超声检测对储氢设备材料氢损伤实验评估

摘要：氢能被称作21世纪最具发展前景的能源，但是服役于氢环境中的临氢设备往往会形成不同程度的氢损伤。如何在临氢环境下对氢损伤进行有效评定便成为氢能源行业发展必不可少的一项重要研究。本文将回波中衰减系数与回波波速作为试样氢脆程度的无损评价依据，实现对服役设备材料氢脆程度的有效评估。

关键词：超声检测；氢脆；无损评价

氢引起材料力学性能的损伤会影响储氢设备安全使用。在保证设备完整无损的前提下探测临氢设备的安全性，成为保障临氢设备使用寿命的重要需求。无损检测是达成该目的的有效手段，选取无损检测的方式来评价材料中发生的氢损伤也成为研究人员的重要课题［1］。

超声波无损检测技术，因具有高频率、确定的方向性以及很好的穿透力而使其成为无损检测技术中较为可靠且发展较为成熟的检测技术手段；因其无害、安全、检测设备易于搭建且经济而被广泛应用于试验室无损检测试验中。

通过超声信号可以得到材料力学性能的变化，并与未受到氢影响的材料进行对比，从而判断材料受到氢损伤的程度。此外，超声波在被测试样表面会发生折射、反射和波形转换，可使测量方法更具多样化。

本文研究中选用的材料是抗氢脆性能较好的225Cr1Mo0.25V钢，通过研究充氢时间不同的情况下力学性能的改变及氢的扩散过程，进而对试样的氢损伤程度做出评价，这对于预防氢损伤带来的危害和设备平稳运行起着重要的作用［2］。

1无损超声检测理论

试验与模拟所用超声波均采用纵波，因此仅介绍超声波纵波的传播特性。当超声波纵波保持某个角度倾斜进入被测试样入射面时，会在异质界面处产生反射与折射纵波，同时该超声波也会发生波型转换，从而产生反射与折射横波［3］。

异质介质的声阻抗率均使用其介质自身密度ρ与纵波在其介质内传播速率c的乘积来表示，两种介质在界面相交处所产生的纵波和横波的反射波及折射波均满足如下所示的反射及折射定律：

cl1sinαl=cl2sinβl=cs1sinαs=cs2sinβs（1）

其中，c表示超声波在介质中的传播速度，下标l与s分别表示纵波与横波，下标数字分别代表第一与第二种介质。

当超声波纵波垂直入射到两种介质界面时，界面交接处会产生一个垂直界面的反射纵波，以及一个同入射波传播方向相同的透射纵波，此时异质界面交界处则不会发生波型转换。

反射纵波、入射纵波及透射纵波均处于同一直线上，当超声波纵波从声阻抗率较大介质向声阻抗率较小介质垂直入射时，在两介质界面处，声压反射率会变大而声压透射率会减小。当介质1所具有的声阻抗率远远大于介质2时，声压透射率将无限趋近于零，此时在该界面处超声波纵波入射后仅产生反射纵波，透射纵波已小到可忽略不计。所以在试验使用超声波纵波对试样进行无损检测时须在试样与发射超声波的探头之间添加耦合剂。若探头和试样之间没有添加耦合剂，粗糙的试样表面则会产生空气间隙，导致此时超声波纵波自探头高声阻抗率介质向空气这一极低声阻抗率介质传播，使得入射超声波纵波在该界面处仅产生反射纵波而无透射纵波，若无透射纵波则无超声波可进入需检测试样中，无法获得试验结果。

2超声纵波在介质中传播的衰减

超声波纵波在介质内传播时会产生声波能量逐渐减弱的现象，该现象主要是由超声波传播途中发生扩散、散射以及吸收造成［4］。其中由扩散造成的衰减主要是由超声波的形状（柱面波或球面波）所决定，而超声波传播的介质性质对其没有影响。因此氢脆造成试样性质改变无法通过扩散衰减表现；吸收造成超声波衰减主要是对于超声波传播介质为液态物质是占主要因素，而在固态介质中吸收所占影响小于散射所造成的衰减；散射对超声波的衰减主要是由于传播介质的不均匀性所造成的，声波会在声阻抗不同处发生所述的反射与折射。而介质中的晶界、密度变化、缺陷、材料弹模变化以及位错等均可引起试样声阻抗的改变，从而产生超声波的散射衰减。因此可通过超声波在介质中传播时发生散射所造成的超声波能量衰减、超声波信号幅值降低来判断金属材料的氢脆情况。

通常用超声波信号中的衰减系数来表征声波能量衰减，且不考虑声束扩散的影响，其声压衰减规律可由式（2）来表示：

p=p0e-αx（2）

式中，p0——起始声压；p——超声波在介质中传播的声压；x——超声波在介质中的传播距离；α——声衰减系数；e——自然数对数底数。

两次底面回波声压分别可表示为：

p1=p0e-2αd（3）

p2=p0e-4αd（4）

式中，d——超声波传播介质厚度。

将式（3）及式（4）分别取自然对数再相减得式（5）：

α=lnp1-lnp22d（5）

将式中α用分贝值表示，则可表示为式（6）：

α=12d20lgp1p2（6）

由于声压与声波峰值成正比，故计算金属的声衰减系数公式一般表示［56］为式（7）：

α=12d20lgH1H2（7）

根据式（7）即可计算超声波在试样中传播的衰减系数，通过计算对比氢脆前后的衰减系数，便可得到氢脆对材料的影响程度。

3超声波纵波检测2.25Cr1Mo0.25V钢介质试验

基于1节所述超声检测的理论及超声衰减的原理，本节将对2.25Cr1Mo0.25V钢实行超声波纵波垂直入射的无损检测超声无损检测试验中，超声波纵波由脉冲发射器激发，激发出的超声波纵波经过超声波探头后进入被测试样内部，由1节知为防止超声探头与粗糙的试样表面产生的空气间隙形成固气界面导致超声波全反射而无透射波进入被测试样，需在测试试样同超声探头之间添加耦合剂，使透射超声波进入被测试样中。本试验选取甘油做耦合剂，在试验过程中为减小试验误差，需将超声探头全程压紧在试样表面，脉冲发射接收器接收到试样底面超声波反射信号，随后在示波器中可显示出时域图形。探测结束后需清理探头及试样上的甘油，以防止试样仪器损坏。

选用被测试样为20mm×20mm×5mm的2.25Cr1Mo0.25V钢材料。探测前需将试样表面磨至镜面以防止试样表面过于粗糙而产生较多反射横波及折射横波，从而对试验结果产生影响。

处理过试样表面后，使试样在400mA的充氢电流下，在电解质溶液为0.2mol/LNaOH溶液中分别预充氢0h、12h、48h。

4超声波探测试验结果

通过超声波探测所得时域图如图1所示。

图1中第一个波峰为探测试样上表面回波，第一个波的衰减受试验中超声波探测试样表面的粗糙度以及耦合剂对超声波能量损耗的影响，不能反映出被测试样内部情况。从第二个波峰开始均为试样底面回波，而底面回波受被检测试样内部性质的影响，会产生散射衰减，可反映传播介质内部情况。因此，选取第一与第二底面回波作为试验分析数据。通过两底面回波的时间差可以计算得出充氢前后超声波在该试样中传播的波速变化，两底面回波的波峰值通过式（7）计算得出超声波在该试样中传播的衰减系数，对比分析试样充氢前后所得衰减系数。

随充氢时间增加，衰减系数呈逐渐增大趋势，48小时后衰减系数变化也趋于稳定，衰减系数变化幅度为20%，如图2所示。根据不同充氢时间下相应的超声波速的分布可知，超声波在充氢介质中波速呈逐渐下降的趋势，对比未充氢试样与充氢至48小时试样中超声传播速度降低幅度仅为1%左右，如图3所示，变化幅度与衰减系数变化幅度相比过低，因此考虑将对氢脆反应灵敏的衰减系数作为主要判断依据，而将超声波速变化作为衰减系数的辅助验证方式。

5结论

充氢时间较短时，超声信号表现为能量衰减趋势较大，衰减系数增大趋势较快。随充氢时间的增加，超声回波的衰减系数增大趋势随之减缓，充氢至试样内氢浓度分布逐渐趋于该充氢电流（表面氢浓度）下的稳定状态，此时回波衰减系数变化趋势趋于稳定，与波速变化幅度相比，衰减系数的变化幅度更为明显，因此选取衰减系数作为评价氢脆的主要判断依据，而将波速变化作为辅助判断依据。

参考文献：

［1］BlaszkiewiczM.Thedevelopmentofnondestructiveevaluation（NDE）formonitoringtheembrittlementinnuclearreactorpressurevessels［J］.MaterialsScienceForum，1996，210：916.

［2］RagupathyV.D，BhatM.R，PrasadM.V.N.Anexperimentalstudyofdiscontinuitiesinfrictionstirweldedjointsthroughnondestructivetesting［J］.MaterialsEvaluation，2017，75（3）：406412.

［3］张连芳，柯伟平.超声波波型转换与表面波的检测［J］.物理实验，2006，26（2）：810.

［4］张家骏.无损检测概论［M］.北京：机械工业出版社，1993.

［5］BadidiBA，LebailiS，BenchaalaA.Grainsizeinfluenceonultrasonicvelocitiesandattenuation.NDT&EInternational，2003，36（1）：15.

［6］SarpünI·H，K1l1kayaMS.Meangrainsizedeterminationinmarblesbyultrasonicfirstbackwallechoheightmeasurements［J］.NDT&EInternational，2006，39（1）：8286.

基金项目：芜湖职业技术学院校级自然一般科学研究项目（编号：wzyzr202332）；汽车新技术安徽省工程技术研究中心开放基金项目（编号：QCKJ202209B）；芜湖市科技项目（编号：2023jc40）；安徽省教育厅高校科学研究重点项目（编号：2023AH052380）

作者简介：武轶文（1995—），男，甘肃天水人，硕士研究生，助教，研究方向：无损检测。