基于可视化的恒荷载作用下管道点蚀声学模拟测试装置及方法

本发明属于管道损伤监测技术领域，涉及声发射检测技术，尤其涉及对管道腐蚀的声发射监测应用。

背景技术：

在工业生产的过程中，管道点蚀是一种常见的损伤形式，且点蚀外观隐蔽，但是危害性巨大。它是管道应力腐蚀开裂的主要原因，导致巨大的经济损失。管道的裂纹主要产生于应力集中的点蚀坑处，只有准确的了解点蚀坑的应力状况与环境以及坑周围环境，才能准确点蚀危害有充分了解。点蚀坑处应力变化，取决于点蚀的大小、深度、以及状态变化。温度升高也会加剧这一反应，最终导致管道使用年限达不到预期目标，最终造成严重的财产损失。声发射作为常见的无损检测方法，对试件点蚀形成以及扩展的过程十分敏感，是对试件点蚀声信号进行连续监测的有效手段，通过一系列的声发射数据可以实时解读点蚀扩展情况，以此为基础通过分析实验获得的点蚀声发射信号，并提取其声信号特征，作为现场监测管道恒载腐蚀多耦合作用下的点蚀坑变化依据。

现有的管道点蚀检测方法模式较为单一，只针对某一特定条件工况变化，与真实复杂情况存在一定的差距，无法保证实验的有效性。

技术实现要素：

为准确获取管道试件点蚀坑变化过程中的声发射信号，研究恒载、腐蚀环境、温度对点蚀坑的影响因素，本发明设计出对应的试验环境，为科学研究管道点蚀开裂机理提供有效的方法，帮助解决工程实际问题提供依据。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于可视化的恒荷载作用下管道点蚀声学模拟测试装置，包括声发射系统1、前置放大器2、声发射传感器3、试件4、支撑架5、参比电极6、dic高速显微成像系统7、工作电极8、辅助电极9、加热线圈10、电化学检测系统11、压力表12、阀门13、水泵14、电动丝杠15和水箱16；所述的试件4布置于支撑架5上，支撑架5能够通过电动丝杠15带动支撑架5两端的夹板移动；试件4的一端封闭，另一端连接管道，管道位于支撑架5的夹板外端，管道上设置压力表12、阀门13、水泵14，且管道末端与水箱16相连；所述的试件4上设置腐蚀点，参比电极6、辅助电极9分别设置于腐蚀点的两侧，工作电极8设置于腐蚀点处，参比电极6、工作电极8、辅助电极9均与电化学检测系统11相连；所述的dic高速显微成像系统7用于采集腐蚀点的图像信息；所述的加热线圈10共两个，分别设置于腐蚀点两侧的试件4上；所述的声发射传感器3设置于试件4上，位于远离注水管道的最外侧，声发射传感器3依次连接前置放大器2和声发射系统1。

进一步地，所述的试件4截面为六边形。

基于可视化的恒荷载作用下管道点蚀声学模拟测试方法，具体如下：

(1)将试件4中间部分打薄，形成一个薄弱区，然后在薄弱区的每个边中间再次打磨出一个腐蚀坑；

(2)将预处理好的带有腐蚀坑的试件4安装在支撑架5上，通过电动丝杠15带动支撑架5两端的夹板移动，夹板加紧后电动丝杠15停止工作，实现对试件4的固定；

(3)打开水泵14，将液体从水箱16传输到试件4中，当压力表12示数到达规定的压力时关闭阀门13和水泵14，此时试件4受到恒定的静压力；

(4)向试件4中间预处理好的腐蚀坑滴加腐蚀液，打开电化学检测系统11，利用线性极化法进行腐蚀监测；

(5)打开腐蚀坑的两端放置的加热线圈10，通过加温改变管道点蚀疲劳损伤环境；

(6)打开声发射传感器3，将声发射传感器3通过前置放大器2连接声发射系统1实时采集试件4点蚀坑腐蚀声发射信号；同时，打开dic高速显微成像系统7，通过高速成像技术阶段性记录试件4表面腐蚀气泡的产生与破灭的图像，直观判断试件4点蚀坑变化情况，与获取点蚀坑表面采集的声发射信号对比。

点蚀作为管道试件损伤的常见形式其危害性极大，当点蚀萌生后便会进入亚稳定状态，只有满足特定的稳定点蚀临界条件才会进入稳定点蚀阶段，否则会重新进入亚稳定阶段。恒载荷试样在高静水压力压力下，会破坏试件亚稳定状态，破坏表面钝化膜，因此研究恒荷载压力对管道点蚀影响因素具有重要意义。鉴于此本发明主要用于模拟管道试件点蚀坑在恒荷载下的变化过程，并通过声发射检测技术进行实时监测。

本发明的主要部分为点蚀恒载损伤模拟装置，它为管道试件提供了多种混合点蚀条件。首先将试件中间打薄形成一个应力集中区，由于实际的点蚀形状存在较大的差异性，管道试验试件可预先打磨出不同形状的点蚀区域，采用传统的圆形管道则在本发明中利用率不高，且不利于腐蚀液滴加，因此本发明将中间的试验管道设计成六边形，方便操作。腐蚀环境会使得阴离子易集中在试件表面钝化膜有缺陷的位置，是管道点蚀的重要原因，所以本装置需要腐蚀环境。此外温度对试件的点蚀疲劳损伤也有一定的影响，需要安装加热装置对试件表面进行加热达到控制温度变化的目的，分析温度给试件带来的影响。最后利用水泵对管件内部进行充压，然后关闭阀门保持管道内压力稳定，模拟出管道在恒载压力下点蚀坑变化。声发射技术作为现代主流的无损检测技术，目前已经发展的较为完备，对于试件的腐蚀声信号十分敏感，是试件检测的重要手段，本装置主要用声发射检测技术对点蚀坑各阶段变化进行研究。为保证声发射的有效性，本装置结合了线性极化法、图像追踪方法。在管道试件的上方添加线性极化装置以测腐蚀电流，线性极化法主要利用腐蚀电位附近极化电位f与极化电流i呈线性关系来测定金属腐蚀速度的方法，该方法反应灵敏，不损坏电极，可用来连续在线监测腐蚀速度的变化。与从同时，安装高速显像装置，一般采用dic相机。图像追踪法主要用于直观判断试件腐蚀状况。通过观察管件表面腐蚀气泡的产生与破灭与对应阶段的腐蚀声信号进行比较，为声信号分析提供对比依据。。

本发明的有益效果为：本发明突破传统的单一条件下点蚀模拟试验，开展恒载作用下管道的点蚀变化研究。通过从各方面模拟点蚀恒载损伤的影响因素，更真实的反应出实际工况，同时获取对应点蚀疲劳声发射特征信号，为实际工程问题提供指导。本发明主要应用于压力管道等特种设备的点蚀开裂损伤在线监测技术，对于深入理解点蚀机理及建立科学的应力腐蚀寿命预测模型具有重要意义。

附图说明

图1为装置整体结构主视图；

图2为试件腐蚀缺陷放大图；

图中：1声发射系统；2前置放大器；3声发射传感器；4试件；5支撑架；6参比电极；7dic高速显微成像系统；8工作电极；9辅助电极；10加热线圈；11电化学检测系统；12压力表；13阀门；14水泵；15电动丝杠；16水箱。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明进行详细阐述。

一种基于可视化的恒荷载作用下管道点蚀声学模拟测试装置，包括声发射装置总成，电化学装置总成，高速显微成像系统总成，恒载装置总成。具体实施步骤：首先将正六边形管道试件4中间部分打薄，形成一个薄弱区，然后在薄弱区的每个边中间再次打磨出一个腐蚀坑，因为管件设计成六边形，每个边点蚀坑实验效果相同，可以大大增加试件4的使用率。此外，为增加试件4点蚀坑的多样性，可根据所模拟的试件4特点打磨不同形状的点腐蚀区，也可以设定不同点蚀面积，具体样式如图2所示。紧接着将预处理好的带有腐蚀槽管道试件4安装在支撑架5上，支撑架5为一个可活动固定装置，通过电动丝杠15带动两端夹板移动。将试件4对准两端夹板预置好的卡槽，然后打开电机正向移动按钮，夹板向中间移动，可以实现装置的快速安装，当夹板加紧是电机会自动停止。更换试件4时，只需打开电机反向移动按钮，就可以快速拆卸。夹板外端焊接用于连接的管道，内部两端安装密封圈保证--管道不会泄露，中间为空心可以连通内外侧。接着打开水泵14将液体从水箱16传输到管道试件4中，当压力表12示数到达规定的压力时关闭阀门13和水泵14，此时试件4受到恒定的静压力。下一步向试件4中间预处理好的腐蚀区域滴加腐蚀液，腐蚀区域四周安装事先做好的耐高温透明塑料隔板以防腐蚀液流出，然后打开电化学检测系统11，利用线性极化法进行腐蚀监测，其中参比电极6、工作电极9、辅助电极8放置如图1所示的位置，紧接着是打开腐蚀区域的两端放置的加热线圈10，通过加温改变管道点蚀疲劳损伤环境。最后是打开声发射传感器3，将声发射传感器3通过前置放大器2连接声发射系统1实时采集试件4点蚀坑腐蚀声发射信号。与此同时打开dic高速显微成像系统7，通过高速成像技术阶段性记录试件4表面腐蚀气泡的产生与破灭的图像，直观判断试件4点蚀坑变化情况，与获取点蚀坑表面采集的声发射信号对比。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。