陷分布通过试样厚度联系起来，该方法已经被证明很适合于研究氢蚀问题。由于能在对材料内部界面、内表面和外表面是否平行及材料厚度等因素不完全明了的情况下进行检测，因此与脉冲回波法相比，背散射方法具有明显优势。

从ASTM A516 gr 60钢板上切割制备尺寸为20mmx36mmx100mm的试样，并根据NACE TM 0177标准对材料进行氢蚀处理，四个氢蚀试样的编号为H1一H4，另外制备了一个含氢量很低的参考试样R。首先对试样按照图7-8a所示方向进行超声检测，然后将试样沿该直线切割开，如图7-8b所示，在光学和扫描显微镜下对其中氢蚀损伤的微观组织进行观察。

图7-8 氢损伤超声检测

a）对试样沿直线进行超声波扫描 b）对试样沿扫描线切割开以备进行金相分析

采用宽带水浸非聚焦探头，其标称频率为5MHz,探头晶片直径为5mm，水程为40mm。对底面回波信号和背散射回波信号的采样频率分别为500MHz和100MHz。

对底面回波信号(见图7-9a)和背散射信号(见图7-9b)都进行了频谱分析，并对背散射信号进行了平滑处理。为了比较不同部位的功率谱，采用了二阶矩计算法，所谓二阶矩即频谱的“惯性中心”，其定义式如下所示：

1658746656574

式中，是谱的成分; 是频率；是最大频率。本实验中底面回波信号和背散射信号中心频率都是20MHz，以倒二阶矩的形式来表示。

图7-9 对底面回波信号和背散射信号进行处理，包括傅里叶变换和特征的提取

a）底面回波信号 b) 背散射信号

对氢蚀试样(H1~H4)进行金相分析表明，微裂纹通常伴随MnS夹杂物出现。表7-2是金相分析的统计结果。图7-10是H4试样经切割后在氢蚀部位分布的阶梯状裂纹的显微照片。观察发现，在未发生氢蚀的参考试样R中未找到裂纹，且每个氢蚀试样中裂纹数量与MnS夹杂物的几何形态有关。例如，试样H1和H2中裂纹数量较少，夹杂物为球形，而试样H3和H4中夹杂物为片状，裂纹数量较多(见表7-2)。尽管从图7-10中观察到了清晰的裂纹，但多数氢蚀似乎造成了金属与夹杂物的界面剥离，扫描电子显微镜下图像如图7-11所示。

图7-10 氢蚀试样H4氢蚀部位分布的阶梯状裂纹

试样	裂纹数量	平均直径/mm	标准偏差/mm	夹杂物类型	裂纹位置	观察的面积/mm²
H1	13	0.5	0.29	球状和片状	沿扫描线接近端点极限位置	3527
H2	0	—	—	球状	沿扫描线随机分布	3600
H3	30	0.44	0.35	片状	—	3591
H4	14	0.43	0.26	片状	沿扫描线随机分布	3490
R	0	—	—	片状	—	3500

表7-2 金相分析的主要结果

对底面回波进行超声波频谱分析发现，氢蚀材料使得声波产生了很大衰减，尤其是高频成分的衰减更为明显。图7-12是表面回波的频谱(该回波由试样表面返回，仅受系统影响)，以及参考试样R与氢蚀试样的底面回波频谱。与表面回波频谱相比，参考试样R和氢蚀试样的底面回波衰减强烈，主要集中在高于10MHz的频率区间，且氢蚀试样频谱中的高频成分衰减更为严重。