儲罐長期腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射監(jiān)測分析

孫志濤 張延兵

(江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院 南通 226011）

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儲罐長期腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射監(jiān)測分析

孫志濤 張延兵

(江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院 南通 226011）

摘 要：通過對一充水存放超過2年的儲罐試驗模型進行聲發(fā)射腐蝕監(jiān)測，分析其在長周期腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號特征規(guī)律，研究其與腐蝕發(fā)展各階段的對應關系，從而掌握儲罐腐蝕機理和規(guī)律，形成對儲罐腐蝕更深入的認識，為后續(xù)儲罐在線評價及腐蝕防護等提供可靠的理論支撐。

關鍵詞：儲罐 腐蝕 長周期 監(jiān)測

Analysis of Long Period Corrosion Monitoring of the Storage Tank Using AE

Sun Zhitao Zhang Yanbing
(Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province, Branch of Nantong Nantong 226011)

Abstract With the AE corrosion monitoring in a water fi lling tank more than 2 years, this article analyzes the AE signal characteristics of long period corrosion, researches the corresponding relationship of each corrosion development stage. In the end, it grasps the goal of mastering corrosion mechanism and law more in-depth understanding of tank corrosion, providing reliable theoretical support for subsequent tank online evaluation and corrosion protection, etc.

Keywords Storage tank Corrosion Long period Monitoring

常壓儲罐作為大容量儲存式容器，其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，一般日常的設備巡查即可發(fā)現(xiàn)，而腐蝕是一個長期的過程，對設備的損害具有累積效應，是儲罐使用過程中最普遍的失效形式,其造成的失效占所有失效總量的近三分之一。儲罐腐蝕在不同階段其腐蝕機理及活性程度均有所不同，對其規(guī)律的研究是儲罐在線安全評價和腐蝕防護管理措施制定的理論依據，而監(jiān)測技術又是設備安全狀態(tài)長周期普查最為有效的手段[2]，因此針對儲罐腐蝕長期聲發(fā)射監(jiān)測分析對于儲罐的安全評價技術的提高具有非常積極的工程應用意義。

1 試驗對象及儀器

為模擬儲罐的腐蝕狀態(tài)并分析儲罐腐蝕機理，設計制造兩個材質為Q235的儲罐試驗模型(見表1、表2、圖1、圖2)。分別注入清水，在室溫環(huán)境下靜態(tài)放置，并定期進行腐蝕狀態(tài)的聲發(fā)射檢測,以實現(xiàn)對儲罐腐蝕的長周期監(jiān)測。其中1號儲罐先于2號儲罐1年建造，在2號儲罐投入使用一周后，對兩只儲罐同時進行周期性的監(jiān)測。

圖1　1#儲罐模型

圖2　2#儲罐模型

圖3　1#儲罐內部腐蝕狀態(tài)

表1　儲罐模型資料

表2　硬件設置參數(shù)

1號儲罐在進行首次試驗時，由于已經靜置一年左右的時間，在儲罐內壁形成一層較厚的豎條形泡沫狀腐蝕產物，且罐底沉積了一層較厚的腐蝕沉積物，此時儲罐內部腐蝕已完全呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)（圖3為儲罐內部腐蝕狀態(tài)）。

2 聲發(fā)射活性和能量統(tǒng)計分析

聲發(fā)射特征參數(shù)中撞擊數(shù)、事件數(shù)表征了聲發(fā)射信號的活度，振鈴計數(shù)和能量計數(shù)表征了聲發(fā)射信號的能量,這幾個參數(shù)是聲發(fā)射腐蝕檢測評價的重要技術參數(shù)。本文將重點就兩個儲罐試驗模型的腐蝕聲發(fā)射信號的活性和能量進行詳細的分析。依據儲罐各個腐蝕階段的不同特征及機理，按照腐蝕活性程度的高低，將腐蝕過程大致分為三個階段：腐蝕初期、腐蝕劇烈期、腐蝕穩(wěn)定期[3]。其中1#儲罐第一次采集時，距離投入使用已一年左右，罐內腐蝕已達到比較穩(wěn)定的狀態(tài)；2#儲罐第一次采集時,距離投入使用一周左右，儲罐處于腐蝕初期，活性較強。為了便于區(qū)分兩種儲罐，將1#、2#儲罐分別稱為穩(wěn)定腐蝕儲罐和活性腐蝕儲罐。

2.1 穩(wěn)定腐蝕儲罐

圖4、圖5分別為1號儲罐每次實驗采集的總撞擊數(shù)、總事件數(shù)、總振鈴計數(shù)、總能量計數(shù)柱狀圖。從圖中可以看出，四種參數(shù)的統(tǒng)計結果隨時間的分布趨勢基本相同。1號儲罐在首次檢測前，首先進行了補充注水（儲罐內的水會蒸發(fā)，需要定期補充,同時可以模擬儲罐正常的進料或出料作業(yè)），此時采集的腐蝕信號活性最強，隨后逐漸降低，能量也是先增強、后降低。這是由于注入的水中含有大量的氯離子和氧分子，使介質中腐蝕性離子的濃度升高，腐蝕活性增強，產生的聲發(fā)射信號數(shù)量增加，總能量也隨之升高。排水后（閥門開啟使水流出，1min后關閉閥門），此時聲發(fā)射活性有稍許的提高，這是由于在排水過程中，介質流動會沖刷掉一部分腐蝕產物。腐蝕產物對罐底內部金屬具有一定的保護隔離作用，被沖刷后，內部金屬暴露并直接與介質接觸，從而使腐蝕活性增強。

由于儲罐長期放置在實驗室中，頂部沒有蓋板，隨著外界環(huán)境氣溫的升高，介質的揮發(fā)性增強。為了防止揮發(fā)的水汽對實驗室環(huán)境造成影響，后期在罐頂覆蓋一層塑料膜(可以模擬儲罐罐內介質的揮發(fā))。如圖6所示，從圖中可以看出，由于晝夜溫差及水蒸氣蒸發(fā)的原因，介質以上罐壁和塑料膜上凝結了較多的水汽。圖4和圖5中箭頭所示為蓋上塑料膜后第一次采集的聲發(fā)射信號，可以看出聲發(fā)射活性和總能量有稍許的上升趨勢，后來逐漸降低。其一方面是由于室溫升高，加快了腐蝕速率，使聲發(fā)射活性增強；另一方面，根據儲罐氣相部位腐蝕機理，凝結在罐壁上的水膜使氧氣更容易擴散到鋼材表面，氧的去極化反應更為迅速，使未與介質接觸的罐壁的腐蝕速率加快。這兩種情況均使腐蝕活性有所上升，聲發(fā)射活性和能量也隨著升高。隨著新的氧化層的形成，又在金屬表面形成了一層類似鈍化膜的腐蝕產物，在一定程度上阻隔了介質與金屬的繼續(xù)接觸，因此腐蝕活性逐漸降低，聲發(fā)射活性也隨之降低。

圖4　穩(wěn)定腐蝕儲罐的撞擊/事件數(shù)趨勢圖

圖5　穩(wěn)定腐蝕儲罐的振鈴/能量計數(shù)趨勢圖

圖6　蓋上塑料膜后的儲罐

2.2 活性腐蝕儲罐

2號儲罐投入使用時即進行了注水，此時由于液位不穩(wěn)定，且腐蝕現(xiàn)象并未在儲罐表面形成均勻分布，試驗效果不具有與現(xiàn)場實際儲罐相似的代表性，因此選取一周后再進行檢測。第一次采集時，儲罐表面已經完全進入了腐蝕活躍期，從幅值歷程圖和撞擊計數(shù)率歷程圖中均可以看出腐蝕信號的活性和強度均很高。隨著腐蝕反應時間的延續(xù)，腐蝕活性逐漸降低，高幅值信號減少，總的信號數(shù)量也隨之降低。但是由于腐蝕依然在緩慢進行，還是存在有較多的低幅值信號。

圖7和圖8分別為活性腐蝕儲罐聲發(fā)射信號的四種參數(shù)隨時間變化的柱狀圖，從圖中可以看出，儲罐投用一周后第一次采集時，聲發(fā)射的信號活度較高，隨著時間的推移又逐漸降低，但是釋放的總能量卻在不斷升高。排水后（閥門開啟使水流出，1min后關閉閥門），由于部分腐蝕層被沖刷破壞，活性迅速升高，能量也有所提升，隨后活度有所降低，并基本保持不變，但是其總能量在不斷降低。蓋上塑料膜后，聲發(fā)射活性和釋放的能量有稍許的上升，但是幅度不大。

圖7　活性腐蝕儲罐撞擊/事件數(shù)趨勢圖

圖8　活性腐蝕儲罐振鈴/能量計數(shù)趨勢圖

合腐蝕機理[3-5]，儲罐第一次注滿水后，由于內部沒有進行防腐措施，介質與罐壁直接接觸，形成較強的電化學環(huán)境，腐蝕開始進行。腐蝕初期，陰極電極反應，釋放氫氣，陽極金屬溶解，形成氧化膜。氫氣的產生、摩擦與破裂，氧化膜的生成、摩擦均會產生較多的聲發(fā)射信號。隨著反應的進行，介質中氫離子的濃度降低，氣泡減少，因此信號總數(shù)有所降低。但是陽極氧化反應仍在不斷進行，在氧化膜還未形成有效保護之前，腐蝕速率依然較高。此時氧化產物的形成、摩擦、破裂和剝落均會產生能量較大的聲發(fā)射信號，因此，雖然信號數(shù)量有所減少，但釋放的總能量升高。隨著介質中腐蝕性離子濃度降低、氧化膜的厚度增加，腐蝕速率逐漸降低，釋放的能量也逐漸減少。排水后由于沖刷掉一部分腐蝕層，腐蝕速率有所上升，信號活度和總能量升高，但是隨后很快降低，之后腐蝕活性基本維持在一定水平，而釋放的總能量卻在不斷降低，表明高能量信號迅速減少。

3 參數(shù)歷程分析

由上述分析可知，腐蝕的不同時期聲發(fā)射特性具有較大的差異，這與腐蝕機理有著直接的聯(lián)系。本節(jié)根據距離儲罐首次注水日期的時間，從2號儲罐長期腐蝕聲發(fā)射檢測數(shù)據中提取四次具有代表性的聲發(fā)射信號（注水后第7天，第5個月，第1年，第1.5年）進行分析，得出聲發(fā)射參數(shù)隨著腐蝕活性的變化規(guī)律，建立聲發(fā)射參數(shù)特性與腐蝕活性之間的對應關系。

圖9為提取的四次腐蝕監(jiān)測數(shù)據的幅值歷程散點圖和撞擊計數(shù)率歷程圖，通過比較可以看出聲發(fā)射信號與腐蝕活性的對應關系。首先，從幅值歷程圖中可以看出，在儲罐模型首次注水后，第一次采集的信號幅值范圍最大，在40～90dB之間均有分布，主要集中在低幅值范圍內。隨著腐蝕時間的延長，高幅值信號明顯減少，幅值范圍越來越小。當腐蝕進入十分平穩(wěn)的時期，只在40～60dB之間有信號。其次，從撞擊歷程圖中可以看出，第5個月時，單位時間段（18s）內的平均撞擊數(shù)水平超過了第7天的信號，但是聚集信號產生的頻率降低。隨著腐蝕時間的增長，平均撞擊數(shù)水平不斷降低，聚集信號產生的頻率繼續(xù)下降。當腐蝕進入到十分平穩(wěn)的時期，平均撞擊數(shù)水平和聚集信號出現(xiàn)的頻率相比于腐蝕前期都有大幅度的下降。

圖9　不同腐蝕時期的信號幅值歷程散點圖及撞擊計數(shù)率歷程圖

結合腐蝕聲發(fā)射機理進行分析，在不同的腐蝕時期，主要的聲發(fā)射源是不一樣的。腐蝕初期，主要是氫氣泡的生成和金屬的溶解過程，這類聲源的強度較小，因此聲發(fā)射信號的幅值較低。隨著電化學反應的發(fā)生，腐蝕開始進入活躍期，此時的聲發(fā)射源主要是腐蝕產物的生成，該過程伴隨著金屬內部結構的劇烈變化，并且腐蝕產物在不斷生成的過程中與金屬本體剝離、相互摩擦，都會產生幅值較高的信號。隨著腐蝕產物的不斷生成，逐漸堆積在金屬本體上，當堆積到一定厚度后，外側的腐蝕產物在重力或其他作用力下脫落，也會產生較強的聲發(fā)射信號。隨著腐蝕產物的生成，在金屬的表面會覆蓋一層較厚的氧化膜，在一定程度上將金屬本體與介質隔離，阻礙了腐蝕過程的進行，腐蝕開始進入平穩(wěn)期。但是這種氧化膜比較疏松，不能完全阻礙反應的進行，因此腐蝕過程依然在進行，但是相對于劇烈期比較溫和。

4 參數(shù)分布分析

上節(jié)中已經分析得出腐蝕信號主要集中在低幅值范圍內，幅值越高的信號越少，分布越分散?，F(xiàn)統(tǒng)計兩個儲罐的幅值分布隨著腐蝕時期的變化情況，如圖10所示。可以看出，無論腐蝕處于哪個時期，信號都主要分布在低幅值、低能量的范圍內。其中，活性腐蝕儲罐在半年時間內，40～50dB的信號均占80%以上；50～60dB的信號其次，均在20%以內；60～100dB的信號最少。在腐蝕前幾個階段，60～100dB的信號比例較多，甚至與50～60dB區(qū)間的信號數(shù)量相當。然而，隨著腐蝕的不斷進行，60～100dB的信號急劇減少，基本維持在5%以下，50～60dB的信號比例有所上升。

穩(wěn)定腐蝕儲罐的幅值分布基本相似，40～50dB的信號比例最多，占總信號的60%以上。50～60dB的信號其次，占總信號的15%至30%之間，60dB的信號最少，占5%以下。

圖10　各幅值區(qū)間撞擊百分比

圖11為兩個儲罐的能量分布隨腐蝕時間的變化情況，可以看出，與幅值分布相似，腐蝕信號均主要集中在1～100的低能量范圍內，該區(qū)間的信號比例均在60%以上。100～1000的信號比例其次，活性腐蝕儲罐每次采集的信號以及穩(wěn)定腐蝕儲罐大部分時期的信號，該區(qū)間的信號比例均在20%～40%之間。當腐蝕十分穩(wěn)定的時期，該區(qū)間信號比例甚至在5%以下。1000以上的信號所占比例最小，活性腐蝕儲罐剛開始采集的幾次信號，其比例會達到10%左右，隨后一直降低，基本維持在5%以下。

圖11　各能量區(qū)間撞擊百分比

5 結論

本文通過對儲罐模型進行長期腐蝕監(jiān)測實驗，得到儲罐腐蝕的聲發(fā)射特征，主要結論如下：

1）腐蝕是一個長期的過程，不同腐蝕時期的腐蝕機理不同，并且會隨著外界環(huán)境條件以及工況的改變而變化。聲發(fā)射技術能夠靈敏地反映腐蝕的活性，因此可以有效地檢測儲罐的腐蝕情況。

2）聲發(fā)射信號的特征參數(shù)（幅值、能量、振鈴計數(shù)、持續(xù)時間、上升時間）在不同的腐蝕階段有所不同，具體表現(xiàn)為：(1)在腐蝕劇烈時，參數(shù)范圍較廣，高幅值、高能量，持續(xù)時間長的信號較多。隨著腐蝕逐漸進入穩(wěn)定期，參數(shù)范圍縮小，特別是高幅值、高能量、持續(xù)時間長的信號大大減少；(2)雖然聲發(fā)射信號的參數(shù)值隨著腐蝕時間有所變化，但是參數(shù)之間的相關性基本維持不變，特別是能量、振鈴計數(shù)、持續(xù)時間三種參數(shù)具有較好的相關性。幅值越大的信號能量一般也越大，但是當進入到腐蝕劇烈期時，高幅值的能量反而較小，且持續(xù)時間短，可能是由氧化皮脫落瞬間產生的突發(fā)型信號。高幅值信號的上升時間都較短，是由能量的快速釋放造成的；(3)不同的腐蝕時期，幅值和能量的分布基本相同，均主要分布在低幅值、低能量區(qū)間。

參考文獻

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收稿日期：（2015-08-28）

作者簡介：孫志濤(1985～)，男，本科，工程師，特種設備檢驗員，從事特種設備檢驗工作。

文章編號：1673-257X(2016)03-0044-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.010

中圖分類號:X924.2

文獻標識碼：B