儲罐長期腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射監(jiān)測分析
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孫志濤 張延兵
（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院 南通 22601 1）
摘要：通過對一充水存放超過2年的儲罐試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行聲發(fā)射腐蝕監(jiān)測，分析其在長周期腐蝕狀態(tài)下的聲發(fā)射信號特征規(guī)律，研究其與腐蝕發(fā)展各階段的對應(yīng)關(guān)系，從而掌握儲罐腐蝕機(jī)理和規(guī)律，形成對儲罐腐蝕更深入的認(rèn)識，為后續(xù)儲罐在線評價及腐蝕防護(hù)等提供可靠的理論支撐。
關(guān)鍵詞：儲罐腐蝕 長周期監(jiān)測 中圖分類號：X924.2
文章編號：1673-257X(2016)03-0044-05 DOI：10. 3969/j .issn .1673-257X．2016. 03. 010
常壓儲罐作為大容量儲存式容器，其最為常見的兩種失效形式為腐蝕和泄漏…，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)，而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，其造成的失效占所有失效總量的近三分之一。儲罐腐蝕在不同階段其腐蝕機(jī)理及活性程度均有所不同，對其規(guī)律的研究是儲罐在線安全評價和腐蝕防護(hù)管理措施制定的理論依據(jù)，而監(jiān)測技術(shù)又是設(shè)備安全狀態(tài)長周期普查最為有效的手段，因此針對儲罐腐蝕長期聲發(fā)射監(jiān)測分析對于儲罐的安全評價技術(shù)的提高具有非常積極的工程應(yīng)用意義。
1試驗(yàn)對象及儀器
為模擬儲罐的腐蝕狀態(tài)并分析儲罐腐蝕機(jī)理，設(shè)計(jì)制造兩個材質(zhì)為Q23s的儲罐試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄒ姳?、表2、圖1、圖2）。分別注入清水，在室溫環(huán)境下靜態(tài)放置，并定期進(jìn)行腐蝕狀態(tài)的聲發(fā)射檢測，以實(shí)現(xiàn)對儲罐腐蝕的長周期監(jiān)測。其中1號儲罐先于2號儲罐1年建造，在2號儲罐投入使用一周后，對兩只儲罐同時進(jìn)行周期性的監(jiān)測。
1號儲罐在進(jìn)行首次試驗(yàn)時，由于已經(jīng)靜置一年左右的時間，在儲罐內(nèi)壁形成一層較厚的豎條形泡沫狀腐蝕產(chǎn)物，且罐底沉積了一層較厚的腐蝕沉積物，此時儲罐內(nèi)部腐蝕已完全呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)（圖3為儲罐內(nèi)部腐蝕狀態(tài)）。
2聲發(fā)射活性和能量統(tǒng)計(jì)分析
聲發(fā)射特征參數(shù)中撞擊數(shù)、事件數(shù)表征了聲發(fā)射信號的活度，振鈴計(jì)數(shù)和能量計(jì)數(shù)表征了聲發(fā)射信號的能量，這幾個參數(shù)是聲發(fā)射腐蝕檢測評價的重要技術(shù)參數(shù)。本文將重點(diǎn)就兩個儲罐試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母g聲發(fā)射信號的活性和能量進(jìn)行詳細(xì)的分析。依據(jù)儲罐各個腐蝕階段的不同特征及機(jī)理，按照腐蝕活性程度的高低，將腐蝕過程大致分為三個階段：腐蝕初期、腐蝕劇烈期、腐蝕穩(wěn)定期。其中1#儲罐第一次采集時，距離投入使用已一年左右，罐內(nèi)腐蝕已達(dá)到比較穩(wěn)定的狀態(tài)；2#儲罐第一次采集時，距離投入使用一周左右，儲罐處于腐蝕初期，活性較強(qiáng)。為了便于區(qū)分兩種儲罐，將1#、2#儲罐分別稱為穩(wěn)定腐蝕儲罐和活性腐蝕儲罐。
2.1穩(wěn)定腐蝕儲罐
圖4、圖5分別為1號儲罐每次實(shí)驗(yàn)采集的總撞擊數(shù)、總事件數(shù)、總振鈴計(jì)數(shù)、總能量計(jì)數(shù)柱狀圖。從圖中可以看出，四種參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨時間的分布趨勢基本相同。1號儲罐在首次檢測前，首先進(jìn)行了補(bǔ)充注水（儲罐內(nèi)的水會蒸發(fā)，需要定期補(bǔ)充，同時可以模擬儲罐正常的進(jìn)料或出料作業(yè)），此時采集的腐蝕信號活性最強(qiáng)，隨后逐漸降低，能量也是先增強(qiáng)、后降低。這是由于注入的水中含有大量的氯離子和氧分子，使介質(zhì)中腐蝕性離子的濃度升高，腐蝕活性增強(qiáng)，產(chǎn)生的聲發(fā)射信號數(shù)量增加，總能量也隨之升高。排水后（閥門開啟使水流出，1min后關(guān)閉閥門），此時聲發(fā)射活性有稍許的提高，這是由于在排水過程中，介質(zhì)流動會沖刷掉一部分腐蝕產(chǎn)物。腐蝕產(chǎn)物對罐底內(nèi)部金屬具有一定的保護(hù)隔離作用，被沖刷后，內(nèi)部金屬暴露并直接與介質(zhì)接觸，從而使腐蝕活性增強(qiáng)。
由于儲罐長期放置在實(shí)驗(yàn)室中，頂部沒有蓋板，隨著外界環(huán)境氣溫的升高，介質(zhì)的揮發(fā)性增強(qiáng)。為了防止揮發(fā)的水汽對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境造成影響，后期在罐頂覆蓋一層塑料膜（可以模擬儲罐罐內(nèi)介質(zhì)的揮發(fā)）。如圖6所示，從圖中可以看出，由于晝夜溫差及水蒸氣蒸發(fā)的原因，介質(zhì)以上罐壁和塑料膜上凝結(jié)了較多的水汽。圖4和圖5中箭頭所示為蓋上塑料膜后第一次采集的聲發(fā)射信號，可以看出聲發(fā)射活性和總能量有稍許的上升趨勢，后來逐漸降低。其一方面是由于室溫升高，加快了腐蝕速率，使聲發(fā)射活性增強(qiáng)；另一方面，根據(jù)儲罐氣相部位腐蝕機(jī)理，凝結(jié)在罐壁上的水膜使氧氣更容易擴(kuò)散到鋼材表面，氧的去極化反應(yīng)更為迅速，使未與介質(zhì)接觸的罐壁的腐蝕速率加快。這兩種情況均使腐蝕活性有所上升，聲發(fā)射活性和能量也隨著升高。隨著新的氧化層的形成，又在金屬表面形成了一層類似鈍化膜的腐蝕產(chǎn)物，在一定程度上阻隔了介質(zhì)與金屬的繼續(xù)接觸，因此腐蝕活性逐漸降低，聲發(fā)射活性也隨之降低。
2.2活性腐蝕儲罐
2號儲罐投入使用時即進(jìn)行了注水，此時由于液位不穩(wěn)定，且腐蝕現(xiàn)象并未在儲罐表面形成均勻分布，試驗(yàn)效果不具有與現(xiàn)場實(shí)際儲罐相似的代表性，因此選取一周后再進(jìn)行檢測。第一次采集時，儲罐表面已經(jīng)完全進(jìn)入了腐蝕活躍期，從幅值歷程圖和撞擊計(jì)數(shù)率歷程圖中均可以看出腐蝕信號的活性和強(qiáng)度均很高。隨著腐蝕反應(yīng)時間的延續(xù)，腐蝕活性逐漸降低，高幅值信號減少，總的信號數(shù)量也隨之降低。但是由于腐蝕依然在緩慢進(jìn)行，還是存在有較多的低幅值信號。
圖7和圖8分別為活性腐蝕儲罐聲發(fā)射信號的四種參數(shù)隨時間變化的柱狀圖，從圖中可以看出，儲罐投用一周后第一次采集時，聲發(fā)射的信號活度較高，隨著時間的推移又逐漸降低，但是釋放的總能量卻在不斷升高。排水后（閥門開啟使水流出，1min后關(guān)閉閥門），由于部分腐蝕層被沖刷破壞，活性迅速升高，能量也有所提升，隨后活度有所降低，并基本保持不變，但是其總能量在不斷降低。蓋上塑料膜后，聲發(fā)射活性和釋放的能量有稍許的上升，但是幅度不大。
合腐蝕機(jī)理，儲罐第一次注滿水后，由于內(nèi)部沒有進(jìn)行防腐措施，介質(zhì)與罐壁直接接觸，形成較強(qiáng)的電化學(xué)環(huán)境，腐蝕開始進(jìn)行。腐蝕初期，陰極電極反應(yīng)，釋放氫氣，陽極金屬溶解，形成氧化膜。氫氣的產(chǎn)生、摩擦與破裂，氧化膜的生成、摩擦均會產(chǎn)生較多的聲發(fā)射信號。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，介質(zhì)中氫離子的濃度降低，氣泡減少，因此信號總數(shù)有所降低。但是陽極氧化反應(yīng)仍在不斷進(jìn)行，在氧化膜還未形成有效保護(hù)之前，腐蝕速率依然較高。此時氧化產(chǎn)物的形成、摩擦、破裂和剝落均會產(chǎn)生能量較大的聲發(fā)射信號，因此，雖然信號數(shù)量有所減少，但釋放的總能量升高。隨著介質(zhì)中腐蝕性離子濃度降低、氧化膜的厚度增加，腐蝕速率逐漸降低，釋放的能量也逐漸減少。排水后由于沖刷掉一部分腐蝕層，腐蝕速率有所上升，信號活度和總能量升高，但是隨后很快降低，之后腐蝕活性基本維持在一定水平，而釋放的總能量卻在不斷降低，表明高能量信號迅速減少。
3參數(shù)歷程分析
由上述分析可知，腐蝕的不同時期聲發(fā)射特性具有較大的差異，這與腐蝕機(jī)理有著直接的聯(lián)系。本節(jié)根據(jù)距離儲罐首次注水日期的時間，從2號儲罐長期腐蝕聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)中提取四次具有代表性的聲發(fā)射信號（注水后第7天，第5個月，第1年，第1.5年）進(jìn)行分析，得出聲發(fā)射參數(shù)隨著腐蝕活性的變化規(guī)律，建立聲發(fā)射參數(shù)特性與腐蝕活性之間的對應(yīng)關(guān)系。
圖9為提取的四次腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的幅值歷程散點(diǎn)圖和撞擊計(jì)數(shù)率歷程圖，通過比較可以看出聲發(fā)射信號與腐蝕活性的對應(yīng)關(guān)系。首先，從幅值歷程圖中可以看出，在儲罐模型首次注水后，第一次采集的信號幅值范圍最大，在40～90dB之間均有分布，主要集中在低幅值范圍內(nèi)。隨著腐蝕時間的延長，高幅值信號明顯減少，幅值范圍越來越小。當(dāng)腐蝕進(jìn)入十分平穩(wěn)的時期，只在40～60dB之間有信號。其次，從撞擊歷程圖中可以看出，第5個月時，單位時間段(18s)內(nèi)的平均撞擊數(shù)水平超過了第7天的信號，但是聚集信號產(chǎn)生的頻率降低。隨著腐蝕時間的增長，平均撞擊數(shù)水平不斷降低，聚集信號產(chǎn)生的頻率繼續(xù)下降。當(dāng)腐蝕進(jìn)入到十分平穩(wěn)的時期，平均撞擊數(shù)水平和聚集信號出現(xiàn)的頻率相比于腐蝕前期都有大幅度的下降。
結(jié)合腐蝕聲發(fā)射機(jī)理進(jìn)行分析，在不同的腐蝕時期，主要的聲發(fā)射源是不一樣的。腐蝕初期，主要是氫氣泡的生成和金屬的溶解過程，這類聲源的強(qiáng)度較小，因此聲發(fā)射信號的幅值較低。隨著電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，腐蝕開始進(jìn)入活躍期，此時的聲發(fā)射源主要是腐蝕產(chǎn)物的生成，該過程伴隨著金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劇烈變化，并且腐蝕產(chǎn)物在不斷生成的過程中與金屬本體剝離、相互摩擦，都會產(chǎn)生幅值較高的信號。隨著腐蝕產(chǎn)物的不斷生成，逐漸堆積在金屬本體上，當(dāng)堆積到一定厚度后，外側(cè)的腐蝕產(chǎn)物在重力或其他作用力下脫落，也會產(chǎn)生較強(qiáng)的聲發(fā)射信號。隨著腐蝕產(chǎn)物的生成，在金屬的表面會覆蓋一層較厚的氧化膜，在一定程度上將金屬本體與介質(zhì)隔離，阻礙了腐蝕過程的進(jìn)行，腐蝕開始進(jìn)入平穩(wěn)期。但是這種氧化膜比較疏松，不能完全阻礙反應(yīng)的進(jìn)行，因此腐蝕過程依然在進(jìn)行，但是相對于劇烈期比較溫和。
4參數(shù)分布分析
上節(jié)中已經(jīng)分析得出腐蝕信號主要集中在低幅值范圍內(nèi)，幅值越高的信號越少，分布越分散�，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)兩個儲罐的幅值分布隨著腐蝕時期的變化情況，如圖10所示�？梢钥闯觯瑹o論腐蝕處于哪個時期，信號都主要分布在低幅值、低能量的范圍內(nèi)。其中，活性腐蝕儲罐在半年時間內(nèi)，40～50dB的信號均占80%以上；50～60dB的信號其次，均在20%以內(nèi)；60～100dB的信號最少。在腐蝕前幾個階段，60～100dB的信號比例較多，甚至與50～60dB區(qū)間的信號數(shù)量相當(dāng)。然而，隨著腐蝕的不斷進(jìn)行，60～100dB的信號急劇減少，基本維持在5%以下，50～60dB的信號比例有所上升。
穩(wěn)定腐蝕儲罐的幅值分布基本相似，40～50dB的信號比例最多，占總信號的60%以上。50～60dB的信號其次，占總信號的15%至30%之間，60dB的信號最少，占5%以下。
圖1 1為兩個儲罐的能量分布隨腐蝕時間的變化情況，可以看出，與幅值分布相似，腐蝕信號均主要集中在1～100的低能量范圍內(nèi)，該區(qū)間的信號比例均在60%以上。100～1000的信號比例其次，活性腐蝕儲罐每次采集的信號以及穩(wěn)定腐蝕儲罐大部分時期的信號，該區(qū)間的信號比例均在20%～40%之間。當(dāng)腐蝕十分穩(wěn)定的時期，該區(qū)間信號比例甚至在5%以下。1000以上的信號所占比例最小，活性腐蝕儲罐剛開始采集的幾次信號，其比例會達(dá)到10%左右，隨后一直降低，基本維持在5%以下。
5結(jié)論
本文通過對儲罐模型進(jìn)行長期腐蝕監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，得到儲罐腐蝕的聲發(fā)射特征，主要結(jié)論如下：
1)腐蝕是一個長期的過程，不同腐蝕時期的腐蝕機(jī)理不同，并且會隨著外界環(huán)境條件以及工況的改變而變化。聲發(fā)射技術(shù)能夠靈敏地反映腐蝕的活性，因此可以有效地檢測儲罐的腐蝕情況。
2)聲發(fā)射信號的特征參數(shù)（幅值、能量、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時間、上升時間）在不同的腐蝕階段有所不同，具體表現(xiàn)為：(1)在腐蝕劇烈時，參數(shù)范圍較廣，高幅值、高能量，持續(xù)時間長的信號較多。隨著腐蝕逐漸進(jìn)入穩(wěn)定期，參數(shù)范圍縮小，特別是高幅值、高能量、持續(xù)時間長的信號大大減少；(2)雖然聲發(fā)射信號的參數(shù)值隨著腐蝕時間有所變化，但是參數(shù)之間的相關(guān)性基本維持不變，特別是能量、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時間三種參數(shù)具有較好的相關(guān)性。幅值越大的信號能量一般也越大，但是當(dāng)進(jìn)入到腐蝕劇烈期時，高幅值的能量反而較小，且持續(xù)時間短，可能是由氧化皮脫落瞬間產(chǎn)生的突發(fā)型信號。高幅值信號的上升時間都較短，是由能量的快速釋放造成的；(3)不同的腐蝕時期，幅值和能量的分布基本相同，均主要分布在低幅值、低能量區(qū)間。
