储罐声发射在线检测方法及其应用

赵永涛，孙文勇，胡家顺，张 颖

(1.中国石油安全环保技术研究院，北京 102206;2.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318)

化学腐蚀和电化学腐蚀是引起储罐罐底腐蚀穿孔、破裂的重要因素，而当罐底有腐蚀发生时，腐蚀过程会产生众多强度不等的声源，能否通过检测仪器接收和分析这些声信号，并在不开罐的条件下确定罐底腐蚀和泄漏的状态，是声发射技术领域的前沿研究课题。本文针对腐蚀产生的声源进行实验，并对模拟装置进行了在线检测。

1 储罐声发射在线检测方法的建立

1.1 实验

通过将传感器放入罐内水介质中和在靠近罐底的罐壁周围均匀阵列传感器相结合的实验方法依次来研究:1)断铅AE信号在罐内水介质中的衰减规律;2)对比分析腐蚀AE信号在经过腐蚀源金属壁、水介质、罐壁过程中的特征参量取值范围及腐蚀规律;3)提取放入罐内水中的传感器在不同的腐蚀阶段采集的腐蚀信号波形特性。

实验采集系统为美国PAC公司生产的SAMOS-32通道声发射检测系统，传感器为DP3I，工作频率范围为20～220 kHz。

在尺寸为Φ100 mm×200 mm×4 mm、材料为Q235的钢管上部连接PP-R管，通大气。圆筒的底部焊有法兰，其中插入一块材料为Q235的盲板并将其固定。在圆筒内部装入适量pH为2的硫酸溶液，并将其放入装有水的立式储罐内，进行持续腐蚀监测15 h。储罐选取小型立式模拟储罐。其装置简图如图1所示。

在距罐底板50 mm的罐壁周围等距离地耦合6个传感器，编号为1～6，在罐底中间处耦合1个传感器，编号为7，在腐蚀源装置外壁耦合1个传感器，距罐底50 mm，编号为8，在水中与8号等平面处放入传感器，编号为9，并将8和9号传感器与信号线连接处进行密封，传感器布置与数据采集系统如图2所示。

1.2 实验结果与分析

采用低频传感器进行检测，利用9号传感器进行信号采集，将传感器放入距罐底断铅位置50 mm处的水中，待其稳定后，每向上100 mm做一点，进行罐底断铅信号采集，每点断铅3次，共标定10个点［1］。幅值变化结果见表1。D为传感器与信号源的距离;n为断铅的次数;A为信号幅值。

表1 断铅信号幅度A变化表 dB

9号传感器经水介质传播所接收到的信号幅值随距离变化关系见图3。由衰减曲线可知，断铅AE信号在水中传播具有回波性，即传播了一段距离之后往往出现回波现象(短时高幅值信号)，但衰减曲线整体呈下降趋势。断铅信号由81 dB衰减到53 dB，衰减损失近28 dB，平均每100 mm衰减2.8 dB。因此，在罐内介质中放入传感器进行声发射检测，此种方法具有可测性。同时，对于低幅值的腐蚀AE信号沿罐内介质传播时，由于能量损失很大，因此耦合在罐壁上的传感器很难接收到低幅度腐蚀信号，对检测结果会有一定影响，所以充分证明在罐内介质中放入传感器来研究AE信号特性的价值所在。

1.3 腐蚀声发射信号特性

表2～表4中分别列出了在不同腐蚀阶段各传感器所接收到AE信号各个特征参量的取值范围。

表2 腐蚀孕育期AE信号特征参量的取值范围

表3 腐蚀加速期AE信号特征参量的取值范围

表4 腐蚀平稳期AE信号特征参量的取值范围

从表2～表4可以得知，9号传感器接收到的信号幅值、撞击计数率等参数要明显低于8号传感器，而2号要低于9号。主要是因为腐蚀源信号透过钢管壁，然后经过水介质传播到9号传感器接收，这一过程中要损失部分能量，信号幅值有所衰减;而2号传感器耦合在罐壁上，接收到的信号衰减幅度会更大。腐蚀声发射信号累加撞击计数与撞击计数率变化关系见图4。

从图4a)可以看出，在腐蚀初期，撞击计数较少。但随着时间的增加，数量开始增多，在腐蚀11 h左右，信号撞击计数达到峰值，随后数量开始减少并趋于稳定。从图4b)可以看出，在相同的时间里，腐蚀源信号在经过不同的路径传播后，其累加撞击计数随时间变化趋势相同。但在单位时间内，8号传感器的累计计数要高于9号传感器，而9号传感器要高于2号传感器。据实验分析，腐蚀过程分为三个阶段［2］:

1)腐蚀孕育期(0～4.5 h)，此阶段发生在腐蚀初期，试件表面没有腐蚀产物生成，撞击计数数量不多;

2)腐蚀加速期(4.5～9 h)，随着腐蚀持续进行，试件表面产生腐蚀产物，撞击计数明显增加;

3)腐蚀平稳期(9～15 h)，腐蚀进行12 h之后，由于试件表面钝化，撞击计数开始减少，但腐蚀仍在发展。

2 储罐声发射在线检测的应用

通过在储罐底板中心附近放置模拟腐蚀源来发出腐蚀AE信号。本实验采用的是小型不锈钢储罐，声发射采集仪的9个通道均能接收到声发射信号，并比较清晰地反映出底板腐蚀区域的腐蚀状况。腐蚀罐底声源定位如图5所示，经开罐检测，本检测结果与实际腐蚀情况(见图6)完全一致。

3 结论

1)断铅AE信号在水中传播具有回波性，但衰减曲线整体呈下降趋势。

2)腐蚀源信号透过金属壁通过水介质传播时的幅值、能量等会有所衰减。

3)三个不同阶段的腐蚀AE信号波形同为突发型信号特征，并且存在多次反射。在腐蚀加速期信号幅值较强，能量较大。而孕育期和平稳期幅值较低，能量较小。

4)由三个传感器所接收的AE信号特性曲线可以得知，其特征参量的取值范围上都有所差别，但其腐蚀变化趋势保持一致，并将腐蚀过程分为腐蚀孕育期、加速期和平稳期三个阶段。

5)由储罐检测结果定位图同开罐检测结果对比可知，本方法具有很好的实用性，可用在现场检测。

［1］ GB/T18182－2000.金属压力容器声发射检测及结果评价方法［S］.

［2］ 吴荫顺.金属腐蚀研究方法［M］.北京:冶金工业出版社，1993.