304不銹鋼點(diǎn)腐蝕的聲發(fā)射檢測(cè)

劉金娥 ，段 權(quán) ，楊 旭

(1.西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院,西安 710065;2.西安交通大學(xué) 過(guò)程裝備與控制工程系,西安 710049)

304不銹鋼點(diǎn)腐蝕的聲發(fā)射檢測(cè)

劉金娥1，段 權(quán)2，楊 旭1

(1.西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院,西安 710065;2.西安交通大學(xué) 過(guò)程裝備與控制工程系,西安 710049)

采用聲發(fā)射方法監(jiān)測(cè)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備及壓力容器中304不銹鋼的點(diǎn)腐蝕，采集其在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的FeCl3·6H2O溶液中的點(diǎn)腐蝕聲發(fā)射信號(hào)，研究聲發(fā)射信號(hào)的規(guī)律及特性，總結(jié)出點(diǎn)腐蝕信號(hào)的特征參量，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)的應(yīng)用提供借鑒。

不銹鋼；點(diǎn)腐蝕；聲發(fā)射

對(duì)于不銹鋼來(lái)說(shuō)，點(diǎn)腐蝕可以導(dǎo)致其表面形成針狀的坑點(diǎn)，且坑點(diǎn)會(huì)從表面向內(nèi)擴(kuò)展形成孔穴。在含有鹵素離子特別是Cl-的腐蝕介質(zhì)中，不銹鋼的鈍化膜極易被破壞[1]。由于不銹鋼的點(diǎn)蝕表現(xiàn)出的規(guī)律性并不統(tǒng)一，因此有關(guān)其點(diǎn)蝕的機(jī)理目前仍處于研究階段。學(xué)術(shù)界目前可以接受的意見是：不銹鋼點(diǎn)蝕過(guò)程中表面處于活化狀態(tài)，鈍化膜消失，活化的金屬可直接與電解質(zhì)接觸，發(fā)生腐蝕。金屬的溶解過(guò)程是一種電化學(xué)反應(yīng)，在金屬的溶解過(guò)程中，當(dāng)沒(méi)有外加電流存在時(shí)，點(diǎn)蝕四周的鈍化表面就會(huì)發(fā)生陰極反應(yīng)，即為氧的還原或者氫的析出。在氫析出的過(guò)程中，氫氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生可以被儀器監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射信號(hào)[2]。同時(shí)，氫氣泡析出破裂的活度也反映了不銹鋼腐蝕發(fā)生的活躍程度。

根據(jù)吸附理論，由于不銹鋼中存在夾雜物、貧鉻區(qū)、晶界以及位錯(cuò)等，其表面的鈍化膜不可能均勻完整。當(dāng)腐蝕溶液中的Cl-與O2競(jìng)爭(zhēng)吸附時(shí)，點(diǎn)蝕往往發(fā)生在O2被Cl-取代后的金屬表面上。因此，在Cl-吸附較強(qiáng)的點(diǎn)上，金屬的溶解速度就比較快，這也可以解釋試驗(yàn)結(jié)束時(shí)有的蝕坑深而大，有的蝕坑淺而小的現(xiàn)象。

點(diǎn)蝕很容易發(fā)生在不銹鋼晶界或者非金屬夾雜物的附近。對(duì)于不銹鋼表面來(lái)說(shuō)，點(diǎn)蝕幾乎是毫無(wú)例外地從硫化物夾雜部位發(fā)生[3]。SMIALOWSKI與WRANQLEN等認(rèn)為硫化物夾雜的地方是點(diǎn)蝕形成的最敏感部位，一旦發(fā)生點(diǎn)蝕，蝕坑內(nèi)的pH值會(huì)下降，點(diǎn)蝕加速的過(guò)程中有H2S氣體析出。當(dāng)H2S氣體在不銹鋼表面破裂時(shí)，同樣會(huì)給鋼表面一個(gè)垂直的沖擊作用力，因此這個(gè)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。

1 試驗(yàn)方法

采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(Physical Acoustics Corporation，簡(jiǎn)稱PAC)生產(chǎn)的24通道微型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，試驗(yàn)中有關(guān)數(shù)據(jù)采集的參數(shù)設(shè)置為：門檻值30 dB，采樣點(diǎn)1 024，采樣率1 MHz，增益40 dB，預(yù)觸發(fā)時(shí)間20 μs，峰值定義時(shí)間(PDT)300 μs，撞擊定義時(shí)間(HDT)600 μs，撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)1 000 μs。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所需要的儀器及工具有：聲發(fā)射檢測(cè)儀，恒溫水浴鍋，2 L燒杯，鐵架臺(tái)，溫度計(jì)。將試件懸掛于鐵架臺(tái)上，置入裝有腐蝕溶液的燒杯中，用溫度計(jì)來(lái)調(diào)整腐蝕溶液與恒溫水域之間的溫度偏差。點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)裝置示意

傳感器布置方式如圖2所示。圖中非試驗(yàn)區(qū)域涂上環(huán)氧樹脂，傳感器通過(guò)醫(yī)用凡士林耦合于圖中所示圓形區(qū)域。

圖2 點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)傳感器布置示意

1.2 試件制備

采用304不銹鋼作為試驗(yàn)材料。試件為100 mm×70 mm×4 mm的薄板，共4片。金屬腐蝕研究方法[4]中明確指出，試件表面的粗糙度和均一性對(duì)于腐蝕結(jié)果的影響是非常重要的。因此，在制備試件時(shí)，需要通過(guò)機(jī)械切削的方法來(lái)去除金屬表面附有氧化皮、缺陷和污垢的金屬層；再對(duì)表面進(jìn)行拋光處理，以保證試件表面的粗糙度。

試驗(yàn)前，要用環(huán)氧樹脂對(duì)試件進(jìn)行密封處理，以免非試驗(yàn)部分的試件被腐蝕而影響結(jié)果。對(duì)試驗(yàn)部分的鋼材表面，需要用丙酮進(jìn)行清洗，除去試件加工時(shí)殘留于表面的油污。清洗時(shí)要用鑷子夾取干凈的脫脂棉輕輕擦拭，以免在試件表面形成劃痕而影響結(jié)果。再用蒸餾水充分沖洗試件表面，最后進(jìn)行烘干處理。

1.3 試驗(yàn)步驟及結(jié)果 將304不銹鋼浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的FeCl3·6H2O溶液中進(jìn)行腐蝕，試驗(yàn)時(shí)間為24 h。試驗(yàn)步驟為：

第一步，進(jìn)行傳感器的標(biāo)定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18182-2012《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》規(guī)定的方法進(jìn)行標(biāo)定，各傳感器接收信號(hào)的最小幅值為97 dB，最大幅值為99 dB，平均誤差不超過(guò)3 dB，滿足要求。

第二步，測(cè)試背景噪聲。試驗(yàn)過(guò)程中盡量保持系統(tǒng)安靜無(wú)噪音，在進(jìn)行了1.5 h的環(huán)境及系統(tǒng)噪聲測(cè)量后，僅采集到了很少的撞擊數(shù)，且噪聲信號(hào)的能量計(jì)數(shù)很小。

第三步，進(jìn)行試驗(yàn)。304不銹鋼在浸入腐蝕溶液中后，經(jīng)過(guò)了數(shù)秒就有氣泡附著在試件表面上，最先附著的位置是試件的底部界面，然后是側(cè)面，最后是金屬的兩側(cè)表面。位于底部的氣泡最大，一個(gè)一個(gè)氣泡緊挨著；側(cè)面的氣泡則較小但也均勻排列；兩側(cè)表面的氣泡是最小的，且服從從下往上逐漸減少的規(guī)律。在初始的1.5 h內(nèi)，信號(hào)能量計(jì)數(shù)集中在25 000以下，到第9 h時(shí)已經(jīng)增至150 000；經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的重放可知，到第13 h時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)能量計(jì)數(shù)達(dá)到峰值300 000多；之后便開始逐步下降，到試驗(yàn)結(jié)束的第24 h時(shí)，計(jì)數(shù)已降至100 000以內(nèi)。說(shuō)明聲發(fā)射信號(hào)能量經(jīng)歷從小到大，再減小的過(guò)程。腐蝕初期撞擊數(shù)較多，但幅值很小，大多集中在35 dB以下，這個(gè)過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)主要是由試驗(yàn)初期附著在試件表面的大量微小氫氣泡的破裂引起的。試驗(yàn)進(jìn)行到第9 h時(shí)附著在試件表面的大量微小的氫氣泡已經(jīng)不存在了，此時(shí)撞擊數(shù)有所減少，但聲發(fā)射信號(hào)的幅值已較初期增長(zhǎng)了不少，達(dá)到45 dB；第13 h是腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生能量最大的時(shí)間，此時(shí)點(diǎn)蝕部分腐蝕產(chǎn)物的脫落產(chǎn)生了幅值較大的信號(hào)，最大可達(dá)到55 dB；試驗(yàn)進(jìn)行到第24 h時(shí)，撞擊數(shù)雖有所增加，但信號(hào)幅值明顯減小，主要集中在40 dB以下。

整個(gè)腐蝕過(guò)程的能量計(jì)數(shù)參數(shù)見圖3。從圖中可以看出304不銹鋼點(diǎn)腐蝕經(jīng)歷了從緩慢腐蝕增長(zhǎng)期到快速腐蝕期，再到平穩(wěn)腐蝕期的過(guò)程，整個(gè)腐蝕過(guò)程的信號(hào)幅值主要集中在35～50 dB之間。

圖3 整個(gè)腐蝕過(guò)程的能量計(jì)數(shù)參數(shù)特征

304不銹鋼整個(gè)腐蝕過(guò)程產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物較少，但是點(diǎn)蝕區(qū)域的蝕坑很深，且直徑比較大?？梢?，點(diǎn)蝕對(duì)不銹鋼的破壞程度還是相當(dāng)嚴(yán)重的。圖4即為不銹鋼點(diǎn)腐蝕后的形貌。

圖4 304不銹鋼點(diǎn)蝕結(jié)果

2 信號(hào)處理

結(jié)合各小波基的特點(diǎn)，決定選取Daubechies系列(簡(jiǎn)稱DbN系列)小波作為304不銹鋼聲發(fā)射信號(hào)處理的小波基。根據(jù)計(jì)算，最大分解尺度值均選5。

根據(jù)304不銹鋼聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生趨勢(shì)及特征，決定選取試驗(yàn)進(jìn)行第2 h，第9 h，第13 h以及第24 h的聲發(fā)射典型波形信號(hào)進(jìn)行小波降噪處理。

試驗(yàn)進(jìn)行第2 h的典型信號(hào)波形及其降噪后的信號(hào)波形見圖5。

圖5 試驗(yàn)第2 h時(shí)采集到的原始信號(hào)及其降噪后的信號(hào)波形

從上面的分析可以看出，304不銹鋼在點(diǎn)蝕初期的信號(hào)呈現(xiàn)出了突發(fā)型的特點(diǎn)，信號(hào)頻率主要集中在100 kHz～300 kHz之間。

試驗(yàn)進(jìn)行第9 h的典型信號(hào)波形及其降噪后的信號(hào)波形圖見圖6。

圖6 試驗(yàn)第9 h時(shí)采集到的原始信號(hào)及其降噪后的信號(hào)波形

試驗(yàn)進(jìn)行到第9 h時(shí)，信號(hào)波形呈現(xiàn)出了混合型的特點(diǎn)，主要頻率集中在100 kHz～200 kHz之間。

試驗(yàn)進(jìn)行第13 h的典型信號(hào)波形及其降噪后的信號(hào)波形見圖7。

圖7 試驗(yàn)第13 h時(shí)采集到的原始信號(hào)及其降噪后的信號(hào)波形

分析可知，試驗(yàn)進(jìn)行到13 h時(shí)信號(hào)波形呈現(xiàn)出連續(xù)型的特征，主要頻率集中在70 kHz～150 kHz之間。

試驗(yàn)進(jìn)行第24 h的典型信號(hào)波形及其在5個(gè)尺度下的小波分解見圖8。

圖8 試驗(yàn)第24 h時(shí)采集到的原始信號(hào)及其降噪后的信號(hào)波形

最后這段時(shí)間內(nèi)，腐蝕信號(hào)又呈現(xiàn)出了突發(fā)型的特點(diǎn)，頻率范圍較窄，主要頻率集中在70 kHz～130 kHz之間。

3 結(jié)論

綜合整個(gè)試驗(yàn)信號(hào)的分析過(guò)程，發(fā)現(xiàn)304不銹鋼整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)信號(hào)類型不統(tǒng)一，不同腐蝕階段具有不同代表性的信號(hào)類型。開始的緩慢腐蝕增長(zhǎng)期的信號(hào)類型主要是突發(fā)型，到了快速腐蝕期混合型、連續(xù)型信號(hào)均有出現(xiàn)，而到最后的腐蝕穩(wěn)定期的信號(hào)類型又呈現(xiàn)出了突發(fā)型的特征?？偨Y(jié)各腐蝕階段的信號(hào)頻率特征，發(fā)現(xiàn)304不銹鋼在FeCl3·6H2O溶液中的點(diǎn)蝕聲發(fā)射信號(hào)頻率主要集中在70 kHz～300 kHz。

(1) 腐蝕過(guò)程包括三個(gè)階段：從能量增長(zhǎng)圖來(lái)看，在最初的9 h內(nèi)，腐蝕速率增加比較緩慢，之后一直到第13 h左右腐蝕速率明顯快速增加，最后又趨于穩(wěn)定。

(2) 腐蝕過(guò)程中的信號(hào)幅值在30～55 dB間均有分布，但主要還是集中在35～50 dB間。

(3) 腐蝕聲發(fā)射信號(hào)的頻率在不同腐蝕階段呈現(xiàn)出不同的區(qū)域特征，但主要頻率范圍均為70 kHz～300 kHz。

[1] JONES R H, FRIESEL M A. Aoustic emission during pitting and transgranular crack initiation in type 304 stainless steel[J]. Corission, 1992, 48: 751-758.

[2] IDRISSI H, MZAILLE H, RENAUD L, et al. Initiation and paopagation steps in pitting corrosion of austenitic steels: monitoring by AE [J]. Corrosion Science, 2001, 43(6): 27-41.

[3] WINSTON R. 尤利格腐蝕手冊(cè)[M]. 楊武,譯.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005: 125-137.

[4] 吳蔭順. 金屬腐蝕研究方法[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1993: 10-13.

Acoustic Emission Testing of the Pitting Corrosion of 304 Stainless Steel

LIU Jin-e1, DUAN Quan2, YANG Xu1

(1. Xi′an Special Equipment Inspection Institute, Xi′an 710065, China； 2.Department of Process Equipment and Control Engineering, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

In industrial production, when the damage and losses caused by corrosion have occurred, it not only reduces the reliability and service life of structures and pressure vessels, also poses a threat to the social economy and people′s lives and property safety. Thus, monitoring and forecast related to corrosion should also have received attention. This article will use acoustic emission method to monitor pitting test handling equipment commonly used in industry and pressure vessels of 304 stainless steel. The acoustic emission signals by pitting in 6% FeCl3·6H2O solution shall be collected and the change law and characteristics of pitting acoustic emission signal feature parameter shall be summarized up to provide basic data for the industrial field inspection applications.

Stainless steel; Pitting corrosion; Acoustic emission

2016-07-13

劉金娥(1984-),女，碩士，工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)及科研工作。

劉金娥，E-mail: keke_97@163.com。

10.11973/wsjc201703015

TG115.28;TG172

A

1000-6656(2017)03-0060-04