儲(chǔ)罐長(zhǎng)周期腐蝕聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

張延兵 顧建平 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院顧建宏 許飛云 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

儲(chǔ)罐長(zhǎng)周期腐蝕聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

張延兵 顧建平 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院顧建宏 許飛云 東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

對(duì)一放置2年時(shí)間的儲(chǔ)罐試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行長(zhǎng)周期的聲發(fā)射腐蝕監(jiān)測(cè)，通過研究其在穩(wěn)定腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)特征，分析其腐蝕的機(jī)理和信號(hào)產(chǎn)生的原因，形成對(duì)儲(chǔ)罐腐蝕更深入的認(rèn)識(shí)。文章還對(duì)穩(wěn)定腐蝕狀態(tài)下的儲(chǔ)罐聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為后續(xù)的儲(chǔ)罐在線聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

儲(chǔ)罐 腐蝕 聲發(fā)射 檢測(cè)

化工儲(chǔ)罐最為常見的兩種失效形式為腐蝕和泄漏[1]。泄漏常常表現(xiàn)為液體的滲出，一般日常的設(shè)備巡查即可發(fā)現(xiàn)。腐蝕是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，對(duì)設(shè)備的損害具有累積效應(yīng)，是儲(chǔ)罐使用過程中最普遍的失效形式。腐蝕過程產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)噪音非常微弱，極易被湮沒在“惡劣”的環(huán)境噪音中。長(zhǎng)期以來對(duì)儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)的研究主要是對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行安全評(píng)級(jí)，對(duì)于儲(chǔ)罐腐蝕聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理、信號(hào)特征和信號(hào)識(shí)別等方面較少。而聲發(fā)射技術(shù)作為化工儲(chǔ)罐使用最為廣泛的在線檢測(cè)和監(jiān)測(cè)手段,對(duì)其進(jìn)行深入的試驗(yàn)和理論研究對(duì)于提高化工儲(chǔ)罐的檢測(cè)技術(shù)水平、保障化工設(shè)備的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。本文將就儲(chǔ)罐的腐蝕失效進(jìn)行深入的試驗(yàn)分析、探討和研究。

1 儲(chǔ)罐腐蝕

儲(chǔ)罐內(nèi)部腐蝕可以分為兩種形式：活性腐蝕和穩(wěn)定腐蝕。活性腐蝕狀態(tài)是指儲(chǔ)存介質(zhì)與罐體材質(zhì)直接接觸產(chǎn)生腐蝕，其成因主要有三方面：一是罐體材料選擇不當(dāng)，與儲(chǔ)存介質(zhì)不兼容，兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；二是罐體未做防腐，或防腐層破壞，致使儲(chǔ)存介質(zhì)與罐體接觸產(chǎn)生腐蝕；三是儲(chǔ)存介質(zhì)本身與罐體材質(zhì)基本上兼容, 在正常情況下腐蝕速率較低,滿足工程要求,但由于現(xiàn)場(chǎng)工況的改變（如雜質(zhì)混入，電位差增大、腐蝕產(chǎn)物堆積等因素）造成腐蝕,一般這種腐蝕是緩慢的?；钚愿g主要在腐蝕的早期階段，腐蝕產(chǎn)物較少，在同一區(qū)域腐蝕能夠持續(xù)發(fā)生，腐蝕的活性較強(qiáng)。隨著活性腐蝕電化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生,產(chǎn)生大量的腐蝕產(chǎn)物，在罐體表面形成堆積，將金屬表面與儲(chǔ)存介質(zhì)隔開，在一定程度上形成了鈍化效應(yīng)，減緩了腐蝕的速率，此時(shí)腐蝕進(jìn)入穩(wěn)定階段。在此過程中腐蝕產(chǎn)物剝落后，儲(chǔ)存介質(zhì)會(huì)再次與金屬表面接觸,腐蝕繼續(xù)，所以穩(wěn)定階段仍然伴隨著腐蝕的發(fā)生。此時(shí)腐蝕信號(hào)的強(qiáng)度小于活性腐蝕階段,且腐蝕區(qū)域也小于活性腐蝕階段。腐蝕是在役儲(chǔ)罐最為常見的失效形式,也是儲(chǔ)罐在線聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)中的重要技術(shù)難點(diǎn)。

2 試驗(yàn)過程

為模擬工業(yè)儲(chǔ)罐的腐蝕，設(shè)計(jì)制造一材質(zhì)為Q235的儲(chǔ)罐試驗(yàn)?zāi)Ｐ?見圖1)，其罐底中心及罐壁各有一閥門，儲(chǔ)罐模型資料見表1。注入清水，在室溫環(huán)境下放置近2年，此時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)部腐蝕已完全呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。使用SAMOS AE win聲發(fā)射系統(tǒng)采集腐蝕信號(hào)，用參數(shù)分析、相關(guān)分析、統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對(duì)穩(wěn)定腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行研究。

表1 儲(chǔ)罐模型資料

圖1 儲(chǔ)罐模型

3 信號(hào)分析

3.1 定位分析

● 3.1.1 定位圖分析（如圖2所示）

由圖2可以看出，在2號(hào)傳感器附近（區(qū)域1）出現(xiàn)了大量的定位事件聚集，此處為罐壁閥門在罐底的投影位置。分析其成因，由于罐體材質(zhì)為Q235,閥門材質(zhì)為不銹鋼。在長(zhǎng)期的使用過程中, 由于腐蝕電位不同，兩種金屬構(gòu)成宏電池，產(chǎn)生電偶電流，使電位較低的金屬溶解速度增加，電位較高的金屬溶解速度減小,進(jìn)而發(fā)生電偶腐蝕。另外，閥門1位于罐壁，其腐蝕產(chǎn)物剝落后下沉至罐底，新的金屬表面又暴露在介質(zhì)中，腐蝕產(chǎn)物難以堆積形成有效保護(hù)層，所以腐蝕一直處于活性階段，從而形成大量定位。

區(qū)域2與區(qū)域1相比，其定位事件密度較小，且分布均勻，在罐底中心閥門2處并沒有產(chǎn)生如閥門1處的大量事件聚集現(xiàn)象。分析原因，由于儲(chǔ)罐的使用時(shí)間較長(zhǎng)，腐蝕已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)期。此外儲(chǔ)罐從第一次注水未清罐，且經(jīng)過多次注水，注水過程中罐壁和罐底的腐蝕產(chǎn)物被沖刷脫落，靜置一段時(shí)間又逐漸沉落在罐底，在罐底沉積了較厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋層，對(duì)罐底起到一定的保護(hù)作用。

圖2 定位圖

● 3.1.2 通道定位分析

通道定位是利用聲發(fā)射信號(hào)隨著傳播距離增大而衰減的特性，依據(jù)每個(gè)傳感器接收到的信號(hào)數(shù)量差別（即到達(dá)傳感器的先后順序)，來判斷聲發(fā)射源距離通道的遠(yuǎn)近，以確定腐蝕區(qū)域的大致位置。在實(shí)際檢測(cè)中，由于聲波在傳播過程的衰減特性，部分信號(hào)在未到達(dá)傳感器時(shí)強(qiáng)度已衰減至門檻值以下，所以并不是所有傳感器都能接收到同一聲發(fā)射源產(chǎn)生的信號(hào)。對(duì)于直徑較大的儲(chǔ)罐甚至無法滿足實(shí)現(xiàn)時(shí)差定位的最少傳感器數(shù)量，此外儲(chǔ)罐中多處腐蝕聲發(fā)射源同時(shí)發(fā)生時(shí)易產(chǎn)生偽定位，因此精確定位在儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)中是難以實(shí)現(xiàn)的。而從各個(gè)通道的撞擊數(shù)可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位的效果，對(duì)于聲發(fā)射源的整體定位分析具有積極的意義。

從圖3中可以看出，2號(hào)傳感器接收到的撞擊數(shù)明顯高于其他通道，表明在其附近有較多的聲發(fā)射信號(hào)，與實(shí)際情況相符（不銹鋼閥門2造成的電偶腐蝕)。

圖3 撞擊-通道圖

3.2 幅值分析

圖4為5個(gè)傳感器在14h采樣時(shí)間內(nèi)的幅值散點(diǎn)圖。由于罐體無泄漏現(xiàn)象，所以各通道信號(hào)可以確認(rèn)為腐蝕信號(hào)?？梢钥闯?，由于試驗(yàn)儲(chǔ)罐體積較小，在有限的傳播距離內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)衰減很少，同一聲發(fā)射源發(fā)出的信號(hào)基本可以被所有傳感器接收，所以各通道采集的信號(hào)差別不大。穩(wěn)定腐蝕信號(hào)可以分為兩部分：一為40～55dB區(qū)域，該區(qū)域信號(hào)幅值較低，信號(hào)連續(xù)產(chǎn)生，為腐蝕的基礎(chǔ)信號(hào)；另一區(qū)域?yàn)?5～80dB，該區(qū)域信號(hào)幅值較高，分布相對(duì)較為離散，表示腐蝕層的破裂、剝離等過程。為進(jìn)一步分析腐蝕聲發(fā)射信號(hào)的特征，以2號(hào)通道為例，對(duì)其在1h內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行分析。

圖4 幅值歷程圖

從圖4中可以看出，腐蝕是一個(gè)近似均勻“連續(xù)”的過程，各個(gè)時(shí)間段的信號(hào)數(shù)量差別較小，但從數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回放中則可以看出不同的現(xiàn)象（圖5為1h內(nèi)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）。在實(shí)際的監(jiān)測(cè)中聲發(fā)射信號(hào)會(huì)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)簇狀集中現(xiàn)象（圖5中標(biāo)示了其中的三處），其撞擊數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他時(shí)期（如圖6所示)，這些聚集信號(hào)的持續(xù)時(shí)間一般為幾秒，有的甚至達(dá)到幾十秒。分析此現(xiàn)象的原因，由于腐蝕一般需要經(jīng)過三個(gè)過程：腐蝕的孕育過程、腐蝕的加速過程，腐蝕的終結(jié)過程[2]，前兩個(gè)過程都是腐蝕的前期階段，伴隨著電化學(xué)反應(yīng)，過程相對(duì)溫和；而腐蝕的終結(jié)過程主要表征為氧化皮的脫落、表面鈍化膜的開裂，腐蝕氣泡的破裂等，是腐蝕從量變導(dǎo)到質(zhì)變的過程，其持續(xù)時(shí)間較短，但其強(qiáng)度與溫和的電化學(xué)反應(yīng)（腐蝕的基礎(chǔ)信號(hào)）相比要高得多。所以在腐蝕的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過程中，會(huì)在不同的時(shí)間點(diǎn)突然出現(xiàn)大量的聲發(fā)射信號(hào)聚集，而其他時(shí)間信號(hào)則相對(duì)平穩(wěn)。

圖5 幅值時(shí)間歷程圖

圖6 撞擊時(shí)間歷程圖

3.3 相關(guān)分析

相關(guān)特性關(guān)聯(lián)圖分析法是儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)過程中實(shí)時(shí)觀察和分析數(shù)據(jù)的常用方法。從聲發(fā)射參數(shù)隨時(shí)間或試驗(yàn)參數(shù)變化的關(guān)聯(lián)圖可以得出儲(chǔ)罐在試驗(yàn)過程中隨時(shí)間的發(fā)展其腐蝕信號(hào)的歷史及變化規(guī)律。通過聲發(fā)射參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)分析可以區(qū)分不同特性的信號(hào)。如有些電子干擾信號(hào)通常具有很高的幅度,但能量卻很小,通過采用幅度-能量關(guān)聯(lián)圖即可區(qū)分出來。

以通道2為例分析腐蝕信號(hào)的幅值與能量的相關(guān)特性，由圖7可以看出：1）穩(wěn)定腐蝕信號(hào)主要集中在幅值區(qū)間40～80dB，能量與幅值的關(guān)聯(lián)圖呈現(xiàn)弧形分布，隨著幅值的增加，腐蝕信號(hào)的能量也隨之增加。2）穩(wěn)定腐蝕信號(hào)明顯分為兩類，以幅值進(jìn)行劃分，A類為40～63dB，B類為63～80dB。其中A類信號(hào)幅值相對(duì)較小，分布于低幅值區(qū)間，但其能量較高，這是由于A類信號(hào)對(duì)應(yīng)的是穩(wěn)定腐蝕的基礎(chǔ)信號(hào)（見圖4中的40～55dB區(qū)間)，此階段為腐蝕的孕育過程，包括電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，腐蝕產(chǎn)物的堆積，液體滲入腐蝕層等，整個(gè)過程相對(duì)穩(wěn)定，沒有劇烈的信號(hào)發(fā)生，但其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（見圖8)，所以整體能量也較高。B類信號(hào)主要分布于高幅值區(qū)域，其信號(hào)總數(shù)量遠(yuǎn)小于低幅值區(qū)，這主要是由于高幅值信號(hào)對(duì)應(yīng)于腐蝕信號(hào)的能量釋放，即腐蝕的終結(jié)過程，如腐蝕層的剝落、氣泡的破裂等，其均在短時(shí)間發(fā)生，所以持續(xù)時(shí)間較短（見圖8)，雖然其幅值較高，但其能量相對(duì)基礎(chǔ)腐蝕信號(hào)較小。3）由于A區(qū)對(duì)應(yīng)腐蝕的基礎(chǔ)信號(hào)，各通道差別不大，而B區(qū)信號(hào)呈現(xiàn)明顯的離散現(xiàn)象，此時(shí)如要衡量腐蝕信號(hào)的強(qiáng)弱，B區(qū)信號(hào)對(duì)于評(píng)定儲(chǔ)罐活性的高低將具有非常重要的意義。由以上的分析可以看出，信號(hào)的相關(guān)特性對(duì)于區(qū)分腐蝕的各個(gè)階段效果明顯，據(jù)此可以對(duì)腐蝕的產(chǎn)生機(jī)理及各個(gè)過程的典型特征進(jìn)行深入研究。

圖7 能量-幅值相關(guān)圖圖

圖8 持續(xù)時(shí)間-幅值相關(guān)圖

圖9、圖10為能量與振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間的相關(guān)圖，可以看出三者之間有良好的線性關(guān)系，由此可以看出振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間其均可反映信號(hào)的強(qiáng)度，其分布規(guī)律與幅值相似，不再贅述，這些參數(shù)都是聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)的重要因素。

圖9 能量-振鈴計(jì)數(shù)相關(guān)圖

圖10 能量-持續(xù)時(shí)間相關(guān)圖

3.4 統(tǒng)計(jì)分析

聲發(fā)射檢測(cè)作為在線檢測(cè)的主要手段，其主要任務(wù)是解決三大問題：定位、定性和定量。定位是明確缺陷存在的位置；定性是分析引起缺陷的原因；定量是出具量化的標(biāo)準(zhǔn)，從而確定缺陷的嚴(yán)重程度。一般聲發(fā)射的五大特征參數(shù)都可以作為量化的標(biāo)準(zhǔn)，如在標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10764-2007中即以單位時(shí)間的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)和事件數(shù)統(tǒng)計(jì)來表征缺陷的活度和強(qiáng)度，下面對(duì)聲發(fā)射幾個(gè)特征參數(shù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表2 各通道幅值統(tǒng)計(jì)（個(gè)/h）

從幅值統(tǒng)計(jì)（見表2）上可以看出，腐蝕的基礎(chǔ)信號(hào)占總信號(hào)數(shù)的大部分，隨著幅值的增加，信號(hào)數(shù)量迅速降低。五個(gè)傳感器中，2號(hào)傳感器在所有的幅值區(qū)間采集到的信號(hào)數(shù)量均大于其他通道，這與實(shí)際情況完全吻合。另外2號(hào)傳感器的信號(hào)在低幅值區(qū)間的數(shù)量雖然比其他通道多，但并不是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過，有兩方面的原因。首先，雖然其附近的不銹鋼閥門處腐蝕活性相對(duì)于其他區(qū)域較強(qiáng)，但只是局部腐蝕，相對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)罐內(nèi)壁的腐蝕面積較?。辉僬哂捎趦?chǔ)罐直徑較小，信號(hào)衰減程度低，閥門處的高幅值腐蝕信號(hào)同樣可以被其他傳感器接收到。

表3 能量統(tǒng)計(jì)（單位：個(gè)/h）

從能量統(tǒng)計(jì)（見表3）上可以看出，在低能量區(qū)間0～200范圍內(nèi)，2號(hào)傳感器的信號(hào)量大于其他通道，但在200～1000、1000～10000高能量區(qū)間內(nèi)，2號(hào)傳感器的信號(hào)數(shù)與其他通道相差不多，甚至更低。這是由于2號(hào)傳感器接收到的信號(hào)主要由閥門2處電偶腐蝕產(chǎn)生，該處相對(duì)于其他區(qū)域腐蝕信號(hào)活性較高，但其持續(xù)時(shí)間較短導(dǎo)致主要信號(hào)集中在低能量區(qū)間（見圖7）。

由于能量、振鈴計(jì)數(shù)（見表4）、持續(xù)時(shí)間（表5）之間具有較好的相關(guān)性（圖9、圖10），因此振鈴計(jì)數(shù)和持續(xù)時(shí)間在一定程度上也可以反映信號(hào)的能量，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果與能量相似。在低振鈴計(jì)數(shù)和短持續(xù)時(shí)間區(qū)間，2號(hào)傳感器采集到的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)比其他傳感器多；高振鈴計(jì)數(shù)和長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間區(qū)間，2號(hào)傳感器相對(duì)較少。

表4 各通道振鈴計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì) （單位：個(gè)／小時(shí)）

表5 持續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì) （單位：個(gè)／小時(shí)）

4 結(jié)論

1）儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)由于檢測(cè)原理的限制，與傳統(tǒng)的無損檢測(cè)不同，難以實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位。儲(chǔ)罐主要的失效形式是腐蝕和泄漏，其中泄漏可以直接判定，難度較低；腐蝕缺陷往往不是單一點(diǎn)的腐蝕，通常伴隨著一整塊區(qū)域的腐蝕，所以對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行精確缺陷定位意義不大，儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)的主要意義在于罐體的整體評(píng)價(jià)。

2）儲(chǔ)罐聲發(fā)射信號(hào)的預(yù)處理是保證檢測(cè)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠的重要保證，即通過對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行諸如定位分析、幅值分析、計(jì)數(shù)分析、譜分析、能量分析、相關(guān)分析等信號(hào)分析手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的類型進(jìn)行初步的判斷，在最大程度上濾除噪聲干擾信號(hào)。而統(tǒng)計(jì)分析是對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行最終腐蝕等級(jí)評(píng)定的最終依據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)其主要特征參數(shù)在檢測(cè)時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)量，進(jìn)而衡量?jī)?chǔ)罐罐體的基本狀況。只有兩種方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相得益彰，才能最大程度的使檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確反映儲(chǔ)罐的真實(shí)狀況，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 姚舜剛.立式儲(chǔ)罐聲發(fā)射在線檢測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)研究和應(yīng)用.浙江工業(yè)大學(xué),2006

2 張虹.管道腐蝕及泄漏的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)研究.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,2007

AE (Acoustic Emission) monitoring of a storage tank model placed for 2 years is carried out. By studying the AE signal feature in stable corrosion condition, analyzing the mechanism of corrosion and the cause of AE signal, a more in-depth understanding of storage tank corrosion is formed. Statistics on AE feature parameters of stable corrosion is also performed, laying data foundation for subsequent AE online detection and tank evaluation.

Storage tank Corrosion Acoustic Emission Testing

2013－07－31）