高 勝 王少凡 付 玉 賈 鑫 李 偉

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)變化敏感，不同的腐蝕機(jī)理會(huì)產(chǎn)生不同參量和不同動(dòng)態(tài)特性的聲發(fā)射信號(hào)。通過(guò)金屬腐蝕實(shí)驗(yàn)研究，達(dá)到利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在線監(jiān)測(cè)金屬腐蝕過(guò)程的目的[1]。研究表明，腐蝕過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)與腐蝕產(chǎn)物的生成和剝落、氣泡在材料表面的波動(dòng)有密切聯(lián)系。筆者通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備和壓力容器工業(yè)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(guò)程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，研究不同材料腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律，為金屬腐蝕過(guò)程產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的理論提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并為應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行的腐蝕監(jiān)測(cè)奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)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(hào)類型或噪聲的鑒別。采用2/4/6前置放大器，它有較寬的動(dòng)態(tài)范圍、大輸出信號(hào)的特點(diǎn)，PCI-2是PAC公司研制的適用于高端聲發(fā)射研究的高性能、低價(jià)位聲發(fā)射卡(系統(tǒng))，該系統(tǒng)具有18位A/D，3～3 000kHz頻率范圍[2]。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)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(shí)驗(yàn)所采用腐蝕溶液為4%NaCl溶液，實(shí)驗(yàn)所采用的試件材料為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼、Q345R普通低合金鋼和304不銹鋼。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(tǒng)一)，首先用砂紙對(duì)其進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置

將處理過(guò)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(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.4實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)中，斷鉛標(biāo)定信號(hào)幅值均值96～98dB，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，標(biāo)定平均值間的幅度差應(yīng)小于3dB，說(shuō)明傳感器靈敏度較好。實(shí)驗(yàn)共分兩個(gè)階段，第一階段是一個(gè)通道單獨(dú)采集Q235在4% NaCl溶液中腐蝕的聲發(fā)射信號(hào)；第二階段是兩個(gè)通道同時(shí)采集，1通道采集不銹鋼在4% NaCl溶液中腐蝕的聲發(fā)射信號(hào)，2通道采集Q345R在4% NaCl溶液中腐蝕的聲發(fā)射信號(hào)，兩個(gè)階段分別進(jìn)行72h連續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1腐蝕過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)特征分析

實(shí)驗(yàn)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(hào)產(chǎn)生，信號(hào)參數(shù)為幅度31dB，計(jì)數(shù)1，能量0，上升時(shí)間0，持續(xù)時(shí)間0，從能量和持續(xù)時(shí)間可以看出，初始階段信號(hào)不是腐蝕產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，而是由儀器產(chǎn)生的干擾信號(hào)(圖2a)；30min后出現(xiàn)能量較高的信號(hào)，信號(hào)參數(shù)為幅度61dB，計(jì)數(shù)10，能量86，上升時(shí)間42μs，持續(xù)時(shí)間6 679μs，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，此時(shí)信號(hào)主要來(lái)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(hào)有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間(圖2b)。

圖2 實(shí)驗(yàn)第一階段波形及頻譜圖

24h內(nèi)傳感器接收到900個(gè)撞擊，幅值分布在30～70dB之間，撞擊與幅值關(guān)聯(lián)圖如圖3a所示；24～48h之間，撞擊數(shù)為820，幅值分布在30～70dB之間，撞擊與幅值關(guān)聯(lián)圖如圖3b所示；48～72h之間，撞擊數(shù)為750，幅值分布在30～70dB之間，撞擊與幅值關(guān)聯(lián)圖如圖3c所示。

圖3 撞擊與幅值關(guān)聯(lián)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(shí)間內(nèi)信號(hào)的幅值范圍都集中在30～70dB之間，而且撞擊數(shù)逐漸減少。

實(shí)驗(yàn)第二階段，1通道傳感器檢測(cè)不銹鋼信號(hào)，2通道傳感器檢測(cè)Q345R信號(hào)，浸入4%NaCl溶液中，1通道不銹鋼無(wú)信號(hào)產(chǎn)生。2通道Q345浸入溶液初期大多都是電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電噪聲信號(hào)，2通道信號(hào)參數(shù)為幅度31dB，計(jì)數(shù)10，能量1，上時(shí)間272μs，持續(xù)時(shí)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(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，2通道信號(hào)參數(shù)為幅度50dB，計(jì)數(shù)1 035，能量31，上升時(shí)間476μs，持續(xù)時(shí)間7 305μs。頻率主要集中在200～300kHz，在200～500kHz有廣泛分布，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，這與實(shí)驗(yàn)第一階段氣泡吸附和脫吸產(chǎn)生的信號(hào)特征相似(圖4b)。40min后，2通道Q345R表面有腐蝕生成物生成，同時(shí)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，信號(hào)參數(shù)為幅度64dB，計(jì)數(shù)3 149，能量335，上升時(shí)間243μs，持續(xù)時(shí)間21 013μs，這類信號(hào)有較高能量，高持續(xù)時(shí)間的特點(diǎn)，頻率主要分布在200～300kHz之間(圖4c)。1通道不銹鋼，1h后出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)，信號(hào)參數(shù)為幅度33dB，計(jì)數(shù)4，能量2，上升時(shí)間246μs，持續(xù)時(shí)間1 123μs，頻率主要集中在200～250kHz之間(圖4d)。

圖4 實(shí)驗(yàn)第二階段波形及頻譜圖

1通道不銹鋼信號(hào)能量小于10，幅值小于35dB，24h內(nèi)1通道1 000個(gè)撞擊，幅度主要集中在30～35dB之間，2通道1 700個(gè)撞擊，幅度分布在30～75dB之間(圖5a)。24～48h之間 1通道撞擊數(shù)為900，幅度主要集中在30～35dB之間，2通道撞擊數(shù)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(shù)為850，幅度主要集中在30～35dB之間，2通道撞擊數(shù)為400個(gè)，幅度主要集中在30～70dB之間(圖5c)。

從上述關(guān)聯(lián)圖可以看出Q235和Q345R信號(hào)幅度分布在30～70dB之間，而不銹鋼信號(hào)主要分布在30～35dB之間，通過(guò)關(guān)聯(lián)圖可區(qū)分Q235和不銹鋼信號(hào)之間的差異，也可區(qū)分Q345R和不銹鋼信號(hào)之間的差異，而Q235和Q345R信號(hào)之間的差異通過(guò)關(guān)聯(lián)圖還無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分。

圖5 撞擊與幅度關(guān)聯(lián)圖

2.2聲發(fā)射信號(hào)累加參數(shù)分析

如圖6所示不銹鋼與碳鋼在24h之前累加撞擊數(shù)都有上升的趨勢(shì)，20h后上升趨勢(shì)減緩，70h之后逐漸趨于平穩(wěn)。從圖7可以看出3種材料腐蝕聲發(fā)射信號(hào)累加能量計(jì)數(shù)在60h之前有上升趨勢(shì)，60～70h之間都趨于平穩(wěn)。從圖6、7可以看出Q345R的累加撞擊數(shù)和累加能量在相同時(shí)間段都在Q235之上，這主要由于Q345R腐蝕產(chǎn)生氣泡要比Q235多，同時(shí)氣泡波動(dòng)較Q235腐蝕時(shí)產(chǎn)生的氣泡波動(dòng)劇烈，通過(guò)撞擊和能量的累加計(jì)數(shù)圖可以區(qū)分Q345R和Q235兩種材料腐蝕信號(hào)。

圖6 累加撞擊計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化

圖7 累加能量計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化

2.3聲發(fā)射信號(hào)的小波分析

2.3.1小波基的選取

筆者以突發(fā)型聲發(fā)射波形為選取小波基的基礎(chǔ)。計(jì)算小波基分別取db1～10，分解層數(shù)分別為1～10時(shí)的信息代價(jià)函數(shù)值，將各小波基下的最小信息代價(jià)函數(shù)值列于表1，從表1中看出，小波基取db9時(shí)，信息代價(jià)函數(shù)值最小。

表1 不同小波基下的最小信息代價(jià)函數(shù)值

繪制db9小波基分解層數(shù)對(duì)信息代價(jià)函數(shù)的關(guān)系曲線(圖8)，從圖8中可以看出，當(dāng)分解層數(shù)為5時(shí)，信息代價(jià)函數(shù)值最小，故筆者選擇db9小波基對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行5層小波分解[3]。

圖8 小波基為db9時(shí)不同分解層數(shù)下的信息代價(jià)函數(shù)值

2.3.2聲發(fā)射信號(hào)的小波能譜系數(shù)分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的信號(hào)進(jìn)行基于db9小波基的5層小波分解，并計(jì)算其小波特征能譜系數(shù)，各尺度能譜系數(shù)分別如圖9～13所示。從圖9可看出，3種材料腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生噪聲信號(hào)波形相似，小波特征能譜系數(shù)分布相近，主要頻率范圍集中在d5和a5低頻頻帶。通過(guò)波形和小波能譜分布圖將腐蝕信號(hào)分為兩類，第一類如圖10所示，3種材料腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)波形相似，小波特征能譜系數(shù)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(shù)較低。同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集到如圖12所示的低頻信號(hào)，這種信號(hào)與3種材料腐蝕過(guò)程中氣泡同時(shí)產(chǎn)生，圖13是典型敲擊信號(hào)的波形及小波能譜分布圖，兩圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)采集到圖12所示類型的信號(hào)與敲擊信號(hào)波形和能譜分布相似，推斷圖12信號(hào)為氣泡吸附到金屬表面產(chǎn)生的類似敲擊信號(hào)的聲發(fā)射信號(hào)。

圖9 噪聲信號(hào)小波分解能譜分布圖

圖10 第一類腐蝕信號(hào)小波分解能譜分布圖

圖11 第二類腐蝕信號(hào)小波分解能譜分布圖

圖12 氣泡吸附波動(dòng)信號(hào)小波分解能譜分布圖

圖13 敲擊信號(hào)小波分解能譜分布圖

3 結(jié)論

3.1Q235和Q345R信號(hào)幅度分布在30～70dB之間，而不銹鋼信號(hào)主要分布在30～35dB之間，通過(guò)關(guān)聯(lián)圖可區(qū)分Q235和不銹鋼信號(hào)之間的差異、Q345R和不銹鋼信號(hào)之間的差異。

3.2由于Q345R腐蝕產(chǎn)生氣泡要比Q235多，同時(shí)氣泡波動(dòng)較Q235腐蝕時(shí)產(chǎn)生的氣泡波動(dòng)劇烈，所以Q345R的累加撞擊數(shù)和累加能量在相同時(shí)間段都在Q235之上，通過(guò)撞擊和能量的累加計(jì)數(shù)圖可以區(qū)分Q345R和Q235兩種材料腐蝕信號(hào)。

3.3通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集信號(hào)的小波特征能譜系數(shù)分布圖的分析，可將3種材料腐蝕過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲信號(hào)、腐蝕信號(hào)和氣泡波動(dòng)信號(hào)歸類區(qū)分開(kāi)，說(shuō)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(shí)別不同類型的聲發(fā)射信號(hào)。

[1] 李偉.低碳鋼點(diǎn)蝕聲學(xué)檢測(cè)與信號(hào)處理技術(shù)研究[D].大慶：大慶石油學(xué)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．