304不銹鋼點腐蝕的聲發射檢測

劉金娥 ，段 權 ，楊 旭

(1.西安特種設備檢驗檢測院,西安 710065;2.西安交通大學 過程裝備與控制工程系,西安 710049)

304不銹鋼點腐蝕的聲發射檢測

劉金娥1，段 權2，楊 旭1

(1.西安特種設備檢驗檢測院,西安 710065;2.西安交通大學 過程裝備與控制工程系,西安 710049)

采用聲發射方法監測儲運設備及壓力容器中304不銹鋼的點腐蝕，采集其在質量分數為6%的FeCl3·6H2O溶液中的點腐蝕聲發射信號，研究聲發射信號的規律及特性，總結出點腐蝕信號的特征參量，為工業現場聲發射檢測的應用提供借鑒。

不銹鋼；點腐蝕；聲發射

對于不銹鋼來說，點腐蝕可以導致其表面形成針狀的坑點，且坑點會從表面向內擴展形成孔穴。在含有鹵素離子特別是Cl-的腐蝕介質中，不銹鋼的鈍化膜極易被破壞[1]。由于不銹鋼的點蝕表現出的規律性并不統一，因此有關其點蝕的機理目前仍處于研究階段。學術界目前可以接受的意見是：不銹鋼點蝕過程中表面處于活化狀態，鈍化膜消失，活化的金屬可直接與電解質接觸，發生腐蝕。金屬的溶解過程是一種電化學反應，在金屬的溶解過程中，當沒有外加電流存在時，點蝕四周的鈍化表面就會發生陰極反應，即為氧的還原或者氫的析出。在氫析出的過程中，氫氣泡的破裂會產生可以被儀器監測到的聲發射信號[2]。同時，氫氣泡析出破裂的活度也反映了不銹鋼腐蝕發生的活躍程度。

根據吸附理論，由于不銹鋼中存在夾雜物、貧鉻區、晶界以及位錯等，其表面的鈍化膜不可能均勻完整。當腐蝕溶液中的Cl-與O2競爭吸附時，點蝕往往發生在O2被Cl-取代后的金屬表面上。因此，在Cl-吸附較強的點上，金屬的溶解速度就比較快，這也可以解釋試驗結束時有的蝕坑深而大，有的蝕坑淺而小的現象。

點蝕很容易發生在不銹鋼晶界或者非金屬夾雜物的附近。對于不銹鋼表面來說，點蝕幾乎是毫無例外地從硫化物夾雜部位發生[3]。SMIALOWSKI與WRANQLEN等認為硫化物夾雜的地方是點蝕形成的最敏感部位，一旦發生點蝕，蝕坑內的pH值會下降，點蝕加速的過程中有H2S氣體析出。當H2S氣體在不銹鋼表面破裂時，同樣會給鋼表面一個垂直的沖擊作用力，因此這個過程中也會產生聲發射信號。

1 試驗方法

采用美國物理聲學公司(Physical Acoustics Corporation，簡稱PAC)生產的24通道微型聲發射監測系統，試驗中有關數據采集的參數設置為：門檻值30 dB，采樣點1 024，采樣率1 MHz，增益40 dB，預觸發時間20 μs，峰值定義時間(PDT)300 μs，撞擊定義時間(HDT)600 μs，撞擊閉鎖時間(HLT)1 000 μs。

1.1 試驗裝置

試驗所需要的儀器及工具有：聲發射檢測儀，恒溫水浴鍋，2 L燒杯，鐵架臺，溫度計。將試件懸掛于鐵架臺上，置入裝有腐蝕溶液的燒杯中，用溫度計來調整腐蝕溶液與恒溫水域之間的溫度偏差。點腐蝕試驗裝置如圖1所示。

圖1 點腐蝕試驗裝置示意

傳感器布置方式如圖2所示。圖中非試驗區域涂上環氧樹脂，傳感器通過醫用凡士林耦合于圖中所示圓形區域。

圖2 點腐蝕試驗傳感器布置示意

1.2 試件制備

采用304不銹鋼作為試驗材料。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于腐蝕結果的影響是非常重要的。因此，在制備試件時，需要通過機械切削的方法來去除金屬表面附有氧化皮、缺陷和污垢的金屬層；再對表面進行拋光處理，以保證試件表面的粗糙度。

試驗前，要用環氧樹脂對試件進行密封處理，以免非試驗部分的試件被腐蝕而影響結果。對試驗部分的鋼材表面，需要用丙酮進行清洗，除去試件加工時殘留于表面的油污。清洗時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果。再用蒸餾水充分沖洗試件表面，最后進行烘干處理。

1.3 試驗步驟及結果 將304不銹鋼浸入質量分數為6%的FeCl3·6H2O溶液中進行腐蝕，試驗時間為24 h。試驗步驟為：

第一步，進行傳感器的標定。根據標準GB/T 18182-2012《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》規定的方法進行標定，各傳感器接收信號的最小幅值為97 dB，最大幅值為99 dB，平均誤差不超過3 dB，滿足要求。

第二步，測試背景噪聲。試驗過程中盡量保持系統安靜無噪音，在進行了1.5 h的環境及系統噪聲測量后，僅采集到了很少的撞擊數，且噪聲信號的能量計數很小。

第三步，進行試驗。304不銹鋼在浸入腐蝕溶液中后，經過了數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，然后是側面，最后是金屬的兩側表面。位于底部的氣泡最大，一個一個氣泡緊挨著；側面的氣泡則較小但也均勻排列；兩側表面的氣泡是最小的，且服從從下往上逐漸減少的規律。在初始的1.5 h內，信號能量計數集中在25 000以下，到第9 h時已經增至150 000；經過對整個試驗過程中聲發射信號的重放可知，到第13 h時，聲發射信號能量計數達到峰值300 000多；之后便開始逐步下降，到試驗結束的第24 h時，計數已降至100 000以內。說明聲發射信號能量經歷從小到大，再減小的過程。腐蝕初期撞擊數較多，但幅值很小，大多集中在35 dB以下，這個過程的聲發射信號主要是由試驗初期附著在試件表面的大量微小氫氣泡的破裂引起的。試驗進行到第9 h時附著在試件表面的大量微小的氫氣泡已經不存在了，此時撞擊數有所減少，但聲發射信號的幅值已較初期增長了不少，達到45 dB；第13 h是腐蝕過程中產生能量最大的時間，此時點蝕部分腐蝕產物的脫落產生了幅值較大的信號，最大可達到55 dB；試驗進行到第24 h時，撞擊數雖有所增加，但信號幅值明顯減小，主要集中在40 dB以下。

整個腐蝕過程的能量計數參數見圖3。從圖中可以看出304不銹鋼點腐蝕經歷了從緩慢腐蝕增長期到快速腐蝕期，再到平穩腐蝕期的過程，整個腐蝕過程的信號幅值主要集中在35～50 dB之間。

圖3 整個腐蝕過程的能量計數參數特征

304不銹鋼整個腐蝕過程產生的腐蝕產物較少，但是點蝕區域的蝕坑很深，且直徑比較大。可見，點蝕對不銹鋼的破壞程度還是相當嚴重的。圖4即為不銹鋼點腐蝕后的形貌。

圖4 304不銹鋼點蝕結果

2 信號處理

結合各小波基的特點，決定選取Daubechies系列(簡稱DbN系列)小波作為304不銹鋼聲發射信號處理的小波基。根據計算，最大分解尺度值均選5。

根據304不銹鋼聲發射信號產生趨勢及特征，決定選取試驗進行第2 h，第9 h，第13 h以及第24 h的聲發射典型波形信號進行小波降噪處理。

試驗進行第2 h的典型信號波形及其降噪后的信號波形見圖5。

圖5 試驗第2 h時采集到的原始信號及其降噪后的信號波形

從上面的分析可以看出，304不銹鋼在點蝕初期的信號呈現出了突發型的特點，信號頻率主要集中在100 kHz～300 kHz之間。

試驗進行第9 h的典型信號波形及其降噪后的信號波形圖見圖6。

圖6 試驗第9 h時采集到的原始信號及其降噪后的信號波形

試驗進行到第9 h時，信號波形呈現出了混合型的特點，主要頻率集中在100 kHz～200 kHz之間。

試驗進行第13 h的典型信號波形及其降噪后的信號波形見圖7。

圖7 試驗第13 h時采集到的原始信號及其降噪后的信號波形

分析可知，試驗進行到13 h時信號波形呈現出連續型的特征，主要頻率集中在70 kHz～150 kHz之間。

試驗進行第24 h的典型信號波形及其在5個尺度下的小波分解見圖8。

圖8 試驗第24 h時采集到的原始信號及其降噪后的信號波形

最后這段時間內，腐蝕信號又呈現出了突發型的特點，頻率范圍較窄，主要頻率集中在70 kHz～130 kHz之間。

3 結論

綜合整個試驗信號的分析過程，發現304不銹鋼整個試驗時間內信號類型不統一，不同腐蝕階段具有不同代表性的信號類型。開始的緩慢腐蝕增長期的信號類型主要是突發型，到了快速腐蝕期混合型、連續型信號均有出現，而到最后的腐蝕穩定期的信號類型又呈現出了突發型的特征。總結各腐蝕階段的信號頻率特征，發現304不銹鋼在FeCl3·6H2O溶液中的點蝕聲發射信號頻率主要集中在70 kHz～300 kHz。

(1) 腐蝕過程包括三個階段：從能量增長圖來看，在最初的9 h內，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，最后又趨于穩定。

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

(3) 腐蝕聲發射信號的頻率在不同腐蝕階段呈現出不同的區域特征，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[M]. 楊武,譯.北京: 化學工業出版社, 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，主要從事特種設備檢驗檢測及科研工作。

劉金娥，E-mail: keke_97@163.com。

10.11973/wsjc201703015

TG115.28;TG172

A

1000-6656(2017)03-0060-04