趙永濤，孫文勇，胡家順，張 穎

(1.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 102206;2.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318)

化學腐蝕和電化學腐蝕是引起儲罐罐底腐蝕穿孔、破裂的重要因素，而當罐底有腐蝕發(fā)生時，腐蝕過程會產(chǎn)生眾多強度不等的聲源，能否通過檢測儀器接收和分析這些聲信號，并在不開罐的條件下確定罐底腐蝕和泄漏的狀態(tài)，是聲發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域的前沿研究課題。本文針對腐蝕產(chǎn)生的聲源進行實驗，并對模擬裝置進行了在線檢測。

1 儲罐聲發(fā)射在線檢測方法的建立

1.1 實驗

通過將傳感器放入罐內(nèi)水介質(zhì)中和在靠近罐底的罐壁周圍均勻陣列傳感器相結(jié)合的實驗方法依次來研究:1)斷鉛AE信號在罐內(nèi)水介質(zhì)中的衰減規(guī)律;2)對比分析腐蝕AE信號在經(jīng)過腐蝕源金屬壁、水介質(zhì)、罐壁過程中的特征參量取值范圍及腐蝕規(guī)律;3)提取放入罐內(nèi)水中的傳感器在不同的腐蝕階段采集的腐蝕信號波形特性。

實驗采集系統(tǒng)為美國PAC公司生產(chǎn)的SAMOS-32通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，傳感器為DP3I，工作頻率范圍為20～220 kHz。

在尺寸為Φ100 mm×200 mm×4 mm、材料為Q235的鋼管上部連接PP-R管，通大氣。圓筒的底部焊有法蘭，其中插入一塊材料為Q235的盲板并將其固定。在圓筒內(nèi)部裝入適量pH為2的硫酸溶液，并將其放入裝有水的立式儲罐內(nèi)，進行持續(xù)腐蝕監(jiān)測15 h。儲罐選取小型立式模擬儲罐。其裝置簡圖如圖1所示。

在距罐底板50 mm的罐壁周圍等距離地耦合6個傳感器，編號為1～6，在罐底中間處耦合1個傳感器，編號為7，在腐蝕源裝置外壁耦合1個傳感器，距罐底50 mm，編號為8，在水中與8號等平面處放入傳感器，編號為9，并將8和9號傳感器與信號線連接處進行密封，傳感器布置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

1.2 實驗結(jié)果與分析

采用低頻傳感器進行檢測，利用9號傳感器進行信號采集，將傳感器放入距罐底斷鉛位置50 mm處的水中，待其穩(wěn)定后，每向上100 mm做一點，進行罐底斷鉛信號采集，每點斷鉛3次，共標定10個點［1］。幅值變化結(jié)果見表1。D為傳感器與信號源的距離;n為斷鉛的次數(shù);A為信號幅值。

表1 斷鉛信號幅度A變化表 dB

9號傳感器經(jīng)水介質(zhì)傳播所接收到的信號幅值隨距離變化關(guān)系見圖3。由衰減曲線可知，斷鉛AE信號在水中傳播具有回波性，即傳播了一段距離之后往往出現(xiàn)回波現(xiàn)象(短時高幅值信號)，但衰減曲線整體呈下降趨勢。斷鉛信號由81 dB衰減到53 dB，衰減損失近28 dB，平均每100 mm衰減2.8 dB。因此，在罐內(nèi)介質(zhì)中放入傳感器進行聲發(fā)射檢測，此種方法具有可測性。同時，對于低幅值的腐蝕AE信號沿罐內(nèi)介質(zhì)傳播時，由于能量損失很大，因此耦合在罐壁上的傳感器很難接收到低幅度腐蝕信號，對檢測結(jié)果會有一定影響，所以充分證明在罐內(nèi)介質(zhì)中放入傳感器來研究AE信號特性的價值所在。

1.3 腐蝕聲發(fā)射信號特性

表2～表4中分別列出了在不同腐蝕階段各傳感器所接收到AE信號各個特征參量的取值范圍。

表2 腐蝕孕育期AE信號特征參量的取值范圍

表3 腐蝕加速期AE信號特征參量的取值范圍

表4 腐蝕平穩(wěn)期AE信號特征參量的取值范圍

從表2～表4可以得知，9號傳感器接收到的信號幅值、撞擊計數(shù)率等參數(shù)要明顯低于8號傳感器，而2號要低于9號。主要是因為腐蝕源信號透過鋼管壁，然后經(jīng)過水介質(zhì)傳播到9號傳感器接收，這一過程中要損失部分能量，信號幅值有所衰減;而2號傳感器耦合在罐壁上，接收到的信號衰減幅度會更大。腐蝕聲發(fā)射信號累加撞擊計數(shù)與撞擊計數(shù)率變化關(guān)系見圖4。

從圖4a)可以看出，在腐蝕初期，撞擊計數(shù)較少。但隨著時間的增加，數(shù)量開始增多，在腐蝕11 h左右，信號撞擊計數(shù)達到峰值，隨后數(shù)量開始減少并趨于穩(wěn)定。從圖4b)可以看出，在相同的時間里，腐蝕源信號在經(jīng)過不同的路徑傳播后，其累加撞擊計數(shù)隨時間變化趨勢相同。但在單位時間內(nèi)，8號傳感器的累計計數(shù)要高于9號傳感器，而9號傳感器要高于2號傳感器。據(jù)實驗分析，腐蝕過程分為三個階段［2］:

1)腐蝕孕育期(0～4.5 h)，此階段發(fā)生在腐蝕初期，試件表面沒有腐蝕產(chǎn)物生成，撞擊計數(shù)數(shù)量不多;

2)腐蝕加速期(4.5～9 h)，隨著腐蝕持續(xù)進行，試件表面產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，撞擊計數(shù)明顯增加;

3)腐蝕平穩(wěn)期(9～15 h)，腐蝕進行12 h之后，由于試件表面鈍化，撞擊計數(shù)開始減少，但腐蝕仍在發(fā)展。

2 儲罐聲發(fā)射在線檢測的應用

通過在儲罐底板中心附近放置模擬腐蝕源來發(fā)出腐蝕AE信號。本實驗采用的是小型不銹鋼儲罐，聲發(fā)射采集儀的9個通道均能接收到聲發(fā)射信號，并比較清晰地反映出底板腐蝕區(qū)域的腐蝕狀況。腐蝕罐底聲源定位如圖5所示，經(jīng)開罐檢測，本檢測結(jié)果與實際腐蝕情況(見圖6)完全一致。

3 結(jié)論

1)斷鉛AE信號在水中傳播具有回波性，但衰減曲線整體呈下降趨勢。

2)腐蝕源信號透過金屬壁通過水介質(zhì)傳播時的幅值、能量等會有所衰減。

3)三個不同階段的腐蝕AE信號波形同為突發(fā)型信號特征，并且存在多次反射。在腐蝕加速期信號幅值較強，能量較大。而孕育期和平穩(wěn)期幅值較低，能量較小。

4)由三個傳感器所接收的AE信號特性曲線可以得知，其特征參量的取值范圍上都有所差別，但其腐蝕變化趨勢保持一致，并將腐蝕過程分為腐蝕孕育期、加速期和平穩(wěn)期三個階段。

5)由儲罐檢測結(jié)果定位圖同開罐檢測結(jié)果對比可知，本方法具有很好的實用性，可用在現(xiàn)場檢測。

［1］ GB/T18182－2000.金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法［S］.

［2］ 吳蔭順.金屬腐蝕研究方法［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993.