Q235低碳鋼的點腐蝕聲發(fā)射檢測實驗研究

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 西安 710049）

Q235低碳鋼的點腐蝕聲發(fā)射檢測實驗研究

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 西安 710049）

本文搭建了基于美國物理聲學公司生產(chǎn)的微型SAMOS聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的實驗平臺，對壓力容器常用金屬材料Q235低碳鋼點腐蝕過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進行了實驗測量。通過研究，對金屬材料點腐蝕過程的聲發(fā)射檢測及信號處理方法有了較為全面的認識，為聲發(fā)射技術在腐蝕監(jiān)測方面的進一步研究及應用提供了有價值的參考。

低碳鋼 點腐蝕 聲發(fā)射

金屬腐蝕是指金屬在環(huán)境或介質(zhì)的作用下所引起的破壞或變質(zhì)。對于在用的壓力容器或壓力管道來說，腐蝕是造成設備損壞、構件失效的重要原因。對于低碳鋼來說，點蝕所造成的損失是很大的[1]。由于點蝕是一種高度集中的局部腐蝕形態(tài)，當?shù)吞间摫砻娉霈F(xiàn)點蝕時，蝕坑會隨著時間的推移不斷向縱深方向發(fā)展，若一直發(fā)展下去，就會導致鋼材料的穿孔甚至整個結構都會被破壞。因此，如果能夠在腐蝕初期進行預報，采取有效的措施，避免事故發(fā)生，這將對企業(yè)挽回經(jīng)濟損失起到重大作用，同時也會降低事故對社會、環(huán)境的影響。

1 實驗原理及內(nèi)容

在低碳鋼浸入含有Cl-的腐蝕溶液中時，由于腐蝕過程產(chǎn)生的水化物、氫氣泡以及氫氣的吸附和脫吸均會產(chǎn)生聲發(fā)射信號[2，3]。低碳鋼點蝕過程中氣泡破裂時，會有一個大于2．2×10-6N的階躍脈沖力作用于金屬平板上[2]，此時，板表面會產(chǎn)生相當復雜的運動。由于脈沖力的作用，點對面的垂直方向上會產(chǎn)生質(zhì)點位移，這個過程就會產(chǎn)生能夠被聲發(fā)射儀器檢測到的聲源信號。在腐蝕進行到一定程度的時候，低碳鋼表面已產(chǎn)生的微孔洞的結合，孔洞進一步擴大時晶格尺寸范圍內(nèi)的微裂紋跳躍也會產(chǎn)生幾十毫伏的聲發(fā)射信號[2]。當腐蝕溶液將鋼表面的氧化膜完全腐蝕而脫落的時候也會產(chǎn)生幾十毫伏的脈沖信號[2]。

本實驗采用美國物理聲學公司（Physical Acoustics Corporation，簡稱PAC）生產(chǎn)的24通道微型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。實驗中有關數(shù)據(jù)采集的參數(shù)設置見表1。

表1 實驗參數(shù)設置

本實驗將Q235低碳鋼試件放入10%的FeCl3·6H2O溶液中進行腐蝕，實驗持續(xù)時間55h。

2 實驗裝置

本實驗所需要的儀器包括聲發(fā)射檢測儀、恒溫水浴鍋、2L的燒杯、鐵架臺、溫度計各一個（臺）。實驗裝置如圖1所示。試件懸掛在鐵架臺上，浸入存放有腐蝕溶液的燒杯中。由于恒溫水浴的溫度和燒杯內(nèi)腐蝕溶液的溫度有一定的偏差，所以需要將溫度計浸入腐蝕溶液中，以便調(diào)整實驗溫度。

圖1 點腐蝕實驗裝置圖

本實驗的傳感器布置方式如圖2所示。傳感器與試件之間用醫(yī)用凡士林耦合。

圖2 點腐蝕實驗傳感器布置圖

3 實驗步驟

3.1 試件制備

采用Q235碳素鋼作為低碳鋼的代表，其化學成分見表2。試件尺寸為100×70×4mm的薄板，共4片。

表2 Q235鋼化學成分

根據(jù)金屬腐蝕研究方法[4]，試件表面的光潔度和均一性是會影響腐蝕結果的重要因素。因此，制備試件時，要通過機械切削的方法去除金屬表面帶有氧化皮、缺陷和污垢的一層薄金屬層。之后還需要進行表面拋光處理，以保證試件表面的光滑度。

實驗前，為了避免非實驗部分的試件被腐蝕影響實驗結果，需要對試件進行密封處理（見圖2）。密封所用材料為環(huán)氧樹脂，該材料可以有效阻止腐蝕溶液侵入金屬母材，以達到絕緣和密封的要求。對實驗部分的鋼材，需要用丙酮進行表面清洗，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實驗結果。之后還需要用蒸餾水沖洗試件表面，再進行烘干處理。

3.2 傳感器標定及背景噪聲測量

首先，進行傳感器的標定。根據(jù)國標GB/T 18182—2012規(guī)定的方法進行標定，得出的結果是各傳感器接收信號的最小幅值為97dB，最大幅值為99dB，平均誤差不超過3dB，滿足要求。圖3為斷鉛信號的波形圖，可以看出，斷鉛信號呈現(xiàn)出明顯的突發(fā)型特征。

圖3 斷鉛信號的波形圖

另外，還利用AEwin自帶的自動傳感器測試（AST）功能進行了系統(tǒng)靈敏度的校驗[5]，結果顯示兩個傳感器均耦合良好，測試結果見表3。

表3 AST測試結果

其次，進行背景噪聲的測量。由于實驗過程中盡量保持了系統(tǒng)安靜無噪音，所以在進行了90min的環(huán)境及系統(tǒng)噪聲測量中，僅采集到了很少的撞擊數(shù)，且噪聲信號的能量計數(shù)很小。

3.3 實驗過程

●3.3.1 實驗現(xiàn)象

試件放入腐蝕溶液中數(shù)秒后，觀察到有氣泡附著在金屬表面。最先附著的位置是試件的底部界面，然后是側(cè)面，最后是金屬的兩側(cè)表面。且位于底部的氣泡最大，一個一個緊挨著，側(cè)面的氣泡則較小但也均勻排列，兩側(cè)表面的氣泡是最小的，且服從從下往上逐漸減少的規(guī)律。腐蝕過程不同時期的能量計數(shù)-時間圖見圖4。從圖中可以看出，初始的一個半小時內(nèi)，信號能量是最大的，從整段時間的數(shù)據(jù)回放來看，2小時之后的能量就開始減少。說明初始的一個半小時內(nèi)試件表面的氧化膜已基本被完全腐蝕，產(chǎn)生大量的幅值較大的聲發(fā)射信號（見圖4（a））。當氧化膜完全脫落后，Q235低碳鋼進入了一個全面腐蝕期，能量基本保持穩(wěn)定。這個過程中，腐蝕產(chǎn)物不斷積聚在試件表面，阻礙了腐蝕的快速發(fā)展，因此產(chǎn)了幅值較小的撞擊信號（見圖4（b））。當實驗進行到第30小時時，撞擊數(shù)明顯增多，幅值也有所增大，這個過程主要是試件表面腐蝕產(chǎn)物的部分脫落造成的。到了腐蝕末期，撞擊數(shù)又明顯減少，但幅值幾乎無變化，這是因為這個過程的聲發(fā)射信號也主要是由于腐蝕產(chǎn)物的脫落造成的，但由于腐蝕產(chǎn)物附著力的原因，只有比較少的腐蝕產(chǎn)物脫落，已沒有實驗第30小時時那么多，所以撞擊數(shù)有明顯減少。

圖4 實驗不同時期的能量計數(shù)-時間圖

●3.3.2 實驗結果

實驗結束后對試件表面的腐蝕產(chǎn)物進行清理，待試件干燥后觀察其表面形態(tài)。發(fā)現(xiàn)Q235低碳鋼在經(jīng)過10%的FeCl3·6H2O溶液腐蝕后，表面產(chǎn)生了許多小凹坑，有深有淺，淺凹坑居多。另外，從圖5中可以看出，腐蝕初期的信號幅值主要集中在30~50dB之間，少量信號幅值較大，但沒有超過60dB。之后的時間段信號幅值主要集中在30~40dB之間，少有大幅值的信號出現(xiàn)。由此可見，腐蝕初期的信號幅值及撞擊計數(shù)相比后期要大。Q235低碳鋼腐蝕初期的點蝕信號比較強烈，隨著實驗的進行，點蝕進一步擴展，直至整個腐蝕面出現(xiàn)了致密的點腐蝕形態(tài)，如圖6所示。

圖5 實驗不同時期的撞擊-幅值圖

圖6 Q235低碳鋼腐蝕結果圖

從圖6中可以看出，Q235低碳鋼一開始只有部分實驗部位出現(xiàn)了點蝕，而隨著實驗的進行，到實驗結束時，整個試件表面已經(jīng)出現(xiàn)了密集的點蝕坑。

4 信號處理及結果分析

由于實驗時間長，在進行信號降噪處理時，需要考慮選取的小波基要滿足能同時處理大量的聲發(fā)射信號，且其時頻分析性能，降噪能力均要達到最優(yōu)狀態(tài)。因此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Q235低碳鋼聲發(fā)射信號處理的小波基。根據(jù)計算，最大分解尺度值均選5。

根據(jù)Q235低碳鋼實驗參數(shù)特征，分別選取實驗進行第2小時，第10小時，第30小時，第55小時的典型波形信號進行小波分解，提取小波系數(shù)并進行降噪處理。

1）將實驗進行第2小時時的典型波形信號在5個尺度下進行小波分解，采用軟閾值處理的方法對小波分解后的系數(shù)進行重構，得出的降噪前后頻譜圖及重構后的信號如圖7、圖8所示。

圖7 頻譜圖

圖8 降噪后的信號波形圖

從消噪后的腐蝕聲發(fā)射信號可以看出，腐蝕初期的信號主要是突發(fā)型信號，根據(jù)頻譜圖可以看出其主要頻率集中在100~150kHz內(nèi)。

2）將實驗進行第10小時的典型波形信號在5個尺度下進行小波分解并重構，得出的降噪前后頻譜圖及重構后的信號如圖9、圖10所示。

圖9 頻譜圖

圖10 降噪后的信號波形圖

從上面列舉的圖形中可以看出，小波降噪濾掉了大部分的噪聲信號。這個時間段的聲發(fā)射信號類型仍以突發(fā)型為主，得出的信號主要頻率范圍在140kHz~200kHz之間。

3）將實驗進行第30小時的典型波形信號在5個尺度下進行小波分解并重構，得出的降噪前后頻譜圖及重構后的信號如圖11、圖12所示。

此段時間的信號呈現(xiàn)出連續(xù)型的特點，主要頻率集中在60kHz~130kHz之間。

圖11 頻譜圖

圖12 降噪后的信號波形圖

4）將實驗進行第55小時的典型波形信號在5個尺度下進行小波分解并重構，得出的降噪前后頻譜圖及重構后的信號如圖13、圖14所示。

圖13 頻譜圖

圖14 降噪后的信號波形圖

實驗末期，信號類型呈現(xiàn)混合型特征，信號頻率明顯下降，主要頻率集中在50kHz~80kHz之間。

5 結論

從整個實驗信號的分析過程來看，不同腐蝕期的聲發(fā)射信號略有不同。初始腐蝕期主要以突發(fā)型信號為主，全面腐蝕期主要以連續(xù)型信號為主，而實驗后期的穩(wěn)定腐蝕狀態(tài)下的信號類型則主要以混合型為主。總結整個實驗過程的聲發(fā)射信號頻率特征，可以看出Q235低碳鋼在10%的FeCl3·6H2O溶液中的點蝕信號頻率主要集中在50kHz~200kHz之間。

對于Q235低碳鋼：

1）腐蝕過程包括三個階段：最初的10個小時腐蝕屬于一個快速的增長期，10到30小時之間腐蝕增長比較緩慢，后面的25個小時內(nèi)腐蝕逐漸趨于穩(wěn)定。

2）腐蝕過程中的信號幅值在30~50dB之間均有分布，但主要還是集中在30~40dB之間。

3）腐蝕聲發(fā)射信號的頻率在不同腐蝕階段呈現(xiàn)出不同的區(qū)域特征，但主要頻率均集中在50kHz~200kHz之間。

[1] 朱遠志， 沈燕． 低碳鋼輸油管穿孔原因分析[J]．機械工程材料， 2007， 31(10)： 70-72．

[2] 李寶玉． 金屬點蝕聲發(fā)射監(jiān)測與信號處理研究[D]．大慶： 大慶石油學院， 2005．

[3] Lee CK， Scholey JJ， Worthington SE， et al． Acoustic emission from pitting corrison in stressed stainless steel plate[J]． Corrosion Engineering， 2008， 43(1)： 54-63．

[4] 吳蔭順． 金屬腐蝕研究方法[M]． 北京： 冶金工業(yè)出版社， 1993： 10-13．

[5] Physical Acoustic Corporation． SAMOS AE System User's Manual[G/CD]． American， 2005．

Experimental Research on the Pitting Corrosion Processes of Q235 Low-carbon Steel Using Acoustic Emission Technical

Liu Jine1Duan Quan2Yang Xu1
(1. Xi'an Special Equipment Inspection Institute Xi'an 710065) (2.Xi’an Jiao Tong University Xi'an 710049)

In this thesis, the experimental platform is built based on the Micro-SAMOS acoustic emission testing system produced by PAC. The acoustic emission signals of the commonly used pressure vessel's materials (Q235 Low-carbon steel) have been tested during the pitting corrosion experiment. Comprehensive understanding of the acoustic emission and data analyzing method is obtained, and it provides a valuable reference on the research and application of the acoustic emission technique.

Low-carbon steel Pitting corrosion Acoustic emission

X933．4

B

1673-257X(2016)12-0021-06

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．005

劉金娥(1984～)，女，碩士，工程師，從事特種設備檢驗檢測及科研工作。

2016-04-08）