儲(chǔ)罐聲發(fā)射在線檢測(cè)方法及其應(yīng)用

趙永濤，孫文勇，胡家順，張 穎

(1.中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 102206;2.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕是引起儲(chǔ)罐罐底腐蝕穿孔、破裂的重要因素，而當(dāng)罐底有腐蝕發(fā)生時(shí)，腐蝕過(guò)程會(huì)產(chǎn)生眾多強(qiáng)度不等的聲源，能否通過(guò)檢測(cè)儀器接收和分析這些聲信號(hào)，并在不開(kāi)罐的條件下確定罐底腐蝕和泄漏的狀態(tài)，是聲發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域的前沿研究課題。本文針對(duì)腐蝕產(chǎn)生的聲源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)模擬裝置進(jìn)行了在線檢測(cè)。

1 儲(chǔ)罐聲發(fā)射在線檢測(cè)方法的建立

1.1 實(shí)驗(yàn)

通過(guò)將傳感器放入罐內(nèi)水介質(zhì)中和在靠近罐底的罐壁周圍均勻陣列傳感器相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法依次來(lái)研究:1)斷鉛AE信號(hào)在罐內(nèi)水介質(zhì)中的衰減規(guī)律;2)對(duì)比分析腐蝕AE信號(hào)在經(jīng)過(guò)腐蝕源金屬壁、水介質(zhì)、罐壁過(guò)程中的特征參量取值范圍及腐蝕規(guī)律;3)提取放入罐內(nèi)水中的傳感器在不同的腐蝕階段采集的腐蝕信號(hào)波形特性。

實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)為美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的SAMOS-32通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，傳感器為DP3I，工作頻率范圍為20～220 kHz。

在尺寸為Φ100 mm×200 mm×4 mm、材料為Q235的鋼管上部連接PP-R管，通大氣。圓筒的底部焊有法蘭，其中插入一塊材料為Q235的盲板并將其固定。在圓筒內(nèi)部裝入適量pH為2的硫酸溶液，并將其放入裝有水的立式儲(chǔ)罐內(nèi)，進(jìn)行持續(xù)腐蝕監(jiān)測(cè)15 h。儲(chǔ)罐選取小型立式模擬儲(chǔ)罐。其裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

在距罐底板50 mm的罐壁周圍等距離地耦合6個(gè)傳感器，編號(hào)為1～6，在罐底中間處耦合1個(gè)傳感器，編號(hào)為7，在腐蝕源裝置外壁耦合1個(gè)傳感器，距罐底50 mm，編號(hào)為8，在水中與8號(hào)等平面處放入傳感器，編號(hào)為9，并將8和9號(hào)傳感器與信號(hào)線連接處進(jìn)行密封，傳感器布置與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用低頻傳感器進(jìn)行檢測(cè)，利用9號(hào)傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，將傳感器放入距罐底斷鉛位置50 mm處的水中，待其穩(wěn)定后，每向上100 mm做一點(diǎn)，進(jìn)行罐底斷鉛信號(hào)采集，每點(diǎn)斷鉛3次，共標(biāo)定10個(gè)點(diǎn)［1］。幅值變化結(jié)果見(jiàn)表1。D為傳感器與信號(hào)源的距離;n為斷鉛的次數(shù);A為信號(hào)幅值。

表1 斷鉛信號(hào)幅度A變化表 dB

9號(hào)傳感器經(jīng)水介質(zhì)傳播所接收到的信號(hào)幅值隨距離變化關(guān)系見(jiàn)圖3。由衰減曲線可知，斷鉛AE信號(hào)在水中傳播具有回波性，即傳播了一段距離之后往往出現(xiàn)回波現(xiàn)象(短時(shí)高幅值信號(hào))，但衰減曲線整體呈下降趨勢(shì)。斷鉛信號(hào)由81 dB衰減到53 dB，衰減損失近28 dB，平均每100 mm衰減2.8 dB。因此，在罐內(nèi)介質(zhì)中放入傳感器進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，此種方法具有可測(cè)性。同時(shí)，對(duì)于低幅值的腐蝕AE信號(hào)沿罐內(nèi)介質(zhì)傳播時(shí)，由于能量損失很大，因此耦合在罐壁上的傳感器很難接收到低幅度腐蝕信號(hào)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果會(huì)有一定影響，所以充分證明在罐內(nèi)介質(zhì)中放入傳感器來(lái)研究AE信號(hào)特性的價(jià)值所在。

1.3 腐蝕聲發(fā)射信號(hào)特性

表2～表4中分別列出了在不同腐蝕階段各傳感器所接收到AE信號(hào)各個(gè)特征參量的取值范圍。

表2 腐蝕孕育期AE信號(hào)特征參量的取值范圍

表3 腐蝕加速期AE信號(hào)特征參量的取值范圍

表4 腐蝕平穩(wěn)期AE信號(hào)特征參量的取值范圍

從表2～表4可以得知，9號(hào)傳感器接收到的信號(hào)幅值、撞擊計(jì)數(shù)率等參數(shù)要明顯低于8號(hào)傳感器，而2號(hào)要低于9號(hào)。主要是因?yàn)楦g源信號(hào)透過(guò)鋼管壁，然后經(jīng)過(guò)水介質(zhì)傳播到9號(hào)傳感器接收，這一過(guò)程中要損失部分能量，信號(hào)幅值有所衰減;而2號(hào)傳感器耦合在罐壁上，接收到的信號(hào)衰減幅度會(huì)更大。腐蝕聲發(fā)射信號(hào)累加撞擊計(jì)數(shù)與撞擊計(jì)數(shù)率變化關(guān)系見(jiàn)圖4。

從圖4a)可以看出，在腐蝕初期，撞擊計(jì)數(shù)較少。但隨著時(shí)間的增加，數(shù)量開(kāi)始增多，在腐蝕11 h左右，信號(hào)撞擊計(jì)數(shù)達(dá)到峰值，隨后數(shù)量開(kāi)始減少并趨于穩(wěn)定。從圖4b)可以看出，在相同的時(shí)間里，腐蝕源信號(hào)在經(jīng)過(guò)不同的路徑傳播后，其累加撞擊計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同。但在單位時(shí)間內(nèi)，8號(hào)傳感器的累計(jì)計(jì)數(shù)要高于9號(hào)傳感器，而9號(hào)傳感器要高于2號(hào)傳感器。據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，腐蝕過(guò)程分為三個(gè)階段［2］:

1)腐蝕孕育期(0～4.5 h)，此階段發(fā)生在腐蝕初期，試件表面沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物生成，撞擊計(jì)數(shù)數(shù)量不多;

2)腐蝕加速期(4.5～9 h)，隨著腐蝕持續(xù)進(jìn)行，試件表面產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，撞擊計(jì)數(shù)明顯增加;

3)腐蝕平穩(wěn)期(9～15 h)，腐蝕進(jìn)行12 h之后，由于試件表面鈍化，撞擊計(jì)數(shù)開(kāi)始減少，但腐蝕仍在發(fā)展。

2 儲(chǔ)罐聲發(fā)射在線檢測(cè)的應(yīng)用

通過(guò)在儲(chǔ)罐底板中心附近放置模擬腐蝕源來(lái)發(fā)出腐蝕AE信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)采用的是小型不銹鋼儲(chǔ)罐，聲發(fā)射采集儀的9個(gè)通道均能接收到聲發(fā)射信號(hào)，并比較清晰地反映出底板腐蝕區(qū)域的腐蝕狀況。腐蝕罐底聲源定位如圖5所示，經(jīng)開(kāi)罐檢測(cè)，本檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際腐蝕情況(見(jiàn)圖6)完全一致。

3 結(jié)論

1)斷鉛AE信號(hào)在水中傳播具有回波性，但衰減曲線整體呈下降趨勢(shì)。

2)腐蝕源信號(hào)透過(guò)金屬壁通過(guò)水介質(zhì)傳播時(shí)的幅值、能量等會(huì)有所衰減。

3)三個(gè)不同階段的腐蝕AE信號(hào)波形同為突發(fā)型信號(hào)特征，并且存在多次反射。在腐蝕加速期信號(hào)幅值較強(qiáng)，能量較大。而孕育期和平穩(wěn)期幅值較低，能量較小。

4)由三個(gè)傳感器所接收的AE信號(hào)特性曲線可以得知，其特征參量的取值范圍上都有所差別，但其腐蝕變化趨勢(shì)保持一致，并將腐蝕過(guò)程分為腐蝕孕育期、加速期和平穩(wěn)期三個(gè)階段。

5)由儲(chǔ)罐檢測(cè)結(jié)果定位圖同開(kāi)罐檢測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，本方法具有很好的實(shí)用性，可用在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

［1］ GB/T18182－2000.金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法［S］.

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