高 勝 王少凡 付 玉 賈 鑫 李 偉
(東北石油大學機械科學與工程學院)
聲發射檢測技術對材料的結構變化敏感,不同的腐蝕機理會產生不同參量和不同動態特性的聲發射信號。通過金屬腐蝕實驗研究,達到利用聲發射檢測技術在線監測金屬腐蝕過程的目的[1]。研究表明,腐蝕過程中的聲發射信號與腐蝕產物的生成和剝落、氣泡在材料表面的波動有密切聯系。筆者通過建立實驗平臺,對儲運設備和壓力容器工業常用的3種金屬材料(Q235、Q345R與304不銹鋼)試件在4%NaCl溶液中的腐蝕過程進行聲發射監測,研究不同材料腐蝕過程中產生的聲發射信號變化規律,為金屬腐蝕過程產生聲發射信號的理論提供實驗依據,并為應用聲發射技術進行的腐蝕監測奠定實驗基礎。
1.1實驗系統
本實驗中使用的是共振頻率為100~1 000kHz的WD寬帶壓電晶體傳感器(PAC公司,USA)。這種傳感器適用于頻譜分析、波形分析等信號類型或噪聲的鑒別。采用2/4/6前置放大器,它有較寬的動態范圍、大輸出信號的特點,PCI-2是PAC公司研制的適用于高端聲發射研究的高性能、低價位聲發射卡(系統),該系統具有18位A/D,3~3 000kHz頻率范圍[2]。聲發射檢測系統的參數設定如下:
門檻 30dB
采樣率 1 000K/s
PDT 400μs
HDT 1 000μs
HLT 1 200μs
1.2試件選取
實驗所采用腐蝕溶液為4%NaCl溶液,實驗所采用的試件材料為Q235碳素結構鋼、Q345R普通低合金鋼和304不銹鋼。根據實驗要求,鋼板加工成尺寸為150mm×40mm×4mm的薄板(3種材料的試件尺寸統一),首先用砂紙對其進行打磨,然后用蒸餾水清洗,置于干燥的容器中干燥備用。
1.3實驗裝置
將處理過的試件浸入NaCl腐蝕溶液,傳感器固定在試件上燒杯以外的部分,實驗裝置如圖1所示。
1.4實驗過程
本實驗中,斷鉛標定信號幅值均值96~98dB,根據有關標準中的相關規定,標定平均值間的幅度差應小于3dB,說明傳感器靈敏度較好。實驗共分兩個階段,第一階段是一個通道單獨采集Q235在4% NaCl溶液中腐蝕的聲發射信號;第二階段是兩個通道同時采集,1通道采集不銹鋼在4% NaCl溶液中腐蝕的聲發射信號,2通道采集Q345R在4% NaCl溶液中腐蝕的聲發射信號,兩個階段分別進行72h連續監測。
圖1 實驗裝置示意圖
2.1腐蝕過程聲發射信號特征分析
實驗第一階段是將Q235浸入4%NaCl溶液中。試件浸入溶液后便有信號產生,信號參數為幅度31dB,計數1,能量0,上升時間0,持續時間0,從能量和持續時間可以看出,初始階段信號不是腐蝕產生的聲發射信號,而是由儀器產生的干擾信號(圖2a);30min后出現能量較高的信號,信號參數為幅度61dB,計數10,能量86,上升時間42μs,持續時間6 679μs,通過實驗觀察,此時信號主要來自于試件表面氣泡的吸附和脫離。頻率主要分布在200~500kHz,并且這類信號有較長的持續時間(圖2b)。
圖2 實驗第一階段波形及頻譜圖
24h內傳感器接收到900個撞擊,幅值分布在30~70dB之間,撞擊與幅值關聯圖如圖3a所示;24~48h之間,撞擊數為820,幅值分布在30~70dB之間,撞擊與幅值關聯圖如圖3b所示;48~72h之間,撞擊數為750,幅值分布在30~70dB之間,撞擊與幅值關聯圖如圖3c所示。
圖3 撞擊與幅值關聯圖
從圖3可以看出Q235鋼在4%NaCl溶液中腐蝕,從初始階段一直到72h,這段時間內信號的幅值范圍都集中在30~70dB之間,而且撞擊數逐漸減少。
實驗第二階段,1通道傳感器檢測不銹鋼信號,2通道傳感器檢測Q345R信號,浸入4%NaCl溶液中,1通道不銹鋼無信號產生。2通道Q345浸入溶液初期大多都是電化學反應產生的電噪聲信號,2通道信號參數為幅度31dB,計數10,能量1,上時間272μs,持續時間809μs。頻率主要集中在50kHz以下的低頻噪聲干擾(圖4a)。1min后Q345R表面吸附少量氣泡,氣泡吸附產生聲發射信號,2通道信號參數為幅度50dB,計數1 035,能量31,上升時間476μs,持續時間7 305μs。頻率主要集中在200~300kHz,在200~500kHz有廣泛分布,持續時間較長,這與實驗第一階段氣泡吸附和脫吸產生的信號特征相似(圖4b)。40min后,2通道Q345R表面有腐蝕生成物生成,同時產生聲發射信號,信號參數為幅度64dB,計數3 149,能量335,上升時間243μs,持續時間21 013μs,這類信號有較高能量,高持續時間的特點,頻率主要分布在200~300kHz之間(圖4c)。1通道不銹鋼,1h后出現聲發射信號,信號參數為幅度33dB,計數4,能量2,上升時間246μs,持續時間1 123μs,頻率主要集中在200~250kHz之間(圖4d)。
圖4 實驗第二階段波形及頻譜圖
1通道不銹鋼信號能量小于10,幅值小于35dB,24h內1通道1 000個撞擊,幅度主要集中在30~35dB之間,2通道1 700個撞擊,幅度分布在30~75dB之間(圖5a)。24~48h之間 1通道撞擊數為900,幅度主要集中在30~35dB之間,2通道撞擊數為700,幅度主要集中在30~70dB之間(圖5b)。48~72h之間1通道撞擊數為850,幅度主要集中在30~35dB之間,2通道撞擊數為400個,幅度主要集中在30~70dB之間(圖5c)。
從上述關聯圖可以看出Q235和Q345R信號幅度分布在30~70dB之間,而不銹鋼信號主要分布在30~35dB之間,通過關聯圖可區分Q235和不銹鋼信號之間的差異,也可區分Q345R和不銹鋼信號之間的差異,而Q235和Q345R信號之間的差異通過關聯圖還無法準確區分。
圖5 撞擊與幅度關聯圖
2.2聲發射信號累加參數分析
如圖6所示不銹鋼與碳鋼在24h之前累加撞擊數都有上升的趨勢,20h后上升趨勢減緩,70h之后逐漸趨于平穩。從圖7可以看出3種材料腐蝕聲發射信號累加能量計數在60h之前有上升趨勢,60~70h之間都趨于平穩。從圖6、7可以看出Q345R的累加撞擊數和累加能量在相同時間段都在Q235之上,這主要由于Q345R腐蝕產生氣泡要比Q235多,同時氣泡波動較Q235腐蝕時產生的氣泡波動劇烈,通過撞擊和能量的累加計數圖可以區分Q345R和Q235兩種材料腐蝕信號。
圖6 累加撞擊計數隨時間的變化
圖7 累加能量計數隨時間的變化
2.3聲發射信號的小波分析
2.3.1小波基的選取
筆者以突發型聲發射波形為選取小波基的基礎。計算小波基分別取db1~10,分解層數分別為1~10時的信息代價函數值,將各小波基下的最小信息代價函數值列于表1,從表1中看出,小波基取db9時,信息代價函數值最小。
表1 不同小波基下的最小信息代價函數值
繪制db9小波基分解層數對信息代價函數的關系曲線(圖8),從圖8中可以看出,當分解層數為5時,信息代價函數值最小,故筆者選擇db9小波基對聲發射信號進行5層小波分解[3]。
圖8 小波基為db9時不同分解層數下的信息代價函數值
2.3.2聲發射信號的小波能譜系數分析
對實驗采集的信號進行基于db9小波基的5層小波分解,并計算其小波特征能譜系數,各尺度能譜系數分別如圖9~13所示。從圖9可看出,3種材料腐蝕過程中產生噪聲信號波形相似,小波特征能譜系數分布相近,主要頻率范圍集中在d5和a5低頻頻帶。通過波形和小波能譜分布圖將腐蝕信號分為兩類,第一類如圖10所示,3種材料腐蝕過程中產生聲發射信號波形相似,小波特征能譜系數分布相近,主要頻率范圍集中在d1和d2高頻頻帶;第二類如圖11所示,d1、d2和d3頻帶有高值,其余頻帶系數較低。同時實驗過程中采集到如圖12所示的低頻信號,這種信號與3種材料腐蝕過程中氣泡同時產生,圖13是典型敲擊信號的波形及小波能譜分布圖,兩圖對比發現,本實驗采集到圖12所示類型的信號與敲擊信號波形和能譜分布相似,推斷圖12信號為氣泡吸附到金屬表面產生的類似敲擊信號的聲發射信號。
圖9 噪聲信號小波分解能譜分布圖
圖10 第一類腐蝕信號小波分解能譜分布圖
圖11 第二類腐蝕信號小波分解能譜分布圖
圖12 氣泡吸附波動信號小波分解能譜分布圖
圖13 敲擊信號小波分解能譜分布圖
3.1Q235和Q345R信號幅度分布在30~70dB之間,而不銹鋼信號主要分布在30~35dB之間,通過關聯圖可區分Q235和不銹鋼信號之間的差異、Q345R和不銹鋼信號之間的差異。
3.2由于Q345R腐蝕產生氣泡要比Q235多,同時氣泡波動較Q235腐蝕時產生的氣泡波動劇烈,所以Q345R的累加撞擊數和累加能量在相同時間段都在Q235之上,通過撞擊和能量的累加計數圖可以區分Q345R和Q235兩種材料腐蝕信號。
3.3通過實驗采集信號的小波特征能譜系數分布圖的分析,可將3種材料腐蝕過程中產生的噪聲信號、腐蝕信號和氣泡波動信號歸類區分開,說明分析小波分解分量的能量在不同頻率范圍中的分布特征,在一定程度上可以識別不同類型的聲發射信號。
[1] 李偉.低碳鋼點蝕聲學檢測與信號處理技術研究[D].大慶:大慶石油學院,2006.
[2] Xu J,Wu X Q,Han E H.Acoustic Emission during the Electrochemical Corrosion of 304 Stainless Steel in H2SO4Solutions[J].Corrosion Science,2011,53(1):448~457.
[3] Long F F,Zheng G H,Li W,et al.Research on Signal Analysis Method of Acoustic Emission Based on EMD Filter And Clustering[C].WCAE2011.Beijing:Chinese Society for Non-destructive Testing,2011:141~146.