CSTM-无损检测 腐蚀监测 超声测厚法编制说明

CSTM标准《无损检测腐蚀监测超声测厚法》（编制说明）（一）工作简况1、任务来源CSTM无损检测技术及设备领域委员会下达了关于征集2020年第一批标准项目的通知。在科技部，国家重点研发计划“公共安全风险防控与应急技术装备”重点专项《典型承压类特种设备损伤磁声复合式监检测技术研究》项目的支持下，中国特种设备检测研究院就《无损检测腐蚀监测超声测厚法》标准向标委会提出了立项申请，经CSTM标准委员会无损检测技术及设备领域委员会审查，CSTM标准委员会批准CSTM标准《无损检测腐蚀监测超声测厚法》立项，标准项目归口管理委员会为CSTM/FC94无损检测技术及设备领域委员会，标准计划编号为CSTMLX940000670-2021，标准牵头单位为中国特种设备检测研究院。2、主要工作过程1）起草阶段：立项前，中国特种设备检测研究院建成立了标准起草工作组，确定了标准编写原则和分工，提出标准编制进度安排。标准编制组对国内外腐蚀监测超声测厚法的现状与发展情况进行全面调研，广泛搜集和检索国内外的相关技术资料，查阅国内外的相关标准，于2020年7月形成标准工作组讨论稿，提交中国材料与试验团体标准委员会无损检测技术及设备领域委员会（CSTM/FC94）秘书处。2021年4月，中国材料与试验团体标准委员会无损检测技术及设备领域委员会（CSTM/FC94）在济南召开了2021年度标准立项论证会，对《无损检测腐蚀监测超声测厚法》申报标准进行立项论证和投票，根据投票结果，本标准通过立项。会上，与会专家对本标准进行充分的讨论和商议，并提出了很多具有针对性的建议。2）征求意见阶段：立项后，中国特种设备检测研究院按照标准编制计划，标准起草工作组全体成员之间通过邮件、电话的方式，经过多次沟通协商，于2021年7月形成《无损检测腐蚀监测超声测厚法》标准征求意见稿。3）审查阶段：4）报批阶段：3、本标准起草单位和主要起草人本标准起草单位：本标准主要起草人：（二）标准编制原则和确定标准主要内容该标准按照现行的GB/T1.1《标准化工作导则第1部分：标准的结构与编写》给出的规则起草。本标准规定了超声测厚在线监测金属材料腐蚀的方法，本标准适用于电磁超声传感器、压电超声传感器、磁致伸缩超声传感器。本标准的主要内容包括：1范围，2规范性引用文件，3术语和定义，4方法概要，5要求，6监测工艺规程，7监测设备和器材，8监测程序，9监测信号的分析与评定，10监测记录与报告。（三）主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果：主要试验（或验证）的分析、综述报告腐蚀是在役设备需要监测的典型损伤，它是动态发展和长期积累的，对其进行在线监测是进行风险评估和事故预防的基础。腐蚀包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀等，腐蚀现象在钢铁、石油、电力、化工、锅炉以及核工业等行业均普遍存在，轻则会导致材料机械强度及性能下降，重则会是材料失效，因此由材料辅食损伤引起的设备失效风险急剧增高，急需提高安全保障能力，对腐蚀实时监测，及早进行风险评估和事故预防，成为亟待解决的问题。

目前腐蚀监测方法主要有侵入式和非侵入式两种，目前腐蚀监测方法主要有侵入式和非侵入式两种。侵入式有较为成熟的挂片法和探针法，只能监测均匀腐蚀，且会破坏设备带来一定风险。非侵入式主要有超声波测厚法，代表性的有GE的Rightrax压电测厚系统和英国Permasense公司的双波导杆和电磁超声测厚系统。在役设备腐蚀会导致本体材料厚度减薄，采用超声脉冲回波可对金属材料厚度进行测量，获取到材料的腐蚀剩余壁厚。利用超声脉冲回波对在役设备进行定点在线监测，可实时或定时获取设备的腐蚀剩余壁厚数据，监测设备的腐蚀状况，评估监测点处设备本体材料的腐蚀速率。利用超声脉冲回波法对金属材料进行厚度测量，被监测对象厚度值是由超声波的传播时间与波速的乘积求得。传播时间为超声波在被测对象厚度路径上一次传播的时间或多次往返传播的时间差，如图1所示。材料腐蚀会导致设备壁厚减薄，进而影响脉冲回波间的时间差∆t，结合材料声速V便可以获得材料剩余厚度值（T）。如式（1）：T=V·∆t/2（1）式中：T——厚度值；V——材料声速，与被检材料及温度相关；∆t——相邻回波时间差。说明：1——超声探头；2——被检测对象；3——激发超声波；∆t——回波时间差；4——脉冲回波；5——多次回波。图SEQ图\*ARABIC1超声脉冲回波测厚方法示意图国内外尚无腐蚀监测相关标准，现行腐蚀监测已有标准和规范《ASTMB826-2003用电阻探头监测大气腐蚀试验的标准试验方法》和《SY/T6970-2013高含硫化氢气田地面集输系统在线腐蚀监测技术规范》分别是基于电阻探针和挂片法对大气腐蚀和硫化氢集输管道腐蚀的监测，而超声测厚法的方法原理不同于电阻探针和挂片法，因此现有的相关标准无法满足腐蚀监测超声测厚法需求。主要技术内容试验分析：（1）腐蚀监测电磁超声测厚法研究电磁超声测厚法非接触式测量、无需耦合剂、适用高低温材料测厚、无需打磨被检材料表面。电磁超声测厚监测法可以通过对材料进行定点监测，可实时或定时获取设备的腐蚀剩余厚测量。采用Q245R#钢板，试块直径30mm，厚度16mm，侵蚀液为PH值为2的NaCl溶液，研究连续腐蚀过程中电磁超声监测信号的演化规律，搭建了加速腐蚀模拟实验装置，采用EMAT对不同面积大小的腐蚀进行在线动态监测实验研究，测试装置如图2所示。在试块上不同位置分别设置大于和小于EMAT换能面积的腐蚀区域，对应模拟较大面积的均匀腐蚀和小面积的局部腐蚀，具体而言较大面积腐蚀区域直径为φ30mm，较小面积的腐蚀区域直径为φ10mm。结果表明，在动态监测过程中，相对于EMAT换能面积大小不同的腐蚀监测信号表现出不同的演化规律，同时腐蚀表面的状况和腐蚀产物的存在均会在不同程度上影响电磁超声监测信号的波形、幅值等特征，进一步分析提取EMAT连续监测的腐蚀特征信号，计算腐蚀剩余壁厚或腐蚀深度，可以有效获取到材料的腐蚀速率。图2测试装置采用图2所述的实验系统对试块设定的腐蚀区域进行电磁超声腐蚀监测实验研究，监测过程中设定电磁超声激励信号为频率3.5MHz的3周期正弦波，采集腐蚀前的EMAT检测信号作为基准信号，如图3所示，可以看出该基准信号具有清晰可辨的多次腐蚀区表面回波且信噪比良好。随着腐蚀的进行，接收到的监测信号回波如图3所示，钢板和腐蚀的回波信号区分明显，说明利用电磁超声测厚法监测出腐蚀的动态变化规律。当腐蚀坑面积小于探头面积时，将接收到板面的回波与腐蚀坑的回波，两波包是否重合，取决于腐蚀坑的深度。图3腐蚀前EMAT检测信号因实验试块为电化学工作站的工作电极，故为了探究电化学腐蚀实验是否会干扰电磁超声在线监测信号，将腐蚀开始时的监测信号与未腐蚀前的基准信号做对比，从图4可直观看出两个状态下的信号完全重合，故电化学腐蚀实验不会对EMAT在线监测信号产生影响，可保证下述实验数据的可靠性。图4未腐蚀前信号与腐蚀开始时信号对比图大多数工业中金属腐蚀是发生在钝化状态下，为模拟真实的腐蚀环境，实验分为钝化和加速腐蚀两个阶段，第一个小时为钝化阶段。以大面积的均匀腐蚀区域为例，图5为其钝化前后包络信号，通过对比可观察到，各次回波信号位置均未变化，故在钝化过程中试块壁厚并未发生腐蚀变薄的情况。但对比钝化前后的信号幅值，经过一小时的钝化后，监测信号的幅值有些许的降低，表明试块表面的钝化膜会在一定程度上影响EMAT检测信号的幅值。图5钝化前后包络信号对比图对大面积的均匀腐蚀进行了19h的连续腐蚀监测，并采集腐蚀监测信号，图6为φ30mm腐蚀区域在不同实验时刻的监测信号。对比不同时刻的监测信号，可以直观的看出:对于直径φ30的腐蚀区域而言，EMAT在不同时刻的监测信号波形几乎不变，这是由于该腐蚀区域面积大于监测EMAT换能面积，相对于监测EMAT为均匀腐蚀；随着腐蚀时间增加，监测回波信号在时间轴上逐渐前移，表明腐蚀深度在逐步增加；与此同时可以观察到监测信号的回波幅值在逐步降低，随着腐蚀时间推移，腐蚀表面产生了大量的麻点，使得EMAT激发的超声波在腐蚀表面上会发生较为明显的散射现象，导致腐蚀监测回波幅值逐步降低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":"ConstructionandBuildingMaterials","id":"ITEM-1","issued":{"date-parts":[["2020"]]},"page":"117495","publisher":"ElsevierLtd","title":"Investigationofnovelembeddedpiezoelectricultrasonictransducersoncrackandcorrosionmonitoringofsteelbar","type":"article-journal","volume":"235"},"uris":["/documents/?uuid=ad200b65-0316-485f-ab11-342925d30e7d"]}],"mendeley":{"formattedCitation":"[12]","plainTextFormattedCitation":"[12]","previouslyFormattedCitation":"[10]"},"properties":{"noteIndex":0},"schema":"/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"}。图6均匀腐蚀不同时刻的监测信号通过信号分析，计算得到不同时刻下的局部腐蚀深度，绘制成图7的腐蚀时间-腐蚀深度图，P为钝化阶段，、为加速腐蚀阶段。当实验结束时，EMAT检测的最后腐蚀深度为3.310mm。再次将清除腐蚀产物后的试块使用dentCHECK对其最终的形貌进行图像分析，如图15所示，从图像分析获取到均匀腐蚀的最大深度约为3.315mm，两者获得的腐蚀深度相当，故对局部腐蚀也可使用EMAT监测获取其深度变化值。进一步对EMAT连续腐蚀监测数据进行分析，可以获取到加速腐蚀实验过程中试块上该局部腐蚀区域的1~5h的腐蚀速率为，5~16h的腐蚀速率为，16~21.5h的腐蚀速率为。图7腐蚀时间-腐蚀深度图技术经济论证超声测厚法是工业上评估设备腐蚀减薄最常用的技术手段，其应用十分广泛。超声测厚方法检测精度高，可以实现对金属导电材料厚度监测，对应的换能器包括电磁超声、压电超声和磁致伸缩换能器三种，可实现在线、极端高低温厚度检