基于聲發射技術的在用管道腐蝕檢測試驗

白春動 白 楊

（1.河北省特種設備技術檢查中心；2.河北省特種設備監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產品運輸的主要方式。管道運輸的介質通常具有腐蝕性，加之自然環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，嚴重時甚至引起環境污染。因此，有必要對在用管道腐蝕情況進行監測。

近年來，隨著科學技術的進步，針對管道腐蝕的檢測方法相繼提出，方海清等利用超聲導波檢測技術，通過對天然氣凈化廠化學排污、埋地循環水等管道進行檢測，認為超聲導波檢測技術可對長距離管線、地下循環水、廠區邊際水管網腐蝕情況進行檢測，縱向定位精度達±60 mm，環向定位精度達22°，橫截面積缺陷相對值達2%［1］。胡洪宣等通過分析管道內部金屬損失深度分布情況，利用電磁渦流技術對小管徑、低壓低流速管道進行了腐蝕檢測，認為電磁渦流技術對管道內腐蝕缺陷敏感，能夠為全面了解管道現狀、實現管道的科學管理提供一定的依據［2］。梅兆池等提出一種基于聲發射技術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，實現了管道小孔徑泄漏檢測［3］。通過上述研究可以發現，管道腐蝕檢測不僅實現了對管道表面性質的檢測，而且實現了對管道內部結構狀態的檢查。相較而言，超聲導波檢測技術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；聲發射技術作為一種新型動態無損檢測技術，可動態捕捉應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境影響，對各種極限惡劣環境（易燃易爆等）均可實現高效率檢測。因此，筆者利用聲發射技術對在用管道的腐蝕狀況進行檢測。

1 試驗原理

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

圖1 聲發射技術原理

聲發射技術檢測系統的分析方法可分為參數分析和波形分析。參數分析主要提取特征參數，特征參數包括振鈴計數、持續時間及上升時間等，其中振鈴計數可表征信號類型，其值取決于門檻電壓；門檻電壓在一定程度上可對聲發射信號進行降噪［5］；持續時間可鑒別噪聲；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 試驗設備選型

試驗選用SAEU2S 聲發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，可實現信號放大；包括一個A/D 轉換器，可實現信號轉換［6］。

SR150A 傳感器諧振頻率為150 kHz，頻率范圍為60～400 kHz，規格尺寸為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；配置質量分數為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

為驗證基于聲發射技術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，并在兩側分別連接一個聲發射裝置，聲發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，聲發射參數具體設置如下［9，10］：

參數門限 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 矩形窗

3 試驗結果與分析

3.1 腐蝕過程分析

圖3 為試樣在腐蝕溶液中聲發射信號參數隨時間的變化曲線。由圖3 可知，試樣接觸腐蝕溶液初期產生了35.3 dB 的聲發射信號，能量計數為0，振鈴計數為1，說明腐蝕初期產生的聲發射信號為噪聲信號。隨著腐蝕的進行，振鈴計數和能量計數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，當腐蝕時間超過70 h 后，能量計數達到最低，達到6 000 mV·μs左右（高于腐蝕初期）。

圖3 聲發射信號參數隨時間的變化曲線

圖4 為聲發射信號參數隨時間的累積變化曲線。由圖4 可知，隨著腐蝕的進行，累積振鈴計數和累積能量計數均呈現先平穩上升后快速上升最后趨于平穩的趨勢。

圖4 聲發射信號參數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、平穩腐蝕3 個階段，不同腐蝕階段聲發射信號累積參數不同，因此可根據聲發射信號的累積參數判別腐蝕階段。

3.2 聲發射信號特征分析

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

圖5 不同腐蝕階段的聲發射信號波形和撞擊數

圖6 為試驗過程中聲發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，加速腐蝕階段出現了離散高頻聲發射，頻率為125～250 kHz、300～400 kHz。由圖6e、f 可知，平穩腐蝕階段中頻率分布在100～220 kHz 之間。

圖6 聲發射信號在不同腐蝕階段的頻譜圖

3.3 聲發射信號小波分析

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

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果一致。可見，利用聲發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 不同腐蝕階段聲發射信號能量比例直方圖

4 結論

4.1 在用管道腐蝕過程包括初期、加速、平穩腐蝕3 個階段。

4.2 不同腐蝕階段的聲發射信號參數特征具有明顯差異，初期、加速、平穩腐蝕階段的聲發射信號類型分別為突變型、連續型、混合型。

4.3 不同腐蝕階段頻率不同，整體表現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。