CN112903827A - 一种热疲劳裂纹模拟试块的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种热疲劳裂纹模拟试块制备方法，属于无损检测试块制备技术领域。首先在试块的中部加工贯通的管孔，在试块一面的管孔周围加工若干裂纹诱导尖；然后通过反复快速加热至高温后急速冷却，使试块上产生热疲劳裂纹；最后对管孔进行扩孔，去除裂纹诱导尖，对试块的检测面进行打磨，直至粗糙度与被检工件一致，完成热疲劳裂纹模拟试块的制备。采用本方法制备得到的热疲劳裂纹模拟试块，可用于验证和评价检测系统和检测工艺，提高检测系统对热疲劳裂纹或其它具有热疲劳裂纹特征缺陷的识别、定位和定量能力，发现高温蒸汽母管危害性缺陷，确保电站机组的安全运行。
Description
技术领域
本发明属于无损检测试块制备技术领域，涉及一种热疲劳裂纹模拟试块的制备方法。
背景技术
随着国内外火电机组温度、压力参数的不断增加、在役机组服役时间的增长以及机组的深度调峰，近年来，火电机组多次出现因高温蒸汽管道取样管孔和减温器附近热疲劳裂纹引起的蒸汽母管泄漏事故。高温蒸汽管道取样管孔和减温器附近热疲劳裂纹以两种形态存在：管道内壁热疲劳龟裂裂纹和管道内壁疏水管孔四周径向辐射状热疲劳裂纹，有时两种裂纹形态会同时存在。热疲劳裂纹的发展具有疲劳裂纹的一般特征，疲劳断裂有一个时间过程，含裂纹的萌生、裂纹的扩展和最终的瞬时断裂三个阶段。典型的断口都是由这三个部分组成的，其具有典型的贝壳状或者海滩状条纹。在这三个阶段内，载荷经历了一定的循环周次。需要指出的是，疲劳的最终断裂是瞬时的，它的危害性极大。热疲劳裂纹一般在内壁萌生，逐渐发展至外壁形成贯穿裂纹，引起蒸汽母管泄漏。因此，在裂纹萌、扩展阶段对其进行无损检测对设备的安全尤为重要。
但是，管道内壁管孔四周径向热疲劳裂纹存在于管座角焊缝下部，裂纹分布于管道内壁管孔四周、垂直于管孔内壁成径向分布，所在位置结构较为复杂，传统检测方法不易发现，虽然相控阵检测具有很大优势，但不同方向、位置的裂纹与结构信号辨识较为困难，并且定量不准。然而，在热疲劳裂纹模拟试块上进行超声检测或者相控阵检测工艺验证进而改进检测工艺，是提高检测能力，解决缺陷识别、定位和定量问题的一种有效途径。热疲劳裂纹模拟试块可以从以往检测中所发现含有自然缺陷的样件中获取，但该方法的随机性较大，不能批量制作，且不同检测位置获得的样件差异性过大，不具备对比性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，可用于验证和评价检测系统和检测工艺，提高检测系统对热疲劳裂纹或其它具有热疲劳裂纹特征缺陷的识别、定位和定量能力，发现高温蒸汽母管危害性缺陷，确保电站机组的安全运行。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在试块的中部加工贯通的管孔，在试块一面的管孔周围加工若干裂纹诱导尖；
步骤2：将试块加热至1000±50℃后保温；
步骤3：将试块放入5～35℃的冷却介质中冷却10～20min；
步骤4：将试块取出后在空气中自然干燥；
步骤5：重复步骤2～步骤4，直至试块表面出现目视可辨裂纹；对管孔进行扩孔，去除裂纹诱导尖，对试块的检测面进行打磨，直至粗糙度与被检工件一致，完成热疲劳裂纹模拟试块的制备。
优选地，试块的材质与被检工件相同，被检工件的曲率半径为试块曲率半径的0.9～1.5倍。
优选地，试块为长方体，试块的4个顶角处均设有连接孔，试块上的连接孔通过连接件固定在底座上，试块与底座之间设有隔热层。
优选地，步骤1中，裂纹诱导尖均布在管孔周围，裂纹诱导尖的数量为8～16个。
优选地，步骤1中，裂纹诱导尖的角度为10°～30°，裂纹诱导尖的长度为管孔直径的0.1～0.15倍，裂纹诱导尖的深度为试块厚度的0.025倍，且不大于1mm。
优选地，步骤2中，加热采用柔性陶瓷电阻履带片状加热器。
优选地，步骤2中，保温的时间为20～30min。
优选地，步骤3的冷却是在冷却槽中进行的，冷却槽中的冷却介质为水，冷却槽的最大浸入深度为400mm。
进一步优选地，冷却槽中的冷却介质为循环流动的，冷却介质的出水温升不大于20℃。
优选地，步骤4中，空气中自然干燥的时间不小于5min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，通过反复快速加热至高温后急速冷却，产生的裂纹具备热疲劳裂纹典型特征，可以用来验证超声检测和超声相控阵检测对检测对象的覆盖情况，有助于验证超声检测和超声相控阵检测工艺，保证热疲劳裂纹有效检出。由于疲劳源易产生的部位一般有部件截面发生突变的部位，材料表面或者内部存在夹杂物，表面处理缺陷处等因素，因此人工加工的裂纹诱导尖能够加速热疲劳裂纹的产生速度，减小人力物力成本，缩短制备周期。热疲劳裂纹产生后对管孔进行扩孔，去除裂纹诱导尖，避免检测时产生干扰。采用本方法制备得到的热疲劳裂纹模拟试块，可用于验证和评价检测系统和检测工艺，提高检测系统对热疲劳裂纹或其它具有热疲劳裂纹特征缺陷的识别、定位和定量能力，发现高温蒸汽母管危害性缺陷，确保电站机组的安全运行。
进一步地，试块的材质与被检工件相同，试块的曲率与被检工件的曲率相近，能够使检测系统更好地模拟备件工件，优化检测工艺。
进一步地，底座能够对试块起到刚性约束的作用，使试块在热循环时产生更大交变应力，隔热层能够保证在试块升温时使试验平台不随之升温。
进一步地，裂纹诱导尖均布在管孔周围，裂纹诱导尖的数量为8～16个，能够更快地产生热疲劳裂纹，缩短试验时间。确保产生的裂纹具备辐射状形态，贴近真实裂纹特征。
进一步地，加热采用柔性陶瓷电阻履带片状加热器，一方面能够加热至较高温度，另一方面当试块具有一定曲率时也能够较好地贴合，保证加热效果。
进一步地，保温的时间为20～30min，以保证试块整体达到设定温度。
进一步地，冷却在冷却槽中进行的，冷却槽的最大浸入深度为400mm，能够保证试块具有足够的进入深度，避免冷却介质过浅而造成温升过快，同时减少设备制造成本；冷却槽中的冷却介质为水，成本低廉、流动性好，冷却效果好。
更进一步地，冷却槽中的冷却介质为循环流动的，冷却介质的出水温升不大于20℃，能够保证良好地的冷却效果。
进一步地，空气中自然干燥的时间不小于5min，确保试块上的水及水蒸气蒸发完毕，以便进行下次加热。
附图说明
图1为本发明的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法流程图；
图2为本发明的试块的整体结构示意图；
图3为本发明实施例的试块的俯视示意图；
图4为图3的A-A视图；
图5为图3的B局部放大图。
图中，1-试块，2-连接孔，3-管孔，4-裂纹诱导尖。
具体实施方式
本发明的理论基础：
结构材料承受交变反复载荷，局部高应变区内的峰值应力超过材料的屈服强度，晶粒之间发生划移和错位，产生微裂纹并逐步扩展形成疲劳裂纹。包括交变工作载荷引起的疲劳裂纹，循环热应力引起的热疲劳裂纹，以及循环应力和腐蚀介质共同作用下产生的腐蚀疲劳裂纹。
热应力是因温度变化所引起的应力，热应力会导致材料开裂和塑性变形。首先考虑一根均质和各向同性的杆，它被均匀地加热或冷却，即在杆中不存在温度梯度。对于自由膨胀和收缩，杆是无应力的。但是，如果杆的轴向运动背刚性端支撑而受到约束，热应力就会产生。从T0温度变化到Tf温度产生的热应力
σ＝Eαl(T0-Tf)＝EαlΔT (2)
式中E是弹性模量，αl是线热胀系数。
在加热中(Tf＞T0)应力是压变力(σ＜0)，因为杆的膨胀受到约束。显然，如果杆在冷却过程中(Tf＜T0)，将产生拉应力(σ＞0)。在式(1)中应力在温度变化过程中均要求是弹性的压缩和伸长。
当一个固体被加热或者冷却时内部温度的不均匀分布取决于它的尺寸和形状、材料的热导率和温度变化的速度。热应力可以来自物体内的温度梯度。温度梯度的产生通常是快速的加热和冷却，在这种情况下，物体外部变化较内部更快，由此引起的尺寸变化的差异就会约束相邻区域的自由膨胀或收缩。例如在加热时，样品外部更热，因此它比内部膨胀更大，表面就产生压应力，并与内部拉(张)应力所平衡。反之，在快速冷却时，表面产生拉应力。由式(1)可知，弹性模量和线热胀系数较高的钢材更容易产生热疲劳裂纹。
试块1采用机械加工的方式制作。疲劳源易产生的部位一般有部件截面发生突变的部位，材料表面或者内部存在夹杂物，表面处理缺陷处等因素。故在管孔3周围人工加工裂纹诱导尖4，以期在此处更容易地产生裂纹
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1，本发明的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：如图2，在试块1的中部加工贯通的管孔3，在试块1一面的管孔3周围加工若干裂纹诱导尖4。试块1为长方体，试块1的4个顶角处均设有连接孔2，试块1上的连接孔2通过连接件固定在底座上；试块1与底座之间设有隔热层。底座是一块稍大于试块1的钢板，两端装有用于移动底座的把手。优选地，试块1的材质与被检工件相同，试块1的曲率与被检工件的曲率相等。
优选地，裂纹诱导尖4均布在管孔3周围，裂纹诱导尖4的数量为8～16个。裂纹诱导尖4的角度为10°～30°，裂纹诱导尖4的长度为管孔3直径的0.1～0.15倍，裂纹诱导尖4的深度为试块1厚度的0.025倍，且不大于1mm。
步骤2：将试块1加热至1000±50℃后保温。优选采用柔性陶瓷电阻履带片状加热器进行加热；保温的时间为20～30min。
步骤3：将试块1放入5～35℃的冷却介质中冷却10～20min。优选地，冷却是在冷却槽中进行的，冷却槽中的冷却介质为水，冷却槽的最大浸入深度为400mm；冷却槽中的冷却介质为循环流动的，冷却介质的出水温升不大于20℃。
冷却槽可以设计为两端分别连接有进水管和出水管，进水管和出水管的位置设计为低进高出，进水管和出水管连接至冷却介质源，在进水管和出水管上分别设有控制阀，冷却槽中设有若干温度传感器，控制阀和温度传感器均连接至控制系统，控制系统通过温度传感器实时监测冷却介质的温升，通过进水管和出水管上的控制阀控制冷却介质的温升，保证试块的冷却效果。
步骤4：将试块1取出后在空气中自然干燥。优选地，自然干燥的时间不小于5min。
步骤5：重复步骤2～步骤4，直至试块1表面出现目视可辨裂纹；对管孔3进行扩孔，去除裂纹诱导尖4，对试块1的检测面进行打磨，直至粗糙度与被检工件一致，完成热疲劳裂纹模拟试块的制备。
下面以一个具体实施例对本发明进行进一步的解释说明：
被检工件为660MW再热热段蒸汽管道，材质为SA335 P91，规格为Φ682×25mm，取样管规格为Φ46mm。
1)材料选择，模拟试块材料应尽可能与被检工件相同或声学性能相近，可选用SA335 P91或者10Cr9Mo1VNbN，材质均匀、无杂质、无影响用途的其它缺陷；
2)试块1加工，按图3上的尺寸加工试块1；试块1为300×300×20mm规格尺寸，连接孔直径为10mm，管孔直径为40mm，裂纹诱导尖的长度为3mm，角度为30°，深度为0.5mm；
3)热应力的产生及施加，将试块1用4个螺栓固定在底座上；
4)加热，先利用柔性陶瓷电阻履带片状加热器对试块1进行加热，当整个试块1温度达到1000℃后保温20min；
5)冷却，迅速将底座及试块1浸入(5～35)℃水槽内流动的水中进行水浴，最大浸入深度为400mm，调节水流使试验期间出水温升不大于20℃；
6)干燥，试块1在水槽中急剧冷却10min后立即取出，在空气中放置时间不小于5min；
7)试块1在空气中后观察是否有裂纹出现。如有裂纹，停止试验；如无裂纹，则重复步骤4)～6)的过程，直到出现目视可辨裂纹后停止试验；
8)机加工扩管孔3Φ40mm至Φ46mm，将试块1背面的氧化皮打磨干净直至露出金属光泽，粗糙度与被检工件一致，即可利用超声波检测仪或者相控阵检测仪进行热疲劳裂纹的验证。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在试块(1)的中部加工贯通的管孔(3)，在试块(1)一面的管孔(3)周围加工若干裂纹诱导尖(4)；
步骤2：将试块(1)加热至1000±50℃后保温；
步骤3：将试块(1)放入5～35℃的冷却介质中冷却10～20min；
步骤4：将试块(1)取出后在空气中自然干燥；
步骤5：重复步骤2～步骤4，直至试块(1)表面出现目视可辨裂纹；对管孔(3)进行扩孔，去除裂纹诱导尖(4)，对试块(1)的检测面进行打磨，直至粗糙度与被检工件一致，完成热疲劳裂纹模拟试块的制备。
2.根据权利要求1所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，试块(1)的材质与被检工件相同，被检工件的曲率半径为试块(1)曲率半径的0.9～1.5倍。
3.根据权利要求1所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，试块(1)为长方体，试块(1)的4个顶角处均设有连接孔(2)，试块(1)上的连接孔(2)通过连接件固定在底座上，试块(1)与底座之间设有隔热层。
4.根据权利要求1所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，步骤1中，裂纹诱导尖(4)均布在管孔(3)周围，裂纹诱导尖(4)的数量为8～16个。
5.根据权利要求1所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，步骤1中，裂纹诱导尖(4)的角度为10°～30°，裂纹诱导尖(4)的长度为管孔(3)直径的0.1～0.15倍，裂纹诱导尖(4)的深度为试块(1)厚度的0.025倍，且不大于1mm。
6.根据权利要求1所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，步骤2中，加热采用柔性陶瓷电阻履带片状加热器。
7.根据权利要求1所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，步骤2中，保温的时间为20～30min。
8.根据权利要求1所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，步骤3的冷却是在冷却槽中进行的，冷却槽中的冷却介质为水，冷却槽的最大浸入深度为400mm。
9.根据权利要求8所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，冷却槽中的冷却介质为循环流动的，冷却介质的出水温升不大于20℃。
10.根据权利要求1所述的热疲劳裂纹模拟试块的制备方法，其特征在于，步骤4中，空气中自然干燥的时间不小于5min。
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| CN115201339A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-10-18 | 河北铁达科技有限公司 | 检测装置、道岔轨底探伤设备以及方法 |
| CN119880663A (zh) * | 2025-01-16 | 2025-04-25 | 西安热工研究院有限公司 | 一种金属疲劳损伤的超声表征方法及装置 |
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