基于聲發(fā)射技術(shù)的在用管道腐蝕檢測試驗

白春動 白 楊

（1.河北省特種設(shè)備技術(shù)檢查中心；2.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院滄州分院）

管道運輸作為一種長距離運輸方式，由于不需要運輸車輛，且具有運輸成本低、安全性高、運輸能力強的特點，目前已成為油氣等化學(xué)產(chǎn)品運輸?shù)闹饕绞?。管道運輸?shù)慕橘|(zhì)通常具有腐蝕性，加之自然環(huán)境中土壤等的腐蝕作用，會造成管道破壞，威脅在用管道的安全性，嚴重時甚至引起環(huán)境污染。因此，有必要對在用管道腐蝕情況進行監(jiān)測。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，針對管道腐蝕的檢測方法相繼提出，方海清等利用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)，通過對天然氣凈化廠化學(xué)排污、埋地循環(huán)水等管道進行檢測，認為超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)可對長距離管線、地下循環(huán)水、廠區(qū)邊際水管網(wǎng)腐蝕情況進行檢測，縱向定位精度達±60 mm，環(huán)向定位精度達22°，橫截面積缺陷相對值達2%［1］。胡洪宣等通過分析管道內(nèi)部金屬損失深度分布情況，利用電磁渦流技術(shù)對小管徑、低壓低流速管道進行了腐蝕檢測，認為電磁渦流技術(shù)對管道內(nèi)腐蝕缺陷敏感，能夠為全面了解管道現(xiàn)狀、實現(xiàn)管道的科學(xué)管理提供一定的依據(jù)［2］。梅兆池等提出一種基于聲發(fā)射技術(shù)和信號頻域特征提取算法的管道泄漏識別和定位方法，研究了不同孔徑和不同管道壓力下管道泄漏檢測和泄漏點定位問題，實現(xiàn)了管道小孔徑泄漏檢測［3］。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，管道腐蝕檢測不僅實現(xiàn)了對管道表面性質(zhì)的檢測，而且實現(xiàn)了對管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的檢查。相較而言，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)依賴于檢測人員操作熟練程度，存在一定的誤差；電磁渦流技術(shù)屬于交變電流檢測，只能對管道表面或近表面進行檢測；聲發(fā)射技術(shù)作為一種新型動態(tài)無損檢測技術(shù)，可動態(tài)捕捉應(yīng)力作用下的缺陷信息，并對活動性缺陷安全性進行評價，該方法在檢測時不受環(huán)境影響，對各種極限惡劣環(huán)境（易燃易爆等）均可實現(xiàn)高效率檢測。因此，筆者利用聲發(fā)射技術(shù)對在用管道的腐蝕狀況進行檢測。

1 試驗原理

聲發(fā)射技術(shù)是通過接收聲發(fā)射信號，檢測材料是否發(fā)生形變或裂紋的一種動態(tài)無損檢測技術(shù)［4］，其基本原理如圖1 所示。聲發(fā)射源發(fā)射信號到待測物體，聲電轉(zhuǎn)換器對接收到的信號進行轉(zhuǎn)換，通過信號放大器和處理器進行記錄與處理，實現(xiàn)對信號特征的分析與評定。

圖1 聲發(fā)射技術(shù)原理

聲發(fā)射技術(shù)檢測系統(tǒng)的分析方法可分為參數(shù)分析和波形分析。參數(shù)分析主要提取特征參數(shù)，特征參數(shù)包括振鈴計數(shù)、持續(xù)時間及上升時間等，其中振鈴計數(shù)可表征信號類型，其值取決于門檻電壓；門檻電壓在一定程度上可對聲發(fā)射信號進行降噪［5］；持續(xù)時間可鑒別噪聲；上升時間可用于鑒別和濾除噪聲，其值通常為10-8～10-4s。

2 試驗

2.1 試驗設(shè)備選型

試驗選用SAEU2S 聲發(fā)射儀作為在用管道腐蝕聲信號檢測儀，選用SR150A 作為傳感器，選用PA I 型放大器作為前置放大器。

SAEU2S 聲發(fā)射儀共8 個通道，可通過高通或低通濾波對信號進行濾波處理；包括一個前置放大器，可實現(xiàn)信號放大；包括一個A/D 轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換［6］。

SR150A 傳感器諧振頻率為150 kHz，頻率范圍為60～400 kHz，規(guī)格尺寸為φ19 mm×15 mm，使用溫度范圍為-40～80 ℃［7］。

PA I 型前置放大器為單端輸入放大器，帶寬為10 kHz～2 MHz，增益為（40±1）dB，噪聲小于26 dB。

2.2 試驗材料

試驗選用X60 管線鋼材料制作試樣，試樣尺寸為180 mm×25 mm×4 mm；配置質(zhì)量分數(shù)為10%的FeCl3·6H2O 溶液作為腐蝕溶液。

考慮到試樣潔凈度與表面粗糙度對腐蝕具有一定的影響，因此，為了減小試驗結(jié)果的誤差，試驗前利用砂紙對試樣進行打磨，并采用丙醇進行清洗。

為了使試樣符合傳感器的靈敏性要求，采用0.5 mm 的HB 鉛對傳感器進行斷鉛標定［8］，并最終確定傳感器的信號幅值均值在97～100 dB 之間。

2.3 試驗方案

為驗證基于聲發(fā)射技術(shù)的在用管道腐蝕聲信號識別方法的有效性，將試樣斜插入90 mm 深的FeCl3·6H2O 溶液中，并在兩側(cè)分別連接一個聲發(fā)射裝置，聲發(fā)射裝置與試樣之間使用耦合劑連接。整體試驗裝置如圖2 所示，連續(xù)82 h 不間斷采集腐蝕信號。

圖2 試驗裝置示意圖

信號采集過程中，聲發(fā)射參數(shù)具體設(shè)置如下［9，10］：

參數(shù)門限 35 dB

波形門限 35 dB

采樣頻率 1 000 kHz

采樣長度 1024

采樣間隔 500 μs

鎖閉時間 2 000 μs

峰值間隔 1 000 μs

定位鎖閉時間 1 000 μs

前置放大器增益 40 dB

窗函數(shù) 矩形窗

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 腐蝕過程分析

圖3 為試樣在腐蝕溶液中聲發(fā)射信號參數(shù)隨時間的變化曲線。由圖3 可知，試樣接觸腐蝕溶液初期產(chǎn)生了35.3 dB 的聲發(fā)射信號，能量計數(shù)為0，振鈴計數(shù)為1，說明腐蝕初期產(chǎn)生的聲發(fā)射信號為噪聲信號。隨著腐蝕的進行，振鈴計數(shù)和能量計數(shù)逐漸增加達到最高值，此時腐蝕時間為53 h，隨后兩者逐漸下降，當(dāng)腐蝕時間超過70 h 后，能量計數(shù)達到最低，達到6 000 mV·μs左右（高于腐蝕初期）。

圖3 聲發(fā)射信號參數(shù)隨時間的變化曲線

圖4 為聲發(fā)射信號參數(shù)隨時間的累積變化曲線。由圖4 可知，隨著腐蝕的進行，累積振鈴計數(shù)和累積能量計數(shù)均呈現(xiàn)先平穩(wěn)上升后快速上升最后趨于平穩(wěn)的趨勢。

圖4 聲發(fā)射信號參數(shù)隨時間的累積變化曲線

綜合圖3、4 分析可得，腐蝕過程可分為初期、加速、平穩(wěn)腐蝕3 個階段，不同腐蝕階段聲發(fā)射信號累積參數(shù)不同，因此可根據(jù)聲發(fā)射信號的累積參數(shù)判別腐蝕階段。

3.2 聲發(fā)射信號特征分析

圖5 為試驗過程中不同腐蝕階段的聲發(fā)射信號波形和撞擊數(shù)。由圖5a 可知，初期腐蝕階段，由于鋼材料表面鈍化膜發(fā)生輕微破裂，產(chǎn)生了突發(fā)型聲發(fā)射信號，撞擊數(shù)幅值為30～50 dB。由圖5b 可知，加速腐蝕階段聲發(fā)射信號波幅較低，波形包絡(luò)不清晰，撞擊數(shù)快速增加，幅值分布在30～50 dB 和57～65 dB 之間，幅值范圍明顯擴大，為連續(xù)型聲發(fā)射信號。分析其原因是，加速腐蝕階段腐蝕反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生了大量的大體積氣泡，多個氣泡同時破裂導(dǎo)致聲發(fā)射信號波短促且連續(xù)［11，12］。由圖5c 可知，平穩(wěn)腐蝕階段，撞擊數(shù)幅值范圍為30～50 dB，為突變與連續(xù)混合型聲發(fā)射信號。

圖5 不同腐蝕階段的聲發(fā)射信號波形和撞擊數(shù)

圖6 為試驗過程中聲發(fā)射信號在不同腐蝕階段的時域圖通過快速傅里葉變化得到的頻譜圖。由圖6a、b 可知，初期腐蝕階段，幅值、能量隨著時間的延長而緩慢增長，幅值小于0.9 mV，頻率集中在50～175 kHz。由圖6c、d 可知，加速腐蝕階段出現(xiàn)了離散高頻聲發(fā)射，頻率為125～250 kHz、300～400 kHz。由圖6e、f 可知，平穩(wěn)腐蝕階段中頻率分布在100～220 kHz 之間。

圖6 聲發(fā)射信號在不同腐蝕階段的頻譜圖

3.3 聲發(fā)射信號小波分析

實際應(yīng)用中，聲發(fā)射信號頻率fs取值通常為10～550 kHz，最小頻率fl取值通常為10 kHz。本次試驗設(shè)置小波分解層數(shù)為5 層［13，14］，圖7 為5層小波變換后，初期、加速、平穩(wěn)腐蝕階段聲發(fā)射信號的小波系數(shù)，可以看出，隨著腐蝕進行小波系數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢。

采用小波分析提取各層能量比例，并將其繪制成直方圖，如圖8 所示。由圖8 可知，不同腐蝕階段能量比例不同，初期、加速、平穩(wěn)腐蝕階段，能量比例分別集中在d3～d5、d2～d3、d2～d4 頻率帶，這與快速傅里葉變換結(jié)果一致?？梢?，利用聲發(fā)射信號分析腐蝕過程中的能量比例，可以表征信號的差異。

圖8 不同腐蝕階段聲發(fā)射信號能量比例直方圖

4 結(jié)論

4.1 在用管道腐蝕過程包括初期、加速、平穩(wěn)腐蝕3 個階段。

4.2 不同腐蝕階段的聲發(fā)射信號參數(shù)特征具有明顯差異，初期、加速、平穩(wěn)腐蝕階段的聲發(fā)射信號類型分別為突變型、連續(xù)型、混合型。

4.3 不同腐蝕階段頻率不同，整體表現(xiàn)為由低到高再到低的趨勢。初期腐蝕階段頻率主要集中在50～175 kHz，加速腐蝕階段頻率主要集中在125～250 kHz，平穩(wěn)腐蝕階段頻率主要集中在100～220 kHz，可作為在用管道不同腐蝕階段頻率的參考范圍。