CSTM-無損檢測 腐蝕監(jiān)測 超聲測厚法編制說明

CSTM標(biāo)準(zhǔn)《無損檢測腐蝕監(jiān)測超聲測厚法》（編制說明）（一）工作簡況1、任務(wù)來源CSTM無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會下達(dá)了關(guān)于征集2020年第一批標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的通知。在科技部，國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“公共安全風(fēng)險防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”重點(diǎn)專項(xiàng)《典型承壓類特種設(shè)備損傷磁聲復(fù)合式監(jiān)檢測技術(shù)研究》項(xiàng)目的支持下，中國特種設(shè)備檢測研究院就《無損檢測腐蝕監(jiān)測超聲測厚法》標(biāo)準(zhǔn)向標(biāo)委會提出了立項(xiàng)申請，經(jīng)CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會審查，CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)CSTM標(biāo)準(zhǔn)《無損檢測腐蝕監(jiān)測超聲測厚法》立項(xiàng)，標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目歸口管理委員會為CSTM/FC94無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會，標(biāo)準(zhǔn)計劃編號為CSTMLX940000670-2021，標(biāo)準(zhǔn)牽頭單位為中國特種設(shè)備檢測研究院。2、主要工作過程1）起草階段：立項(xiàng)前，中國特種設(shè)備檢測研究院建成立了標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，確定了標(biāo)準(zhǔn)編寫原則和分工，提出標(biāo)準(zhǔn)編制進(jìn)度安排。標(biāo)準(zhǔn)編制組對國內(nèi)外腐蝕監(jiān)測超聲測厚法的現(xiàn)狀與發(fā)展情況進(jìn)行全面調(diào)研，廣泛搜集和檢索國內(nèi)外的相關(guān)技術(shù)資料，查閱國內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，于2020年7月形成標(biāo)準(zhǔn)工作組討論稿，提交中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會（CSTM/FC94）秘書處。2021年4月，中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會（CSTM/FC94）在濟(jì)南召開了2021年度標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)論證會，對《無損檢測腐蝕監(jiān)測超聲測厚法》申報標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行立項(xiàng)論證和投票，根據(jù)投票結(jié)果，本標(biāo)準(zhǔn)通過立項(xiàng)。會上，與會專家對本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充分的討論和商議，并提出了很多具有針對性的建議。2）征求意見階段：立項(xiàng)后，中國特種設(shè)備檢測研究院按照標(biāo)準(zhǔn)編制計劃，標(biāo)準(zhǔn)起草工作組全體成員之間通過郵件、電話的方式，經(jīng)過多次溝通協(xié)商，于2021年7月形成《無損檢測腐蝕監(jiān)測超聲測厚法》標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿。3）審查階段：4）報批階段：3、本標(biāo)準(zhǔn)起草單位和主要起草人本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：（二）標(biāo)準(zhǔn)編制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容該標(biāo)準(zhǔn)按照現(xiàn)行的GB/T1.1《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)與編寫》給出的規(guī)則起草。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超聲測厚在線監(jiān)測金屬材料腐蝕的方法，本標(biāo)準(zhǔn)適用于電磁超聲傳感器、壓電超聲傳感器、磁致伸縮超聲傳感器。本標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括：1范圍，2規(guī)范性引用文件，3術(shù)語和定義，4方法概要，5要求，6監(jiān)測工藝規(guī)程，7監(jiān)測設(shè)備和器材，8監(jiān)測程序，9監(jiān)測信號的分析與評定，10監(jiān)測記錄與報告。（三）主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）的分析、綜述報告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果：主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）的分析、綜述報告腐蝕是在役設(shè)備需要監(jiān)測的典型損傷，它是動態(tài)發(fā)展和長期積累的，對其進(jìn)行在線監(jiān)測是進(jìn)行風(fēng)險評估和事故預(yù)防的基礎(chǔ)。腐蝕包括應(yīng)力腐蝕開裂、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕等，腐蝕現(xiàn)象在鋼鐵、石油、電力、化工、鍋爐以及核工業(yè)等行業(yè)均普遍存在，輕則會導(dǎo)致材料機(jī)械強(qiáng)度及性能下降，重則會是材料失效，因此由材料輔食損傷引起的設(shè)備失效風(fēng)險急劇增高，急需提高安全保障能力，對腐蝕實(shí)時監(jiān)測，及早進(jìn)行風(fēng)險評估和事故預(yù)防，成為亟待解決的問題。

目前腐蝕監(jiān)測方法主要有侵入式和非侵入式兩種，目前腐蝕監(jiān)測方法主要有侵入式和非侵入式兩種。侵入式有較為成熟的掛片法和探針法，只能監(jiān)測均勻腐蝕，且會破壞設(shè)備帶來一定風(fēng)險。非侵入式主要有超聲波測厚法，代表性的有GE的Rightrax壓電測厚系統(tǒng)和英國Permasense公司的雙波導(dǎo)桿和電磁超聲測厚系統(tǒng)。在役設(shè)備腐蝕會導(dǎo)致本體材料厚度減薄，采用超聲脈沖回波可對金屬材料厚度進(jìn)行測量，獲取到材料的腐蝕剩余壁厚。利用超聲脈沖回波對在役設(shè)備進(jìn)行定點(diǎn)在線監(jiān)測，可實(shí)時或定時獲取設(shè)備的腐蝕剩余壁厚數(shù)據(jù)，監(jiān)測設(shè)備的腐蝕狀況，評估監(jiān)測點(diǎn)處設(shè)備本體材料的腐蝕速率。利用超聲脈沖回波法對金屬材料進(jìn)行厚度測量，被監(jiān)測對象厚度值是由超聲波的傳播時間與波速的乘積求得。傳播時間為超聲波在被測對象厚度路徑上一次傳播的時間或多次往返傳播的時間差，如圖1所示。材料腐蝕會導(dǎo)致設(shè)備壁厚減薄，進(jìn)而影響脈沖回波間的時間差?t，結(jié)合材料聲速V便可以獲得材料剩余厚度值（T）。如式（1）：T=V·?t/2（1）式中：T——厚度值；V——材料聲速，與被檢材料及溫度相關(guān)；?t——相鄰回波時間差。說明：1——超聲探頭；2——被檢測對象；3——激發(fā)超聲波；?t——回波時間差；4——脈沖回波；5——多次回波。圖SEQ圖\*ARABIC1超聲脈沖回波測厚方法示意圖國內(nèi)外尚無腐蝕監(jiān)測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行腐蝕監(jiān)測已有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范《ASTMB826-2003用電阻探頭監(jiān)測大氣腐蝕試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和《SY/T6970-2013高含硫化氫氣田地面集輸系統(tǒng)在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》分別是基于電阻探針和掛片法對大氣腐蝕和硫化氫集輸管道腐蝕的監(jiān)測，而超聲測厚法的方法原理不同于電阻探針和掛片法，因此現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)無法滿足腐蝕監(jiān)測超聲測厚法需求。主要技術(shù)內(nèi)容試驗(yàn)分析：（1）腐蝕監(jiān)測電磁超聲測厚法研究電磁超聲測厚法非接觸式測量、無需耦合劑、適用高低溫材料測厚、無需打磨被檢材料表面。電磁超聲測厚監(jiān)測法可以通過對材料進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測，可實(shí)時或定時獲取設(shè)備的腐蝕剩余厚測量。采用Q245R#鋼板，試塊直徑30mm，厚度16mm，侵蝕液為PH值為2的NaCl溶液，研究連續(xù)腐蝕過程中電磁超聲監(jiān)測信號的演化規(guī)律，搭建了加速腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置，采用EMAT對不同面積大小的腐蝕進(jìn)行在線動態(tài)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究，測試裝置如圖2所示。在試塊上不同位置分別設(shè)置大于和小于EMAT換能面積的腐蝕區(qū)域，對應(yīng)模擬較大面積的均勻腐蝕和小面積的局部腐蝕，具體而言較大面積腐蝕區(qū)域直徑為φ30mm，較小面積的腐蝕區(qū)域直徑為φ10mm。結(jié)果表明，在動態(tài)監(jiān)測過程中，相對于EMAT換能面積大小不同的腐蝕監(jiān)測信號表現(xiàn)出不同的演化規(guī)律，同時腐蝕表面的狀況和腐蝕產(chǎn)物的存在均會在不同程度上影響電磁超聲監(jiān)測信號的波形、幅值等特征，進(jìn)一步分析提取EMAT連續(xù)監(jiān)測的腐蝕特征信號，計算腐蝕剩余壁厚或腐蝕深度，可以有效獲取到材料的腐蝕速率。圖2測試裝置采用圖2所述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對試塊設(shè)定的腐蝕區(qū)域進(jìn)行電磁超聲腐蝕監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究，監(jiān)測過程中設(shè)定電磁超聲激勵信號為頻率3.5MHz的3周期正弦波，采集腐蝕前的EMAT檢測信號作為基準(zhǔn)信號，如圖3所示，可以看出該基準(zhǔn)信號具有清晰可辨的多次腐蝕區(qū)表面回波且信噪比良好。隨著腐蝕的進(jìn)行，接收到的監(jiān)測信號回波如圖3所示，鋼板和腐蝕的回波信號區(qū)分明顯，說明利用電磁超聲測厚法監(jiān)測出腐蝕的動態(tài)變化規(guī)律。當(dāng)腐蝕坑面積小于探頭面積時，將接收到板面的回波與腐蝕坑的回波，兩波包是否重合，取決于腐蝕坑的深度。圖3腐蝕前EMAT檢測信號因?qū)嶒?yàn)試塊為電化學(xué)工作站的工作電極，故為了探究電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)是否會干擾電磁超聲在線監(jiān)測信號，將腐蝕開始時的監(jiān)測信號與未腐蝕前的基準(zhǔn)信號做對比，從圖4可直觀看出兩個狀態(tài)下的信號完全重合，故電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)不會對EMAT在線監(jiān)測信號產(chǎn)生影響，可保證下述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。圖4未腐蝕前信號與腐蝕開始時信號對比圖大多數(shù)工業(yè)中金屬腐蝕是發(fā)生在鈍化狀態(tài)下，為模擬真實(shí)的腐蝕環(huán)境，實(shí)驗(yàn)分為鈍化和加速腐蝕兩個階段，第一個小時為鈍化階段。以大面積的均勻腐蝕區(qū)域?yàn)槔?，圖5為其鈍化前后包絡(luò)信號，通過對比可觀察到，各次回波信號位置均未變化，故在鈍化過程中試塊壁厚并未發(fā)生腐蝕變薄的情況。但對比鈍化前后的信號幅值，經(jīng)過一小時的鈍化后，監(jiān)測信號的幅值有些許的降低，表明試塊表面的鈍化膜會在一定程度上影響EMAT檢測信號的幅值。圖5鈍化前后包絡(luò)信號對比圖對大面積的均勻腐蝕進(jìn)行了19h的連續(xù)腐蝕監(jiān)測，并采集腐蝕監(jiān)測信號，圖6為φ30mm腐蝕區(qū)域在不同實(shí)驗(yàn)時刻的監(jiān)測信號。對比不同時刻的監(jiān)測信號，可以直觀的看出:對于直徑φ30的腐蝕區(qū)域而言，EMAT在不同時刻的監(jiān)測信號波形幾乎不變，這是由于該腐蝕區(qū)域面積大于監(jiān)測EMAT換能面積，相對于監(jiān)測EMAT為均勻腐蝕；隨著腐蝕時間增加，監(jiān)測回波信號在時間軸上逐漸前移，表明腐蝕深度在逐步增加；與此同時可以觀察到監(jiān)測信號的回波幅值在逐步降低，隨著腐蝕時間推移，腐蝕表面產(chǎn)生了大量的麻點(diǎn)，使得EMAT激發(fā)的超聲波在腐蝕表面上會發(fā)生較為明顯的散射現(xiàn)象，導(dǎo)致腐蝕監(jiān)測回波幅值逐步降低ADDINCSL_CITATION{"citationItems":[{"id":"ITEM-1","itemData":{"DOI":"10.1016/j.conbuildmat.2019.117495","ISSN":"09500618","abstract":"Anovelembeddedpiezoelectricultrasonictransducerssuitablefordamagemonitoringofsteelbarweredeveloped,andthecrackandcorrosiondamagesofthesteelbarwereinvestigatedbasedontheultrasonicpitch-catchtechnique.Theexperimentalresultsofcrackdamagesshowthatthereexistseriesofwavepacketsintheultrasonictimedomainspectra,andsomecharacteristicwavepacketscanbedeterminedbasedonrelationshipofthelengthofthesteelbar,cracklocationandacousticvelocity.Withincreasingthecrackdepth,theultrasonicamplitudesintimedomainspectradecreasegradually,andsomeindividualpeakscoupletogether.Thelocationofcrackonthesteelbarcanbecalculatedbasedonpropagationtimeandacousticvelocityofthelongitudinalmodewave.Differentcorrosionexperimentswerecarriedouttoverifythecorrosionmonitoringabilityoftheproposedultrasonictransducer,andthelocalcorrosionmonitoringresultsshowthattheheadwaveamplitudeandthepeaktopeakvaluedecreasewithincreasingthecorrosiontime,andanewwavepacketrelatedtocorrosiondamageappearsinthespectra.Thepeakamplitudeinthefrequencydomainspectradecreaseswithincreasingthecorrosionrateaccompanyingwithdisappearanceofsomefrequencycomponents.Theproposedannularpiezoelectricultrasonictransducerwasexperimentallyprovedtobeefficientindifferentdamagemonitoringofthesteelbar.","author":[{"dropping-particle":"","family":"Liu","given":"Peng","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Hu","given":"Yan","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Chen","given":"Ying","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Geng","given":"Bo","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Xu","given":"Dongyu","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""}],"container-title":"ConstructionandBuilding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