賀 靜

(1.銅陵學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.工程液壓機(jī)器人安徽普通高校重點實驗室，安徽 銅陵 244000；3.銅陵市增材制造重點實驗室,安徽 銅陵 244000)

引言

金屬軟管作為連接件中的重要部件，在工程技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，該軟管主要由軟芯、網(wǎng)套和接頭三個部分組成[1].其中內(nèi)網(wǎng)套采用不銹鋼連接方式，起到輸送介質(zhì)的作用；外網(wǎng)套采用不銹鋼絲編織而成，起到防護(hù)作用.通過連接軟管兩端的管件或凸緣連接到管件或凸緣上[2].該金屬軟管主要采用奧氏體不銹鋼制造，在-196～600 ℃的寬溫范圍內(nèi)工作，以確保所需的輕微抗腐蝕能力.然而，在金屬軟管的制造、安裝和使用過程中也會產(chǎn)生一些應(yīng)力，并且內(nèi)凹軟管的結(jié)構(gòu)利于截獲運輸介質(zhì).由于輸送介質(zhì)中含有大量的氯、硫等腐蝕性介質(zhì)，因此，在使用過程中易引起應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致加熱爐金屬軟管斷裂.對其失效方式和失效原因進(jìn)行研究，有利于提高企業(yè)和使用者的安全意識[3].目前，對于加熱爐金屬軟管斷裂故障的檢測，通常采用宏觀觀察方法和光譜儀，其中宏觀觀察方法主要通過解剖軟管進(jìn)行診斷，該方法受到解剖環(huán)境、診斷設(shè)備、人工操作等客觀因素影響較大，一旦某個因素出現(xiàn)差錯，將會影響診斷效果，因此該方法穩(wěn)定性較差，使用光譜儀檢測光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)性能會隨著周圍環(huán)境變化而發(fā)生改變，檢測結(jié)果波動性較大.針對上述問題，提出了加熱爐金屬軟管斷裂故障可視化診斷方法.

1 加熱爐金屬軟管斷裂腐蝕原因分析

1.1 腐蝕機(jī)理

在受腐蝕影響后，加熱爐金屬軟管形成致密的保護(hù)膜，該保護(hù)膜的主要成分為活性陰離子(如氯、硫等)，其在加熱爐金屬軟管表面形成細(xì)小的腐蝕孔，成為點蝕作用產(chǎn)生的活性中心.此時孔內(nèi)被腐蝕的金屬表面帶有負(fù)電，而孔外金屬表面帶有正電，因此，金屬軟管小孔形成了一個微電偶腐蝕電池.當(dāng)電池的面積大于陰極、小于陽極時，電流密度越大，腐蝕孔越深，腐蝕速度越快.同時增加腐蝕坑中的陽離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會引起氯離子的遷移，致使腐蝕坑中的溶液呈電中性[4].水解液中金屬氯生成氫氧化物和游離酸，酸性物質(zhì)的產(chǎn)生降低了腐蝕坑溶液的酸堿度，使其與氯離子一起溶解，加速了腐蝕過程.

1.2 腐蝕原因

焊縫、母材的點蝕和穿孔是引起金屬軟管腐蝕泄漏的直接原因.鹵素離子在氧化劑作用下，容易發(fā)生點蝕現(xiàn)象.經(jīng)過分析可知，不銹鋼中含有氯、硫等元素，這些活性陰離子破壞了不銹鋼鈍化膜，這是造成金屬軟管腐蝕的主要原因[5].通過對金屬軟管進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)其含碳量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值，而鎳和鉑則低于標(biāo)準(zhǔn)值，因此材料的選擇不符合要求也是金屬軟管腐蝕穿孔的重要原因.另外，材料表面的均勻性、非金屬夾雜物的分布與組成以及金屬結(jié)構(gòu)的非均勻性對點蝕的發(fā)生與分布也具有重要影響[6].

1.3 金屬軟管形貌及裂紋

將金屬軟管采用熱切割法切割，如圖1 (a)所示，試樣的形態(tài)存在腐蝕現(xiàn)象，可以看出試樣整體略彎曲，凸面比凹面明亮，表面結(jié)合力小，無明顯裂紋，凹陷表面有明顯的棕色銹斑.在峰谷兩側(cè)各涂一層不同厚度的灰白色粉末，發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)有許多裂縫，除了明顯的裂縫如圖1 (b)所示外，其余均為封閉.金屬軟管的大型裂隙一般分布于谷底，邊緣呈環(huán)狀，裂縫呈細(xì)彎狀且分枝眾多[7].波峰兩側(cè)無明顯方向裂縫，裂縫肉眼可見有銹斑，而金屬管內(nèi)表面清潔、光滑.

(a)形貌

2 加熱爐金屬軟管斷裂故障可視化診斷系統(tǒng)

基于可視化診斷原理，設(shè)計一種加熱爐金屬軟管斷裂故障可視化診斷系統(tǒng)，其能自動診斷軟管上的裂縫缺陷，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 加熱爐金屬軟管斷裂故障可視化診斷系統(tǒng)

由圖2可知，診斷系統(tǒng)主要是由結(jié)構(gòu)光發(fā)生器、圖像處理單元、攝像頭、觸發(fā)組件和同步產(chǎn)生器組成的，將結(jié)構(gòu)光發(fā)生器和同步發(fā)生器分別連接在高速數(shù)字信號處理器和由電磁霍爾傳感器觸發(fā)的并行處理硬件上[8].

2.1 CCD相機(jī)

CCD相機(jī)是由靜態(tài)和動態(tài)兩部分組成，利用電荷耦合裝置傳感器雷達(dá)采集外部目標(biāo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實時圖像處理，使工作人員能夠在電荷耦合裝置傳感器的光度下觀察目標(biāo)燃燒或蒸發(fā)的程度，從而確定電荷耦合裝置傳感器對目標(biāo)的照射時間.

圖3為加熱爐金屬軟管斷裂故障可視化診斷系統(tǒng)的硬件架構(gòu).如圖3所示，控制中心模塊通過通訊模塊實現(xiàn)與智能設(shè)備的通訊，智能設(shè)備控制并連接攝像機(jī).在CCD傳感器清洗系統(tǒng)工作時，攝像機(jī)將目標(biāo)圖像傳送給智能裝置，建立包含目標(biāo)視場的外部對象，并在自動跟蹤模塊中采集數(shù)據(jù).通過對外部目標(biāo)的自動跟蹤與清理，實現(xiàn)對目標(biāo)的自動控制.

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 DSP處理器

DSP數(shù)字信號處理器工作原理是通過模擬數(shù)字信號，對其進(jìn)行修改處理后，將數(shù)字解碼到系統(tǒng)芯片.圖4為DSP數(shù)字信號處理器的結(jié)構(gòu).如圖4所示，DSP處理器結(jié)構(gòu)主要是由定時器、看門狗、存儲器、實時時鐘、異步通信模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊和脈寬調(diào)制模塊組成，各個模塊通過電容連接，以此提高電源與接地的抗干擾能力.為消除通用阻抗耦合，各芯片的關(guān)鍵部件配置了合適的去耦電容，以提高通用板的穩(wěn)定性和抗干擾能力.

3 可視化診斷技術(shù)研究

3.1 系統(tǒng)工作原理

加熱爐金屬軟管斷裂故障可視化診斷原理，如圖5所示.由圖5可知，該裝置主要由滑槽，伸縮管和泵送裝置組成.采用傾斜的滑塊，使軟管在斜坡上緩慢下降，然后由PLC控制抽油機(jī)、油缸及工件的切割.在工作臺上放置待檢測軟管工件，光源發(fā)出的光照亮圖像采集區(qū).利用光學(xué)透鏡，用CCD相機(jī)將被測工件信息轉(zhuǎn)換為圖像信息，圖像處理軟件通過LabVIEW程序?qū)D像進(jìn)行分析和檢測，確定其是否符合要求，并將不符合要求的工件排除在廢料箱內(nèi).

圖5 金屬軟管斷裂故障可視化診斷原理

3.2 系統(tǒng)工作狀態(tài)分析

系統(tǒng)工作狀態(tài)分析示意圖，如圖6所示.由圖6可知，通過傳送帶將金屬軟管送到指定位置后，觸發(fā)圖像處理模塊和CCD攝像機(jī).該系統(tǒng)通過CCD攝像機(jī)采集一組圖像，然后由圖像處理模塊對圖像進(jìn)行解碼處理，得到裂縫增強(qiáng)圖像.

圖6 系統(tǒng)工作狀態(tài)示意圖

圖像解碼運算步驟為：首先找到圖像中的切片源頭，對圖像切片首個宏行序號和代碼字節(jié)解碼.然后設(shè)定片頭量化尺寸，通過查找切片地址剔除冗余信息后開始解碼宏塊M，計算公式為：

M=(λ-1)×m+Δn-1

(1)

式(1)中，λ表示代碼字節(jié)；m表示宏塊個數(shù)；Δn表示地址增量.

當(dāng)每個宏塊都完全解碼后，判斷下一個宏塊初始代碼.如果沒有獲取該代碼，則應(yīng)繼續(xù)解碼下一個宏塊，直到獲取代碼為止.采用該方法對目標(biāo)進(jìn)行處理和分析，得到的中間圖像能夠增強(qiáng)缺陷，抑制背景，從而獲得最終的檢測結(jié)果.

3.3 斷口分析結(jié)果

使用CCD相機(jī)拍攝到的樣品被截取于送檢樣品凹陷腐蝕嚴(yán)重的地方，可以看到樣品呈斷口形貌，但由于氧化作用嚴(yán)重，無法觀察到斷口的特征.借助顯微鏡，可以看到裂縫的破裂情況，見圖7.

(a)裂紋發(fā)源點

由圖7可以看出，點蝕裂紋沿腐蝕帶擴(kuò)展，多分布于中部，開口大，邊緣尖銳，有分支.斷口長度和方向不規(guī)則.其中圖7 (a)表明裂紋是從凹坑開始的，即為裂縫發(fā)源點；圖7 (b)表明裂紋邊緣出現(xiàn)了附屬物和氧化層的產(chǎn)物，其被切割成不同的形狀.

通過上述分析可知：

2)氧化切削時發(fā)現(xiàn)有腐蝕區(qū)域存在，氧化膜和點蝕使應(yīng)力閾值降低，引起應(yīng)力腐蝕.裂紋沿氧化層擴(kuò)展，微裂紋不明顯，走向不連續(xù)，裂紋兩端呈尖形，具有應(yīng)力斷裂特征.

3)造成應(yīng)力腐蝕開裂的主要原因有工作壓力、外界拉力和應(yīng)力，當(dāng)冷卻水壓在1～1.6 MPa之間時，金屬軟管壁產(chǎn)生一定的壓力，導(dǎo)致裂紋萌生，點蝕擴(kuò)展.

基于上述分析內(nèi)容，可確定腐蝕的化學(xué)成分，見表1.

表1 金屬軟管腐蝕化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕化學(xué)成分無法滿足316L金屬軟管的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分要求，其中碳的含量較高，而鉑、鎳含量較低.

4 試驗分析結(jié)果

為了驗證加熱爐金屬軟管斷裂故障可視化診斷方法穩(wěn)定性與可靠性，將宏觀觀察方法和光譜儀與實際測得的結(jié)果進(jìn)行對比分析，并選取5個金屬軟管標(biāo)準(zhǔn)件，其尺寸參數(shù)如表2所示.

表2 金屬軟管尺寸參數(shù)

在表2所示參數(shù)支持下，分別使用宏觀觀察方法、光譜儀和可視化診斷方法，對比分析金屬軟管斷口處元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對比結(jié)果如圖8所示.

(a)宏觀觀察方法

由圖8可知，使用宏觀觀察方法元素O、S、Cl、Cr、Fe、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是26.0%、10.5%、20.0%、9.0%、22.0%、4.0%；使用光譜儀元素O、S、Cl、Cr、Fe、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是25.5%、6.5%、26.0%、6.9%、29.0%、4.5%；使用可視化診斷方法元素O、S、Cl、Cr、Fe、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是30%、1.5%、30.0%、3.0%、32.5%、3.0%.實際測量的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表3所示.

表3 實際測量的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

結(jié)合圖8和表3可知，使用可視化診斷方法診斷的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與實際測量的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)誤差最小，其中Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差最大為0.5%，說明使用該方法診斷精準(zhǔn)度較高.

5 結(jié)論

利用可視化對加熱爐金屬軟管進(jìn)行故障診斷，結(jié)果均顯示其表面存在氧化腐蝕現(xiàn)象，受到外界拉應(yīng)力影響，金屬軟管表面出現(xiàn)腐蝕裂紋.為防止該管道腐蝕泄漏的再次發(fā)生，建議采用以下兩種方法：

1)改善環(huán)境質(zhì)量，減少工藝介質(zhì)中氯、硫離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，避免局部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)，利用電化學(xué)保護(hù)可降低不銹鋼的臨界腐蝕電勢.

2)如使用的材料不能滿足設(shè)計要求，將導(dǎo)致金屬軟管在極短的時間內(nèi)發(fā)生穿孔腐蝕.裝備制造和維修過程中，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計要求選用材料.