張延兵 顧建平 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院顧建宏 許飛云 東南大學(xué)機械工程學(xué)院

儲罐長周期腐蝕聲發(fā)射監(jiān)測試驗

張延兵 顧建平 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院顧建宏 許飛云 東南大學(xué)機械工程學(xué)院

對一放置2年時間的儲罐試驗?zāi)Ｐ瓦M行長周期的聲發(fā)射腐蝕監(jiān)測，通過研究其在穩(wěn)定腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號特征，分析其腐蝕的機理和信號產(chǎn)生的原因，形成對儲罐腐蝕更深入的認識。文章還對穩(wěn)定腐蝕狀態(tài)下的儲罐聲發(fā)射特征參數(shù)進行統(tǒng)計分析，為后續(xù)的儲罐在線聲發(fā)射檢測評價打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

儲罐 腐蝕 聲發(fā)射 檢測

化工儲罐最為常見的兩種失效形式為腐蝕和泄漏[1]。泄漏常常表現(xiàn)為液體的滲出，一般日常的設(shè)備巡查即可發(fā)現(xiàn)。腐蝕是一個長期的過程，對設(shè)備的損害具有累積效應(yīng)，是儲罐使用過程中最普遍的失效形式。腐蝕過程產(chǎn)生的信號相對于現(xiàn)場噪音非常微弱，極易被湮沒在“惡劣”的環(huán)境噪音中。長期以來對儲罐聲發(fā)射檢測的研究主要是對儲罐進行安全評級，對于儲罐腐蝕聲發(fā)射信號的產(chǎn)生機理、信號特征和信號識別等方面較少。而聲發(fā)射技術(shù)作為化工儲罐使用最為廣泛的在線檢測和監(jiān)測手段,對其進行深入的試驗和理論研究對于提高化工儲罐的檢測技術(shù)水平、保障化工設(shè)備的安全運行具有非常重要的意義。本文將就儲罐的腐蝕失效進行深入的試驗分析、探討和研究。

1 儲罐腐蝕

儲罐內(nèi)部腐蝕可以分為兩種形式：活性腐蝕和穩(wěn)定腐蝕?；钚愿g狀態(tài)是指儲存介質(zhì)與罐體材質(zhì)直接接觸產(chǎn)生腐蝕，其成因主要有三方面：一是罐體材料選擇不當，與儲存介質(zhì)不兼容，兩者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；二是罐體未做防腐，或防腐層破壞，致使儲存介質(zhì)與罐體接觸產(chǎn)生腐蝕；三是儲存介質(zhì)本身與罐體材質(zhì)基本上兼容, 在正常情況下腐蝕速率較低,滿足工程要求,但由于現(xiàn)場工況的改變（如雜質(zhì)混入，電位差增大、腐蝕產(chǎn)物堆積等因素）造成腐蝕,一般這種腐蝕是緩慢的?；钚愿g主要在腐蝕的早期階段，腐蝕產(chǎn)物較少，在同一區(qū)域腐蝕能夠持續(xù)發(fā)生，腐蝕的活性較強。隨著活性腐蝕電化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生,產(chǎn)生大量的腐蝕產(chǎn)物，在罐體表面形成堆積，將金屬表面與儲存介質(zhì)隔開，在一定程度上形成了鈍化效應(yīng)，減緩了腐蝕的速率，此時腐蝕進入穩(wěn)定階段。在此過程中腐蝕產(chǎn)物剝落后，儲存介質(zhì)會再次與金屬表面接觸,腐蝕繼續(xù)，所以穩(wěn)定階段仍然伴隨著腐蝕的發(fā)生。此時腐蝕信號的強度小于活性腐蝕階段,且腐蝕區(qū)域也小于活性腐蝕階段。腐蝕是在役儲罐最為常見的失效形式,也是儲罐在線聲發(fā)射檢測結(jié)果評價中的重要技術(shù)難點。

2 試驗過程

為模擬工業(yè)儲罐的腐蝕，設(shè)計制造一材質(zhì)為Q235的儲罐試驗?zāi)Ｐ?見圖1)，其罐底中心及罐壁各有一閥門，儲罐模型資料見表1。注入清水，在室溫環(huán)境下放置近2年，此時儲罐內(nèi)部腐蝕已完全呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。使用SAMOS AE win聲發(fā)射系統(tǒng)采集腐蝕信號，用參數(shù)分析、相關(guān)分析、統(tǒng)計分析等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對穩(wěn)定腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號進行研究。

表1 儲罐模型資料

圖1 儲罐模型

3 信號分析

3.1 定位分析

● 3.1.1 定位圖分析（如圖2所示）

由圖2可以看出，在2號傳感器附近（區(qū)域1）出現(xiàn)了大量的定位事件聚集，此處為罐壁閥門在罐底的投影位置。分析其成因，由于罐體材質(zhì)為Q235,閥門材質(zhì)為不銹鋼。在長期的使用過程中, 由于腐蝕電位不同，兩種金屬構(gòu)成宏電池，產(chǎn)生電偶電流，使電位較低的金屬溶解速度增加，電位較高的金屬溶解速度減小,進而發(fā)生電偶腐蝕。另外，閥門1位于罐壁，其腐蝕產(chǎn)物剝落后下沉至罐底，新的金屬表面又暴露在介質(zhì)中，腐蝕產(chǎn)物難以堆積形成有效保護層，所以腐蝕一直處于活性階段，從而形成大量定位。

區(qū)域2與區(qū)域1相比，其定位事件密度較小，且分布均勻，在罐底中心閥門2處并沒有產(chǎn)生如閥門1處的大量事件聚集現(xiàn)象。分析原因，由于儲罐的使用時間較長，腐蝕已經(jīng)進入平穩(wěn)期。此外儲罐從第一次注水未清罐，且經(jīng)過多次注水，注水過程中罐壁和罐底的腐蝕產(chǎn)物被沖刷脫落，靜置一段時間又逐漸沉落在罐底，在罐底沉積了較厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋層，對罐底起到一定的保護作用。

圖2 定位圖

● 3.1.2 通道定位分析

通道定位是利用聲發(fā)射信號隨著傳播距離增大而衰減的特性，依據(jù)每個傳感器接收到的信號數(shù)量差別（即到達傳感器的先后順序)，來判斷聲發(fā)射源距離通道的遠近，以確定腐蝕區(qū)域的大致位置。在實際檢測中，由于聲波在傳播過程的衰減特性，部分信號在未到達傳感器時強度已衰減至門檻值以下，所以并不是所有傳感器都能接收到同一聲發(fā)射源產(chǎn)生的信號。對于直徑較大的儲罐甚至無法滿足實現(xiàn)時差定位的最少傳感器數(shù)量，此外儲罐中多處腐蝕聲發(fā)射源同時發(fā)生時易產(chǎn)生偽定位，因此精確定位在儲罐聲發(fā)射檢測中是難以實現(xiàn)的。而從各個通道的撞擊數(shù)可以在一定程度上實現(xiàn)區(qū)域定位的效果，對于聲發(fā)射源的整體定位分析具有積極的意義。

從圖3中可以看出，2號傳感器接收到的撞擊數(shù)明顯高于其他通道，表明在其附近有較多的聲發(fā)射信號，與實際情況相符（不銹鋼閥門2造成的電偶腐蝕)。

圖3 撞擊-通道圖

3.2 幅值分析

圖4為5個傳感器在14h采樣時間內(nèi)的幅值散點圖。由于罐體無泄漏現(xiàn)象，所以各通道信號可以確認為腐蝕信號。可以看出，由于試驗儲罐體積較小，在有限的傳播距離內(nèi)聲發(fā)射信號衰減很少，同一聲發(fā)射源發(fā)出的信號基本可以被所有傳感器接收，所以各通道采集的信號差別不大。穩(wěn)定腐蝕信號可以分為兩部分：一為40～55dB區(qū)域，該區(qū)域信號幅值較低，信號連續(xù)產(chǎn)生，為腐蝕的基礎(chǔ)信號；另一區(qū)域為55～80dB，該區(qū)域信號幅值較高，分布相對較為離散，表示腐蝕層的破裂、剝離等過程。為進一步分析腐蝕聲發(fā)射信號的特征，以2號通道為例，對其在1h內(nèi)的信號進行分析。

圖4 幅值歷程圖

從圖4中可以看出，腐蝕是一個近似均勻“連續(xù)”的過程，各個時間段的信號數(shù)量差別較小，但從數(shù)據(jù)實時回放中則可以看出不同的現(xiàn)象（圖5為1h內(nèi)的聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)）。在實際的監(jiān)測中聲發(fā)射信號會在某個時間點出現(xiàn)簇狀集中現(xiàn)象（圖5中標示了其中的三處），其撞擊數(shù)遠遠超過其他時期（如圖6所示)，這些聚集信號的持續(xù)時間一般為幾秒，有的甚至達到幾十秒。分析此現(xiàn)象的原因，由于腐蝕一般需要經(jīng)過三個過程：腐蝕的孕育過程、腐蝕的加速過程，腐蝕的終結(jié)過程[2]，前兩個過程都是腐蝕的前期階段，伴隨著電化學(xué)反應(yīng)，過程相對溫和；而腐蝕的終結(jié)過程主要表征為氧化皮的脫落、表面鈍化膜的開裂，腐蝕氣泡的破裂等，是腐蝕從量變導(dǎo)到質(zhì)變的過程，其持續(xù)時間較短，但其強度與溫和的電化學(xué)反應(yīng)（腐蝕的基礎(chǔ)信號）相比要高得多。所以在腐蝕的長期監(jiān)測過程中，會在不同的時間點突然出現(xiàn)大量的聲發(fā)射信號聚集，而其他時間信號則相對平穩(wěn)。

圖5 幅值時間歷程圖

圖6 撞擊時間歷程圖

3.3 相關(guān)分析

相關(guān)特性關(guān)聯(lián)圖分析法是儲罐聲發(fā)射檢測過程中實時觀察和分析數(shù)據(jù)的常用方法。從聲發(fā)射參數(shù)隨時間或試驗參數(shù)變化的關(guān)聯(lián)圖可以得出儲罐在試驗過程中隨時間的發(fā)展其腐蝕信號的歷史及變化規(guī)律。通過聲發(fā)射參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)分析可以區(qū)分不同特性的信號。如有些電子干擾信號通常具有很高的幅度,但能量卻很小,通過采用幅度-能量關(guān)聯(lián)圖即可區(qū)分出來。

以通道2為例分析腐蝕信號的幅值與能量的相關(guān)特性，由圖7可以看出：1）穩(wěn)定腐蝕信號主要集中在幅值區(qū)間40～80dB，能量與幅值的關(guān)聯(lián)圖呈現(xiàn)弧形分布，隨著幅值的增加，腐蝕信號的能量也隨之增加。2）穩(wěn)定腐蝕信號明顯分為兩類，以幅值進行劃分，A類為40～63dB，B類為63～80dB。其中A類信號幅值相對較小，分布于低幅值區(qū)間，但其能量較高，這是由于A類信號對應(yīng)的是穩(wěn)定腐蝕的基礎(chǔ)信號（見圖4中的40～55dB區(qū)間)，此階段為腐蝕的孕育過程，包括電化學(xué)反應(yīng)的進行，腐蝕產(chǎn)物的堆積，液體滲入腐蝕層等，整個過程相對穩(wěn)定，沒有劇烈的信號發(fā)生，但其持續(xù)時間較長（見圖8)，所以整體能量也較高。B類信號主要分布于高幅值區(qū)域，其信號總數(shù)量遠小于低幅值區(qū)，這主要是由于高幅值信號對應(yīng)于腐蝕信號的能量釋放，即腐蝕的終結(jié)過程，如腐蝕層的剝落、氣泡的破裂等，其均在短時間發(fā)生，所以持續(xù)時間較短（見圖8)，雖然其幅值較高，但其能量相對基礎(chǔ)腐蝕信號較小。3）由于A區(qū)對應(yīng)腐蝕的基礎(chǔ)信號，各通道差別不大，而B區(qū)信號呈現(xiàn)明顯的離散現(xiàn)象，此時如要衡量腐蝕信號的強弱，B區(qū)信號對于評定儲罐活性的高低將具有非常重要的意義。由以上的分析可以看出，信號的相關(guān)特性對于區(qū)分腐蝕的各個階段效果明顯，據(jù)此可以對腐蝕的產(chǎn)生機理及各個過程的典型特征進行深入研究。

圖7 能量-幅值相關(guān)圖圖

圖8 持續(xù)時間-幅值相關(guān)圖

圖9、圖10為能量與振鈴計數(shù)、持續(xù)時間的相關(guān)圖，可以看出三者之間有良好的線性關(guān)系，由此可以看出振鈴計數(shù)、持續(xù)時間其均可反映信號的強度，其分布規(guī)律與幅值相似，不再贅述，這些參數(shù)都是聲發(fā)射活動性評價的重要因素。

圖9 能量-振鈴計數(shù)相關(guān)圖

圖10 能量-持續(xù)時間相關(guān)圖

3.4 統(tǒng)計分析

聲發(fā)射檢測作為在線檢測的主要手段，其主要任務(wù)是解決三大問題：定位、定性和定量。定位是明確缺陷存在的位置；定性是分析引起缺陷的原因；定量是出具量化的標準，從而確定缺陷的嚴重程度。一般聲發(fā)射的五大特征參數(shù)都可以作為量化的標準，如在標準JB/T 10764-2007中即以單位時間的計數(shù)統(tǒng)計和事件數(shù)統(tǒng)計來表征缺陷的活度和強度，下面對聲發(fā)射幾個特征參數(shù)分別進行統(tǒng)計分析。

表2 各通道幅值統(tǒng)計（個/h）

從幅值統(tǒng)計（見表2）上可以看出，腐蝕的基礎(chǔ)信號占總信號數(shù)的大部分，隨著幅值的增加，信號數(shù)量迅速降低。五個傳感器中，2號傳感器在所有的幅值區(qū)間采集到的信號數(shù)量均大于其他通道，這與實際情況完全吻合。另外2號傳感器的信號在低幅值區(qū)間的數(shù)量雖然比其他通道多，但并不是遠遠超過，有兩方面的原因。首先，雖然其附近的不銹鋼閥門處腐蝕活性相對于其他區(qū)域較強，但只是局部腐蝕，相對于整個儲罐內(nèi)壁的腐蝕面積較??；再者由于儲罐直徑較小，信號衰減程度低，閥門處的高幅值腐蝕信號同樣可以被其他傳感器接收到。

表3 能量統(tǒng)計（單位：個/h）

從能量統(tǒng)計（見表3）上可以看出，在低能量區(qū)間0～200范圍內(nèi)，2號傳感器的信號量大于其他通道，但在200～1000、1000～10000高能量區(qū)間內(nèi)，2號傳感器的信號數(shù)與其他通道相差不多，甚至更低。這是由于2號傳感器接收到的信號主要由閥門2處電偶腐蝕產(chǎn)生，該處相對于其他區(qū)域腐蝕信號活性較高，但其持續(xù)時間較短導(dǎo)致主要信號集中在低能量區(qū)間（見圖7）。

由于能量、振鈴計數(shù)（見表4）、持續(xù)時間（表5）之間具有較好的相關(guān)性（圖9、圖10），因此振鈴計數(shù)和持續(xù)時間在一定程度上也可以反映信號的能量，其統(tǒng)計結(jié)果與能量相似。在低振鈴計數(shù)和短持續(xù)時間區(qū)間，2號傳感器采集到的聲發(fā)射信號數(shù)比其他傳感器多；高振鈴計數(shù)和長持續(xù)時間區(qū)間，2號傳感器相對較少。

表4 各通道振鈴計數(shù)統(tǒng)計 （單位：個／小時）

表5 持續(xù)時間統(tǒng)計 （單位：個／小時）

4 結(jié)論

1）儲罐聲發(fā)射檢測由于檢測原理的限制，與傳統(tǒng)的無損檢測不同，難以實現(xiàn)缺陷的精確定位。儲罐主要的失效形式是腐蝕和泄漏，其中泄漏可以直接判定，難度較低；腐蝕缺陷往往不是單一點的腐蝕，通常伴隨著一整塊區(qū)域的腐蝕，所以對儲罐進行精確缺陷定位意義不大，儲罐聲發(fā)射檢測的主要意義在于罐體的整體評價。

2）儲罐聲發(fā)射信號的預(yù)處理是保證檢測評價數(shù)據(jù)真實可靠的重要保證，即通過對采集到的聲發(fā)射信號進行諸如定位分析、幅值分析、計數(shù)分析、譜分析、能量分析、相關(guān)分析等信號分析手段，實現(xiàn)對信號的類型進行初步的判斷，在最大程度上濾除噪聲干擾信號。而統(tǒng)計分析是對儲罐進行最終腐蝕等級評定的最終依據(jù)，通過統(tǒng)計其主要特征參數(shù)在檢測時間段內(nèi)的累計量，進而衡量儲罐罐體的基本狀況。只有兩種方法優(yōu)勢互補、相得益彰，才能最大程度的使檢測結(jié)果準確反映儲罐的真實狀況，提高檢測的準確性。

1 姚舜剛.立式儲罐聲發(fā)射在線檢測技術(shù)的試驗研究和應(yīng)用.浙江工業(yè)大學(xué),2006

2 張虹.管道腐蝕及泄漏的聲發(fā)射檢測技術(shù)研究.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,2007

AE (Acoustic Emission) monitoring of a storage tank model placed for 2 years is carried out. By studying the AE signal feature in stable corrosion condition, analyzing the mechanism of corrosion and the cause of AE signal, a more in-depth understanding of storage tank corrosion is formed. Statistics on AE feature parameters of stable corrosion is also performed, laying data foundation for subsequent AE online detection and tank evaluation.

Storage tank Corrosion Acoustic Emission Testing

2013－07－31）