张延兵 顾建平 江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院顾建宏 许飞云 东南大学机械工程学院

储罐长周期腐蚀声发射监测试验

张延兵 顾建平 江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院顾建宏 许飞云 东南大学机械工程学院

对一放置2年时间的储罐试验模型进行长周期的声发射腐蚀监测，通过研究其在稳定腐蚀状态下的声发射信号特征，分析其腐蚀的机理和信号产生的原因，形成对储罐腐蚀更深入的认识。文章还对稳定腐蚀状态下的储罐声发射特征参数进行统计分析，为后续的储罐在线声发射检测评价打下数据基础。

储罐 腐蚀 声发射 检测

化工储罐最为常见的两种失效形式为腐蚀和泄漏[1]。泄漏常常表现为液体的渗出，一般日常的设备巡查即可发现。腐蚀是一个长期的过程，对设备的损害具有累积效应，是储罐使用过程中最普遍的失效形式。腐蚀过程产生的信号相对于现场噪音非常微弱，极易被湮没在“恶劣”的环境噪音中。长期以来对储罐声发射检测的研究主要是对储罐进行安全评级，对于储罐腐蚀声发射信号的产生机理、信号特征和信号识别等方面较少。而声发射技术作为化工储罐使用最为广泛的在线检测和监测手段,对其进行深入的试验和理论研究对于提高化工储罐的检测技术水平、保障化工设备的安全运行具有非常重要的意义。本文将就储罐的腐蚀失效进行深入的试验分析、探讨和研究。

1 储罐腐蚀

储罐内部腐蚀可以分为两种形式：活性腐蚀和稳定腐蚀。活性腐蚀状态是指储存介质与罐体材质直接接触产生腐蚀，其成因主要有三方面：一是罐体材料选择不当，与储存介质不兼容，两者发生化学反应；二是罐体未做防腐，或防腐层破坏，致使储存介质与罐体接触产生腐蚀；三是储存介质本身与罐体材质基本上兼容, 在正常情况下腐蚀速率较低,满足工程要求,但由于现场工况的改变（如杂质混入，电位差增大、腐蚀产物堆积等因素）造成腐蚀,一般这种腐蚀是缓慢的。活性腐蚀主要在腐蚀的早期阶段，腐蚀产物较少，在同一区域腐蚀能够持续发生，腐蚀的活性较强。随着活性腐蚀电化学反应的持续发生,产生大量的腐蚀产物，在罐体表面形成堆积，将金属表面与储存介质隔开，在一定程度上形成了钝化效应，减缓了腐蚀的速率，此时腐蚀进入稳定阶段。在此过程中腐蚀产物剥落后，储存介质会再次与金属表面接触,腐蚀继续，所以稳定阶段仍然伴随着腐蚀的发生。此时腐蚀信号的强度小于活性腐蚀阶段,且腐蚀区域也小于活性腐蚀阶段。腐蚀是在役储罐最为常见的失效形式,也是储罐在线声发射检测结果评价中的重要技术难点。

2 试验过程

为模拟工业储罐的腐蚀，设计制造一材质为Q235的储罐试验模型(见图1)，其罐底中心及罐壁各有一阀门，储罐模型资料见表1。注入清水，在室温环境下放置近2年，此时储罐内部腐蚀已完全呈现稳定状态。使用SAMOS AE win声发射系统采集腐蚀信号，用参数分析、相关分析、统计分析等数据处理技术，对稳定腐蚀状态下的声发射信号进行研究。

表1 储罐模型资料

图1 储罐模型

3 信号分析

3.1 定位分析

● 3.1.1 定位图分析（如图2所示）

由图2可以看出，在2号传感器附近（区域1）出现了大量的定位事件聚集，此处为罐壁阀门在罐底的投影位置。分析其成因，由于罐体材质为Q235,阀门材质为不锈钢。在长期的使用过程中, 由于腐蚀电位不同，两种金属构成宏电池，产生电偶电流，使电位较低的金属溶解速度增加，电位较高的金属溶解速度减小,进而发生电偶腐蚀。另外，阀门1位于罐壁，其腐蚀产物剥落后下沉至罐底，新的金属表面又暴露在介质中，腐蚀产物难以堆积形成有效保护层，所以腐蚀一直处于活性阶段，从而形成大量定位。

区域2与区域1相比，其定位事件密度较小，且分布均匀，在罐底中心阀门2处并没有产生如阀门1处的大量事件聚集现象。分析原因，由于储罐的使用时间较长，腐蚀已经进入平稳期。此外储罐从第一次注水未清罐，且经过多次注水，注水过程中罐壁和罐底的腐蚀产物被冲刷脱落，静置一段时间又逐渐沉落在罐底，在罐底沉积了较厚的腐蚀产物覆盖层，对罐底起到一定的保护作用。

图2 定位图

● 3.1.2 通道定位分析

通道定位是利用声发射信号随着传播距离增大而衰减的特性，依据每个传感器接收到的信号数量差别（即到达传感器的先后顺序)，来判断声发射源距离通道的远近，以确定腐蚀区域的大致位置。在实际检测中，由于声波在传播过程的衰减特性，部分信号在未到达传感器时强度已衰减至门槛值以下，所以并不是所有传感器都能接收到同一声发射源产生的信号。对于直径较大的储罐甚至无法满足实现时差定位的最少传感器数量，此外储罐中多处腐蚀声发射源同时发生时易产生伪定位，因此精确定位在储罐声发射检测中是难以实现的。而从各个通道的撞击数可以在一定程度上实现区域定位的效果，对于声发射源的整体定位分析具有积极的意义。

从图3中可以看出，2号传感器接收到的撞击数明显高于其他通道，表明在其附近有较多的声发射信号，与实际情况相符（不锈钢阀门2造成的电偶腐蚀)。

图3 撞击-通道图

3.2 幅值分析

图4为5个传感器在14h采样时间内的幅值散点图。由于罐体无泄漏现象，所以各通道信号可以确认为腐蚀信号。可以看出，由于试验储罐体积较小，在有限的传播距离内声发射信号衰减很少，同一声发射源发出的信号基本可以被所有传感器接收，所以各通道采集的信号差别不大。稳定腐蚀信号可以分为两部分：一为40～55dB区域，该区域信号幅值较低，信号连续产生，为腐蚀的基础信号；另一区域为55～80dB，该区域信号幅值较高，分布相对较为离散，表示腐蚀层的破裂、剥离等过程。为进一步分析腐蚀声发射信号的特征，以2号通道为例，对其在1h内的信号进行分析。

图4 幅值历程图

从图4中可以看出，腐蚀是一个近似均匀“连续”的过程，各个时间段的信号数量差别较小，但从数据实时回放中则可以看出不同的现象（图5为1h内的声发射监测数据）。在实际的监测中声发射信号会在某个时间点出现簇状集中现象（图5中标示了其中的三处），其撞击数远远超过其他时期（如图6所示)，这些聚集信号的持续时间一般为几秒，有的甚至达到几十秒。分析此现象的原因，由于腐蚀一般需要经过三个过程：腐蚀的孕育过程、腐蚀的加速过程，腐蚀的终结过程[2]，前两个过程都是腐蚀的前期阶段，伴随着电化学反应，过程相对温和；而腐蚀的终结过程主要表征为氧化皮的脱落、表面钝化膜的开裂，腐蚀气泡的破裂等，是腐蚀从量变导到质变的过程，其持续时间较短，但其强度与温和的电化学反应（腐蚀的基础信号）相比要高得多。所以在腐蚀的长期监测过程中，会在不同的时间点突然出现大量的声发射信号聚集，而其他时间信号则相对平稳。

图5 幅值时间历程图

图6 撞击时间历程图

3.3 相关分析

相关特性关联图分析法是储罐声发射检测过程中实时观察和分析数据的常用方法。从声发射参数随时间或试验参数变化的关联图可以得出储罐在试验过程中随时间的发展其腐蚀信号的历史及变化规律。通过声发射参数之间的关联分析可以区分不同特性的信号。如有些电子干扰信号通常具有很高的幅度,但能量却很小,通过采用幅度-能量关联图即可区分出来。

以通道2为例分析腐蚀信号的幅值与能量的相关特性，由图7可以看出：1）稳定腐蚀信号主要集中在幅值区间40～80dB，能量与幅值的关联图呈现弧形分布，随着幅值的增加，腐蚀信号的能量也随之增加。2）稳定腐蚀信号明显分为两类，以幅值进行划分，A类为40～63dB，B类为63～80dB。其中A类信号幅值相对较小，分布于低幅值区间，但其能量较高，这是由于A类信号对应的是稳定腐蚀的基础信号（见图4中的40～55dB区间)，此阶段为腐蚀的孕育过程，包括电化学反应的进行，腐蚀产物的堆积，液体渗入腐蚀层等，整个过程相对稳定，没有剧烈的信号发生，但其持续时间较长（见图8)，所以整体能量也较高。B类信号主要分布于高幅值区域，其信号总数量远小于低幅值区，这主要是由于高幅值信号对应于腐蚀信号的能量释放，即腐蚀的终结过程，如腐蚀层的剥落、气泡的破裂等，其均在短时间发生，所以持续时间较短（见图8)，虽然其幅值较高，但其能量相对基础腐蚀信号较小。3）由于A区对应腐蚀的基础信号，各通道差别不大，而B区信号呈现明显的离散现象，此时如要衡量腐蚀信号的强弱，B区信号对于评定储罐活性的高低将具有非常重要的意义。由以上的分析可以看出，信号的相关特性对于区分腐蚀的各个阶段效果明显，据此可以对腐蚀的产生机理及各个过程的典型特征进行深入研究。

图7 能量-幅值相关图图

图8 持续时间-幅值相关图

图9、图10为能量与振铃计数、持续时间的相关图，可以看出三者之间有良好的线性关系，由此可以看出振铃计数、持续时间其均可反映信号的强度，其分布规律与幅值相似，不再赘述，这些参数都是声发射活动性评价的重要因素。

图9 能量-振铃计数相关图

图10 能量-持续时间相关图

3.4 统计分析

声发射检测作为在线检测的主要手段，其主要任务是解决三大问题：定位、定性和定量。定位是明确缺陷存在的位置；定性是分析引起缺陷的原因；定量是出具量化的标准，从而确定缺陷的严重程度。一般声发射的五大特征参数都可以作为量化的标准，如在标准JB/T 10764-2007中即以单位时间的计数统计和事件数统计来表征缺陷的活度和强度，下面对声发射几个特征参数分别进行统计分析。

表2 各通道幅值统计（个/h）

从幅值统计（见表2）上可以看出，腐蚀的基础信号占总信号数的大部分，随着幅值的增加，信号数量迅速降低。五个传感器中，2号传感器在所有的幅值区间采集到的信号数量均大于其他通道，这与实际情况完全吻合。另外2号传感器的信号在低幅值区间的数量虽然比其他通道多，但并不是远远超过，有两方面的原因。首先，虽然其附近的不锈钢阀门处腐蚀活性相对于其他区域较强，但只是局部腐蚀，相对于整个储罐内壁的腐蚀面积较小；再者由于储罐直径较小，信号衰减程度低，阀门处的高幅值腐蚀信号同样可以被其他传感器接收到。

表3 能量统计（单位：个/h）

从能量统计（见表3）上可以看出，在低能量区间0～200范围内，2号传感器的信号量大于其他通道，但在200～1000、1000～10000高能量区间内，2号传感器的信号数与其他通道相差不多，甚至更低。这是由于2号传感器接收到的信号主要由阀门2处电偶腐蚀产生，该处相对于其他区域腐蚀信号活性较高，但其持续时间较短导致主要信号集中在低能量区间（见图7）。

由于能量、振铃计数（见表4）、持续时间（表5）之间具有较好的相关性（图9、图10），因此振铃计数和持续时间在一定程度上也可以反映信号的能量，其统计结果与能量相似。在低振铃计数和短持续时间区间，2号传感器采集到的声发射信号数比其他传感器多；高振铃计数和长持续时间区间，2号传感器相对较少。

表4 各通道振铃计数统计 （单位：个／小时）

表5 持续时间统计 （单位：个／小时）

4 结论

1）储罐声发射检测由于检测原理的限制，与传统的无损检测不同，难以实现缺陷的精确定位。储罐主要的失效形式是腐蚀和泄漏，其中泄漏可以直接判定，难度较低；腐蚀缺陷往往不是单一点的腐蚀，通常伴随着一整块区域的腐蚀，所以对储罐进行精确缺陷定位意义不大，储罐声发射检测的主要意义在于罐体的整体评价。

2）储罐声发射信号的预处理是保证检测评价数据真实可靠的重要保证，即通过对采集到的声发射信号进行诸如定位分析、幅值分析、计数分析、谱分析、能量分析、相关分析等信号分析手段，实现对信号的类型进行初步的判断，在最大程度上滤除噪声干扰信号。而统计分析是对储罐进行最终腐蚀等级评定的最终依据，通过统计其主要特征参数在检测时间段内的累计量，进而衡量储罐罐体的基本状况。只有两种方法优势互补、相得益彰，才能最大程度的使检测结果准确反映储罐的真实状况，提高检测的准确性。

1 姚舜刚.立式储罐声发射在线检测技术的试验研究和应用.浙江工业大学,2006

2 张虹.管道腐蚀及泄漏的声发射检测技术研究.天津大学精密仪器与光电子工程学院,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）