腐蚀过程电磁超声动态监测信号观察与分析

薛 菲，张宗健，郑 阳，赵 博，甘 勇

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西桂林 541000;2.中国特种设备检测研究院 无损检测与评价国家市场监管重点实验室，北京 100029)

0 引言

腐蚀是工业设备在役过程中最常见的问题，在腐蚀的长期作用下，易形成腐蚀减薄、腐蚀开裂、穿孔等缺陷[1-2]，进而导致设备失效，产生安全隐患，造成环境污染，给企业带来巨大的经济损失，甚至引发重大的安全事故[3]。由于在役设备腐蚀是一个动态发展和长期积累的过程，常规的定期检测方式难以对设备腐蚀进行连续、完整地评估，因此发展腐蚀在线监测方法获取设备本体的腐蚀动态演化数据，对设备的风险评估和事故预测、预防具有非常重要的意义。

想到这里，我说，你既然是自由人，我也还你一个自由人。我有一个女朋友，但并没有婚约，所以咱们做什么都是不受限制的。

为了实现工业设备腐蚀在线监测，国内外学者们提出了多种方法，主要包括侵入式和非侵入式两类，其中侵入式监测主要包括金属挂片法[4]、电阻探针法[5]等，这类方法需要在设备上开孔，通过特制的法兰安装测试装置，大多只能监测均匀腐蚀，无法获取设备本体的腐蚀信息，且会破坏设备的完整性，带来一定的安全风险。对于非侵入式监测而言，应用最为广泛的是超声波壁厚监测法，目前主要采用压电超声探头结合波导技术进行设备本体腐蚀在线监测[6-10]，但该方法需要在被监测设备上焊接波导杆，会对设备造成一定损伤，且波导杆温度的变化会对超声波声速产生较大的影响,进而影响腐蚀监测结果。

电磁超声检测技术具有非接触、无需耦合剂、对检测表面要求不高等特点[11-13]，相比于传统的压电超声，在高低温在线检测和不打磨检测等方面具有突出的优势[14]，并且其重复检测稳定性和可靠性高，在非侵入长期在线监测方面具有广阔的应用前景。为此，本文采用电磁超声传感器对腐蚀进行在线动态监测，研究连续腐蚀过程中电磁超声监测信号的演化规律；搭建加速腐蚀模拟实验装置，对不同面积大小的腐蚀进行在线动态监测试验研究,分析在动态腐蚀过程中影响电磁超声监测信号的因素，进一步分析和提取电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)在连续监测过程中的腐蚀特征信号，以准确获取材料的动态腐蚀速率，为工程上实现电磁超声腐蚀在线监测建立一定的基础。

1 试验系统与方法

1.1 试验系统

EMAT腐蚀监测试验系统由电磁超声监测系统及电化学腐蚀装置和试块组成，如图1所示。其中，电磁超声监测系统主要由电磁超声监测仪、EMAT 和计算机PC1组成；电化学腐蚀装置主要由电化学工作站、腐蚀溶液、电解池、电极和计算机PC2等组成。为了便于腐蚀监测试验，电解池设置于试块上表面指定的待腐蚀区域，用于盛放腐蚀液；EMAT设置于试块下表面位于腐蚀区域的正下方，用于动态监测试块腐蚀状态。试验时，将配置好的腐蚀溶液加入电解池，设置好各电极，控制电化学工作站，实现对试块电化学腐蚀；同时，电磁超声监测仪连接EMAT，由PC1控制监测仪实现超声波的激励和接收，实现试块腐蚀动态监测。

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图1 EMAT腐蚀监测试验系统原理Fig.1 Schematic diagram of EMAT corrosion monitoring experimental system

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图2 EMAT腐蚀监测试验系统

1.2 试验方法

湖北省63种药品价格、药品流通成本现状调查与规范价格政策研究 ……………………………………… 王 竞等（8）：1019

图3 局部腐蚀和均匀腐蚀示意Fig.3 The schematic diagram of local corrosion and uniform corrosion

根据第1.2节所述的试验方法对大面积的均匀腐蚀进行了19 h的连续腐蚀监测，并采集腐蚀监测信号，图9为∅30 mm腐蚀区域在不同试验时刻的监测信号。对比不同时刻的监测信号可以看出，对于直径30 mm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，结合图7(c)的腐蚀表面状态分析可知，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[17]。

(3)考虑到试验为加速腐蚀试验，因此在连续监测过程中设定每隔15 min进行一次电磁超声监测信号数据采集，并且每次重复采集3组监测信号，采样间隔不计更换腐蚀溶液的时间。

在设备服役过程中，腐蚀一般会经历由小到大、由浅到深的动态发展过程，并且存在大面积的均匀腐蚀和小面积的局部腐蚀。考虑到试验所采用EMAT具有一定的换能面积，即EMAT的监测范围是有限的，因此在试验研究过程中，为了对比研究不同大小腐蚀的电磁超声监测信号演化规律，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30 mm，较小面积的腐蚀区域直径为10 mm，如图3所示。

(2)在电解池中加入上述pH值为2的NaCl溶液作为腐蚀溶液，开始对待腐蚀区域进行腐蚀，在连续腐蚀试验过程中，每间隔4 h清理一次电解池中的腐蚀溶液和腐蚀产物，更换新的腐蚀溶液，并拍照记录腐蚀区域状况，在整个腐蚀过程中保持腐蚀溶液的配比不变。

2.2.2 EMAT监测局部腐蚀的信号演化规律

心肺运动试验测得峰值摄氧量，可客观准确评估心肺耐力，较低水平的心肺耐力即使无心血管疾病，其死亡风险亦增加。绝大多数白领人群心肺耐力较低，重要影响因素有女性、肥胖和体力活动不足。重要的是，体力活动和肥胖可以被矫正，只要意识到它的重要性，积极改变生活方式，加强长期规律的体力活动，减轻体重，可大大提高心肺耐力水平，预防心血管病发生，降低潜在死亡风险。

(1)设定监测仪器参数：EMAT激励信号的频率为3.5 MHz，激励周期为3个周期的正弦波，平均次数为128次，检测电压500 V。在整个连续腐蚀监测过程中保持上述监测参数不变,并采集腐蚀前的电磁超声检测信号，作为分析腐蚀监测信号演化规律的基准。

图2为试验系统实物图。其中电磁超声监测系统主要由自研的电磁超声监测仪和EMAT构成，EMAT的换能器线圈为外径18.25 mm的环形线圈。电化学工作站采用美国ParStat4000电化学工作站，试验时连接APC-7.5KB稳压电源使用。腐蚀溶液为pH值为2的NaCl溶液，试验试块为240 mm×220 mm×16 mm的Q245R压力容器用钢。

(4)对采集的动态监测信号进行信号处理，分析连续腐蚀过程中电磁超声监测信号的演化规律以及影响电磁超声监测信号的因素。

(5)根据动态监测数据进一步分析提取腐蚀特征信号，计算腐蚀深度，获取并分析材料的腐蚀速率。

(6)在连续腐蚀监测试验结束后，清洗腐蚀区域，然后采用德国dentCHECK(工件表面质量的非接触式光学检测仪器)测量最终腐蚀区域的表面形貌，与EMAT监测的腐蚀深度进行对比分析。

2 结果分析与讨论

采用第1.1节所述的试验系统对试块设定的腐蚀区域进行电磁超声腐蚀监测试验研究，监测过程中设定电磁超声激励信号为频率3.5 MHz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4所示。可以看出，该基准信号具有清晰可辨的多次表面回波，且信噪比良好。

图4 腐蚀前EMAT检测信号Fig.4 EMAT detection signal before corrosion

因试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试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5可以看出两个状态下的信号完全重合，故电化学腐蚀试验不会对EMAT在线监测信号产生影响，可保证下述试验数据的可靠性。

图5 未腐蚀前信号与腐蚀开始时信号对比Fig.5 Comparison of the signal before corrosion and the signal at the beginning of corrosion

大多数工业中金属腐蚀是发生在钝化状态下的[15]，为模拟真实的腐蚀环境，试验分为钝化和加速腐蚀两个阶段，第一个小时为钝化阶段[16]。以大面积的均匀腐蚀区域为例，图6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1 h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。

误差传递建模的研究将多工序系统作为动态时序过程，零件特征作为动态过程的状态变量，不同工序作为动态过程的不同时间点。零件特征随工序变化而变化的过程，视为状态变量随时间变化而变化的过程。状态空间方程描述了状态变量在状态空间中随时间变化的过程，可利用状态空间方法解决多工序制造误差传递问题。

图6 钝化前后包络信号对比Fig.6 Comparison of envelope signal before and after passivation

2.1 腐蚀产物对监测信号的影响

在试验过程中，随着腐蚀时间的推移，腐蚀区域会产生大量的腐蚀产物，并附着于材料表面。在试验更换腐蚀溶液期间，对腐蚀区域状态进行拍照记录，图7(a)示出清理腐蚀溶液后的状态，可以观察到大量的腐蚀产物堆积于腐蚀区表面，图7(b)(c)分别示出用蒸馏水冲洗过后带有微量腐蚀产物的表面状态和用除锈剂清洗过后无腐蚀产物的表面状态。为了分析腐蚀产物对监测信号的影响，以较大面积的均匀腐蚀为例，在试验进行至第5,9,13,19 h时，提取以上3个不同处理状态下监测信号的一次回波幅值进行对比，结果如图8所示。试验表明，腐蚀产物将影响EMAT检测信号的回波幅值，且腐蚀产物的堆积量越多，信号衰减越严重。

图7 腐蚀产物不同状态下的腐蚀区域Fig.7 Corrosion area under different conditions of corrosion products

图8 腐蚀产物不同状态下的回波幅值对比Fig.8 Comparison of echo amplitudes under different conditions of corrosion products

2.2 不同面积大小腐蚀区EMAT连续监测信号演化规律

2.2.1 EMAT监测均匀腐蚀的信号演化规律

腐蚀试验时，电化学工作站的工作电极为上述试验试块，试块表面非腐蚀区域覆盖塑料膜进行保护，对设置的待腐蚀区域进行表面预处理，即采用砂纸打磨去除氧化皮，电解池与试块表面连接处使用硅胶密封，防止腐蚀溶液泄露。EMAT设置于待腐蚀区域正下方，并且在整个连续监测过程中，保持EMAT相对腐蚀区域的位置固定不变。具体腐蚀监测试验方法如下。

图9 均匀腐蚀不同时刻的监测信号Fig.9 Monitoring signals of uniform corrosion at different moments

对连续监测信号进行后处理，通过获取相邻回波的时间差计算腐蚀深度，即提取各时刻腐蚀回波信号对应的时间代入式(1)中进行求解。

3.切实发挥好四个作用。党员领导干部在市场开拓中要发挥好“管理协调”作用，在经营创收中要发挥好“引领激励”作用，在安全稳定中要发挥好“控制防范”作用，在精细管理中要发挥好“执行表率”作用。切实引导全体干部员工把思想汇聚到打造一流上、智慧集聚到打造一流上、力量凝聚到打造一流上，切实为公司发展挑重担、负责任，为员工当先锋、作表率。

(1)

式中，hT为T时刻的腐蚀深度，mm;h0为试块厚度,mm，h0=16 mm;t0,t1分别为T时刻的一次回波和二次回波时间，s;v为试验试块中的超声横波声速,m/s,v=3 258 m/s。

图10 ∅30 mm腐蚀区域的腐蚀时间-腐蚀深度曲线Fig.10 Corrosion time-corrosion depth curve of ∅30 mm corrosion area

通过计算得到不同时刻下的腐蚀深度，然后在整个腐蚀试验时间历程上对腐蚀深度变化进行分析，如图10所示，实线为对其进行分段拟合后的结果，P为钝化阶段，Π11和Π12为加速腐蚀阶段。分析可知，当试验结束时，EMAT检测的最后腐蚀深度为1.71 mm。用除锈剂完全清除腐蚀产物后，使用dentCHECK检测仪对最终的腐蚀形貌进行图像分析，如图11所示。从图像分析获取到均匀腐蚀的最大深度约为1.74 mm。通过对比EMAT监测获得的腐蚀深度值与dentCHECK检测的腐蚀深度值可知，两者获得的腐蚀深度相当，表明EMAT腐蚀监测数据的准确性和有效性。进一步对EMAT连续腐蚀监测数据进行分析，通过腐蚀深度的变化获得该区域的加速腐蚀阶段Π11,Π12的腐蚀速率分别约为0.10,0.06 mm/h。

图11 均匀腐蚀表面形貌Fig.11 Uniform corrosion surface morphology

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对小面积的局部腐蚀进行了21.5 h的连续腐蚀监测，并采集腐蚀监测信号，图12示出其不同时刻的监测信号。通过信号对比，可观察到不同时刻的监测信号波形发生不同的变化：从最初的波包变宽，再逐渐分离出新波包。该现象是由于腐蚀面积小于EMAT换能面积，EMAT不仅能接收到腐蚀表面的回波信号，而且可以接收到试块底面回波。腐蚀刚发生时，深度较浅，回波难与试块底面回波分离，两波包重叠在一起，故观察到的波包数量只有一个。随着腐蚀深度的增加，腐蚀回波足以与试块底面回波分离时，便可观察到时域图中有新的波包产生。对比腐蚀回波和试块底面回波的幅值，发现腐蚀回波的幅值从最初小于试块底面回波幅值逐渐增长至超过底面回波的幅值。这是由于腐蚀过程中，一方面，腐蚀区域的深度在逐渐增加，导致底面回波逐渐减小；另一方面，腐蚀区域的大小也发生了扩展，结合图13腐蚀监测试验结束时腐蚀区形貌可以看出，经过连续腐蚀，该区域形成了一个外宽内窄的腐蚀区，即在深度方向上腐蚀与试块表面之间形成了类似斜面的腐蚀表面，该表面的形成也会使声波散射，进而导致底面回波能量逐渐减弱。此外，从连续监测信号中可以看出，该区域的监测信号能量整体随腐蚀时间推移而逐渐减弱，这主要是由于腐蚀表面不规则且存在腐蚀麻点所导致。由于该区域局部腐蚀的监测信号中腐蚀回波和试块底面回波同时存在，如图14所示，难以直接使用传统的相邻两次回波时间计算腐蚀深度，需对监测的腐蚀特征信号进行提取分析。

图12 局部腐蚀不同时刻的监测信号Fig.12 Monitoring signals of local corrosion at different moments

图13 局部腐蚀表面形貌Fig.13 Local corrosion surface morphology

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15的腐蚀时间-腐蚀深度图，并对其进行分段拟合，图中P为钝化阶段，Π21,Π22,Π23为加速腐蚀阶段。当试验结束时，EMAT检测的最后腐蚀深度为3.31 mm。再次将清除腐蚀产物后的试块使用dentCHECK检测仪对其最终的形貌进行图像分析，如图15所示。从图像分析获得均匀腐蚀的最大深度约为3.31 mm，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，通过最大腐蚀深度获得加速腐蚀试验过程中试块上该局部腐蚀区域的1～5 h(Π21阶段)的最大腐蚀速率约为0.37 mm/h，5～16 h(Π22阶段)的最大腐蚀速率约为0.13 mm/h，16～21.5 h(Π23阶段)最大的腐蚀速率约为0.10 mm/h。通过上述腐蚀速率可知，随着腐蚀的进行，腐蚀速率会逐渐变缓慢，这主要是由于腐蚀过程中会产生腐蚀产物，腐蚀产物的逐渐堆积附着影响了腐蚀作用过程，导致腐蚀速率下降，同时腐蚀区域面积和形貌的变化也会对腐蚀速率产生一定影响。此外，本文采用的是加速模拟腐蚀试验方法，材料的腐蚀速率与实际腐蚀工况会存在一定差异。

图14 局部腐蚀的监测信号Fig.14 Monitoring signal for local corrosion

图15 ∅10 mm腐蚀区域的腐蚀时间-腐蚀深度曲线Fig.15 Corrosion time-corrosion depth curve of ∅10 mm corrosion area

3 结论

为研究连续腐蚀过程中电磁超声监测信号的演化规律，利用电化学工作站搭建了加速腐蚀模拟实验装置，并采用EMAT对不同面积大小的腐蚀进行在线动态监测试验研究。通过对监测信号的分析，得到以下结论。

(1)在动态监测过程中，相对于EMAT换能面积不同大小的腐蚀，其监测信号表现出不同的演化规律：当腐蚀面积大于EMAT换能面积时，监测回波的波形未产生任何畸变，但回波的幅值由于受到腐蚀表面的影响逐渐减小；当腐蚀面积小于EMAT换能面积时，随着腐蚀深度的增加，试块底面回波的波包先变宽，再逐渐分离出一个小波包，该分离出的新波包为腐蚀的回波。

(2)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幅值，腐蚀表面的钝化膜使得监测回波幅值降低，腐蚀表面附着的腐蚀产物也会使EMAT监测信号幅值降低，且附着的量越多、回波信号衰减越严重。

(3)不同大小的腐蚀区域EMAT的连续监测信号波形变化较为复杂，但通过腐蚀特征信号提取，可分析其和换能面积的相对大小，并计算腐蚀深度，从而获取到材料的腐蚀速率。