采用声发射技术检测点蚀深度并监测其发展情况
引言
绝大多数金属和合金都容易发生点蚀和坑蚀。在石油和天然气加工过程中、在海水中、在盐溶液里、在制冷机的冷却系统中、在企业的循环供水系统等环境下，都会出现这类腐蚀现象。
在工艺设备运行过程中，点蚀和溃疡腐蚀的出现会带来严重危险，还会引发其他类型的腐蚀，例如应力腐蚀开裂和晶间腐蚀。
在水性介质中，金属发生溃疡腐蚀和点蚀的促进剂是氯离子, 溴离子, 氰离子, 硫酸根。阴离子活化剂以不同的量存在于绝大多数自然环境和工艺环境中，金属设备和结构就在这些环境中使用。
研究发现，溃疡和点蚀的形成过程伴随着以下现象：金属和合金上的钝化膜发生电击穿；金属表面的氧化膜被膜下析出的氢气剥离和破坏；气体析出；与保护性膜的破坏和形成这两个相互竞争的过程无序进行相关的腐蚀过程出现波动。所有这些现象都可能产生声学信号。
此前，通过数值模拟和连续小波分析发现，当声发射信号在板材中传播时，主要以兰姆波的 A0 模式和 S0 模式为主。当缺陷位于板材中心附近（深度约 50%）时，S0 模式占主导；而当缺陷位于任意两个表面附近（深度约 0%或约 100%）时，A0 模式占主导。同时，在小波变换中，对应 A0 模式和 S0 模式的最大值出现在不同频率上。
在我们的工作中，尝试研究了应用所描述方法进行声发射（AE）监测溃疡腐蚀的可能性，即通过识别与腐蚀损伤向材料内部扩展过程相对应的声发射信号来实现。
为了在实验室条件下重现损伤机制，对专门制备的碳钢样品在1%的硫酸溶液中进行了测试。在研究过程中，确定了对称模式能量份额与溃疡腐蚀发展阶段之间的关系。
实验方法
实践表明，用10、20、09Г2С、10Г2、17ГС钢制造的工艺设备，在非腐蚀性介质（纯净石油、纯净天然气）中能正常使用。同时，这些钢号在与腐蚀性介质直接接触的设备使用实践中最为常见，这必然会导致设备因溃疡腐蚀而严重受损。
为开展研究工作，选择了 20 钢作为材料，因为它是上述材料中最常见的。制作了实验样品，这些样品为尺寸为 500×50×5 毫米的条材。
作为腐蚀性介质，使用了 1%的硫酸溶液。硫酸含有硫酸根离子，能显著加速腐蚀破坏。与硫酸的反应伴随着腐蚀所特有的所有主要过程：
1. 气体生成（氢气）：
• 气泡形成；
• 气泡从金属表面脱离；
• 气泡上浮后破裂。
2. 轧制生产过程中形成的冶金氧化皮开裂；
3. 基础金属表层腐蚀；
4. 基础金属次表层（中心部分）腐蚀。
实验在两个样品上进行。为了在样品1上获得主要为对称模式的兰姆波，将尺寸为10×1mm的端部区域——样品的切割面（图1）进行腐蚀处理。为了在样品2上获得主要为反对称模式的兰姆波，将尺寸为30×10mm的规则表面（图2）进行腐蚀处理。
样品制备按以下方式进行。每个样品的一端用熔化的石蜡封住，然后在石蜡上清理出一块区域用于酸处理。
声发射信号的记录由多通道声发射系统 A-Line 32D (PCI - 8) 完成。每个样品上安装了三个声发射传感器（图 1 和图 2）。使用了带宽为 100~800kHz 的宽频声发射传感器 GT300 和带宽为 30 ~ 500kHz 的宽频声发射传感器 GT200。采用了 30~500kHz 和 125~500kHz 两个频率范围的前置放大器来区分腐蚀过程。
实验在以下声发射系统设置下进行：前置放大器增益系数为26dB，鉴阈值为35dB。
将样品放入单独的容器中，然后向容器中倒入1%的硫酸溶液。在八天的时间里对声发射信号进行观察和记录。
为了分析腐蚀损伤情况，使用了声发射信号的波形图及其频谱。
图1. a) 用于腐蚀试验的断面表面的1号试样；
b) 用于腐蚀试验的规则表面的2号试样。
传感器1号、4号 – GT300（前置放大器频率滤波器30 - 500kHz）
传感器2号、5号 – GT200（前置放大器频率滤波器125 - 500kHz）
传感器3号、6号 – GT200（前置放大器频率滤波器30 - 500kHz）
结果分析
为了分析大量的波形图，没有采用小波变换，而是使用了频谱分析。频谱分析表明，信号可以分为两组：低频组（30~200kHz）和高频组（300~ 500kHz）。对从压电传感器3号和6号获取的数据进行了更详细的分析，这两个传感器的灵敏度比1号和4号压电传感器高，且频率范围比2号和5号压电传感器宽。
在1号试样上，整个实验过程中都存在具有高频成分的声发射信号（图2a）。此时，随着腐蚀损伤向试样内部深入，信号数量不断增加。此外，能量仅集中在高频区域、推测来自深度50%处的信号数量也有所增加（图2b）。图3展示了带有腐蚀损伤的1号试样的截面。
高频成分 
0 100 200 300 400 kHz a） |
声发射信号来自50%深度处 
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图2. 带有高频成分的AE信号
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切割面 |
切割面 4мм |
图3. 带有腐蚀损伤的1号试样截面图
对2号样品的实验可以分为三个阶段。
第一阶段持续了大约2小时，期间出现了大量具有高频成分的声发射信号（约占50%）。通过肉眼观察发现，这些信号是由样品表面的冶金氧化皮开裂和剥落引起的。
第二阶段紧随第一阶段而来，其特点是信号总量增加了两个数量级以上，且完全没有含高频成分的信号。第二阶段持续了大约三天时间。
在第三阶段，出现并发展了溃疡性腐蚀。这一阶段的特征是声发射信号中出现了高频成分，而且随着缺陷的增大，高频信号的数量以及高频成分的特征比例均有所增加。图4展示了声发射信号中高频成分比例随缺陷增大而增加的情况。当试样壁厚为5毫米时，缺陷的最大深度为2毫米，300~ 500kHz范围内信号能量的最大比例达到了91%（图4d）。图5展示了带有腐蚀损伤的试样2的截面。
样品1号和2号上所有带有高频成分的声发射信号的幅值都在36~46dB范围内。
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图4. 随着溃疡损伤的加重，声发射信号高频分量占比增加
图5. 带有腐蚀损伤的2号样品截面
所得结果与文章中的数值模拟结果相符。在本研究中，位于板中间的声源主要辐射对称模式，其小波最大值出现在522 kHz频率处；随着声源靠近板表面，对称模式的能量逐渐减小，大部分能量由反对称模式携带，该模式的小波最大值出现在50 kHz频率处。
结论
实验结果表明，声发射信号的高频分量中包含了关于试样表面氧化膜破坏以及点蚀向材料内部扩展的信息。
氧化膜破坏时，声发射信号除高频分量外，总是存在低频分量。
当点蚀腐蚀深入材料内部时，声发射信号的低频成分能量逐渐降低，高频成分能量逐渐增加。推测仅具有高频成分的声发射信号来自深度为50%处。
因此，可以判断声发射方法能够检测点蚀腐蚀的渗透深度并评估其发展速度。
据推测，通过分析声发射信号的高频成分，有可能确定其他类型的局部腐蚀损伤，如：点蚀、腐蚀开裂、晶间腐蚀等。
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