Коррозионный мониторинг морских сооружений с использованием акустико-эмиссионных датчиков

Файсал Н. Х., Дроуби М. Г., Стил Дж.
17.12.2020 385

Коррозия металлов представляет собой серьезную угрозу целостности сооружений на протяжении всего срока их службы, поскольку она может повлечь за собой разрушение материалов в процессе эксплуатации, что приведет к утечкам, выходу из строя оборудования и причинению вреда операторам и окружающей среде.

В случае морских сооружений, чтобы обеспечить более продолжительный срок службы, широко используются компоненты из высококоррозионностойкой стали (например, технологии бурения и добычи, инфраструктура трубопроводов, стояки, резервуары для хранения, ветротурбины). Однако у всех материалов имеются свои ограничения, и для всех объектов раннее обнаружение износа методом неразрушающего контроля играет важнейшую роль в поддержании эксплуатационной исправности, сохранности и безопасности.

Коррозию можно определить как ухудшение характеристик материала вследствие реакции с окружающей средой, а воздействие коррозии потенциально может повредить любой компонент в различной степени, в зависимости от условий эксплуатации. За прошедшие годы некоторые компании разработали собственные методы, процедуры и эффективные методики коррозионных испытаний, которые отражают накопленные технические знания компании в области методов проектирования, эксплуатации, технического обслуживания, строительства объектов нефтехимической промышленности и других промышленных и морских сооружений, а также вспомогательных сооружений и оборудования, адаптированного к различным коррозионным средам.

Рисунок 1. Коррозионный мониторинг с использованием АЭ датчика (стальная пластина в морской воде) в Университете Роберта Гордона.

Некоторые методы мониторинга включают в себя электрохимический шум, мониторинг проникновения водорода, спектроскопию электрохимического импеданса, измерение электрического сопротивления, измерение сопротивления линейной поляризации, мониторинг технологического потока (состав, скорость, давление и температура), измерение толщины с помощью ультразвука, контрольные образцы для определения потери веса и амперометрию с нулевым сопротивлением. Одним из методов, который можно использовать для контроля коррозии, является акустическая эмиссия (АЭ), которая связана с формированием нестационарных упругих волн, создаваемых в результате внезапного перераспределения нагрузок в материале.

Коррозионный мониторинг целесообразно применять для таких морских сооружений как подводные трубопроводы или ветряные турбины. Это связано с тем, что морская среда, сочетающая в себе влияние соленой воды, воздуха со взвешенными частицами соли, дождя, росы, конденсации, локализованных высоких температур и газов сгорания, представляет собой одну из самых коррозионных сред, которая может очень быстро разъедать материалы. Для предотвращения описанных выше проблем крайне важно обеспечить контроль материалов в коррозионных средах таким образом, чтобы замену или ремонт можно было выполнять в запланированные интервалы времени / периоды технического обслуживания. Это можно обеспечить несколькими способами, причем время простоя является основным фактором, который следует учитывать при коррозионном мониторинге оборудования, что возвращает нас к методам неразрушающего контроля, требующим минимального или нулевого времени простоя. В данной статье кратко описывается основанная на акустической эмиссии методика контроля процесса коррозии металлов, эксплуатируемых в коррозионных условиях.

ПРИБОРЫ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ

Акустико-эмиссионный неразрушающий контроль основан на методе обнаружения и измерения преобразования высокочастотных (до 1 МГц) упругих волн, которые генерируются в результате быстрого высвобождения энергии, в электрические сигналы [1]. Сигнал возникает, когда из-за коррозии в образце распространяется трещина (или похожие на трещины дефекты). Система сбора данных состоит из АЭ датчиков с предусилителями, блока формирования сигнала, соединительного блока, платы сбора данных и компьютера с соответствующим программным обеспечением для управления сбором и хранением данных. АЭ датчики, чаще всего изготовленные из цирконат-титаната свинца (ЦТС), обычно представляют собой широкополосные дифференциальные датчики, обладающие частотной характеристикой от 100 кГц до 1 МГц. Датчики крепятся на ровной поверхности испытательного образца с помощью маскировочной ленты или специально изготовленных магнитных фиксаторов.

Для хорошей передачи АЭ сигнала поверхность должна быть ровной и чистой, а также используется силиконовая высоковакуумная смазка для заполнения недостатков, обусловленных неровностью поверхности, и чтобы исключить присутствие воздуха, который может повлиять на распространение волн. Перед каждым испытанием необходимо проверить чувствительности датчика путем разламывания графитового карандаша рядом с ним, чтобы убедиться в обнаружении сигнала. Предусилитель используется для усиления АЭ сигнала до уровня, который может быть передан соответствующими кабелями и преобразован аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Многоканальное получение исходных АЭ сигналов требует высококачественной выборки данных и совместимых компьютерных систем, поэтому необходимо использовать соответствующую плату сбора данных.

Анализ и интерпретация АЭ сигналов (запись и обработка сигналов) на основе данных коррозионного мониторинга – это сложная практическая задача, поэтому акустическая эмиссия должна рассматриваться как накопление множества событий в течение определенного промежутка времени, и, следовательно, можно получить только усредненную энергию. Для оценки корреляции между акустической эмиссией и коррозией можно предположить, что энергия, связанная с существенной акустической эмиссией, практически пропорциональна площади новой образующейся поверхности коррозионной трещины.

Следует отметить, что акустическая эмиссия от процессов коррозии обычно генерирует гораздо меньше энергии, чем эмиссия от роста трещины, поэтому ее сложнее обнаружить в морской окружающей среде с высоким уровнем шумов. Для обнаружения коррозии АЭ датчиками коррозия должна быть активной, однако неактивную коррозию можно обнаружить, вызвав растрескивание отложений путем изменения в достаточной степени деформирования основного материала. Более подробное описание измерений акустической эмиссии можно найти в материалах [1,6].

КОРРОЗИОННЫЙ МОНИТОРИНГ МЕТАЛЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЭ ДАТЧИКОВ

Коррозионный мониторинг с использованием АЭ датчиков описан во многих литературных источниках и практических пособиях, и почти все они содержат один вывод: такие датчики могут эффективно обнаруживать коррозию.

Разные типы коррозии, включая равномерную коррозию, точечную коррозию, щелевую коррозию, коррозионное растрескивание под напряжением, абразивную коррозию и эрозионную коррозию, были изучены и сопоставлены с данными акустической эмиссии [1]. В некоторых из последних работ были четко продемонстрированы преимущества использования акустической эмиссии в исследовании коррозионного растрескивания и питтинговой коррозии. Например, Калабресе и соавторы [2] использовали акустическую эмиссию для оценки коррозионных свойств мартенситной нержавеющей стали (13% Cr) при растяжении в подкисленном растворе хлорида. Они утверждали, что АЭ мониторинг позволил различить и идентифицировать различные механизмы разрушения, которые характеризовались определенными акустико-эмиссионными параметрами, такими как продолжительность ударов и время нарастания, средняя частота импульсов, показатель трещины и энергия удара.

Рисунок 2. Схема коррозионного мониторинга с использованием АЭ датчика на пластинчатых морских сооружениях: метод с использованием группы из трех АЭ датчиков для определения положения источника коррозии. В этом методе три датчика можно установить на бесконечной плоскости и использовать для упрощения ситуации, при этом скорость волны в материале, V, считается постоянной. Параметры разности во времени можно получить методом сравнения с порогом. Решение системы уравнений дает положение источника в полярной форме (R,0); Dt1 и Dt3 – разница во времени между датчиками 1 и 2, а также 1 и 3, соответственно.

Кроме того, положение источника акустической эмиссии использовалось для отслеживания возникновения и роста коррозионных язв, как явления, характеризующегося малой продолжительностью, малым временем нарастания и низкоэнергетическими ударами.

Однако большая продолжительность и энергия ударов были связаны с механизмами раскрытия трещины перед окончательным разрушением. Делоноис и соавторы [3] провели испытание на хлоридное коррозионное растрескивание под напряжением на материале AISI 304L для изучения процесса ухудшения свойств материала, при этом использовали как акустическую эмиссию, так и электрохимические измерения с помощью микроскопии. Среди различных акустико-эмиссионных параметров, проанализированных в данном исследовании, самыми значимыми параметрами акустического сигнала для этой деформации оказались амплитуда и время нарастания.

Рисунок 3. Акустико-эмиссионный контроль резервуара для хранения. Синим цветом обозначена общая поверхность резервуара, красные зоны – акустические сигналы, генерируемые на участках активной коррозии с повреждением / разрушением защитного покрытия.

В другом исследовании Альварез и соавторы [4] сравнили акустико-эмиссионные сигналы, генерируемые в результате транскристаллитного коррозионного растрескивания под напряжением (TG-SCC) монокристаллов Ag10Au и в результате межкристаллитного коррозионного растрескивания под напряжением (IG-SCC) поликристаллического сплава золота с серебром, при одних и тех же условиях проведения эксперимента. АЭ сигналы, измеренные при распространении TG-SCC и IG-SCC для трех различных сплавов (альфа-латунь, AISI 304 SS и Ag10Au), показали похожие параметры акустической эмиссии и аналогичное амплитудное распределение.

Такое сходство может свидетельствовать о том, что, независимо от механизма действия коррозионного растрескивания под напряжением, АЭ сигналы возникают в результате одного и того же процесса, который можно эффективно использовать для обнаружения и мониторинга коррозионного растрескивания с применением акустической эмиссии. В своем прикладном исследовании Ковак и соавторы [5] предложили использовать время импульса акустической эмиссии и спектральные характеристики мощности для автоматического обнаружения коррозионного растрескивания под напряжением для материалов из нержавеющей стали. Они утверждали, что размер зоны пластичного разрушения можно оценить, исходя из сравнения энергий обнаруженных акустико-эмиссионных импульсов. Однако в характеристиках акустической эмиссии не было обнаружено существенных различий между распространением трещины и разрушением образца.

Рисунок 4. Акустико-эмиссионное испытание балки.

Акустико-эмиссионный метод также использовался (например, Джомдечей и соавторами [6]) для оценки стадий возникновения и распространения питтинговой коррозии аустенитной нержавеющей стали. В данном исследовании на ранней стадии возникновения питтинговой коррозии акустическая эмиссия была связана не с самим процессом коррозии, а с более акустически активным механизмом выделения водорода, главным образом, из-за трения пузырьков о стенки коррозионных язв. Методом акустической эмиссии также было успешно определено распространение трещин на малые расстояния (из-за высокой интенсивности напряжений на вершине трещины) и на большие расстояния (под действием анодного растворения на вершине трещины) [6]. В одном из подобных исследований Ву и соавторы [7] использовали АЭ датчик для контроля питтинговой коррозии на вертикально расположенных образцах из нержавеющей стали 304. Акустическая эмиссия была зафиксирована в течение очень короткого периода после возникновения питтинговой коррозии, а по мере ее развития АЭ характеристики повышались. Ву и соавторы [7] предложили проследить связь между энергией акустической эмиссии и развитием питтинговой коррозии с помощью мониторинга АЭ сигналов с низкой и высокой энергией, и утверждали, что сигналы с низкой энергией возникают в результате выделения пузырьков водорода внутри коррозионных язв, а сигналы с высокой энергией обусловлены разрушением стенок язв в процессе их роста.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОРРОЗИОННОГО МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

При разработке методик мониторинга для различных морских сооружений следует учесть, что акустическая эмиссия должна обеспечивать контроль коррозии без существенных затрат и без остановки операций (например, поток в трубопроводе или хранение) в труднодоступных зонах. При прогнозировании точного местоположения коррозии в больших сооружениях по-прежнему могут возникать трудности, однако сигнал должен предоставлять данные, позволяющие сделать разумное предположение о том, какая зона подвержена коррозии. Уровень энергии в сигнале также может указать на размер повреждения, вызванного коррозией. Если говорить о стандартизации измерительного оборудования и схем измерений, только в стандарте BS EN 15856:2010 описаны основные принципы акустико-эмиссионных испытаний на обнаружение коррозии в металлических резервуарах, наполненных жидкостью.

В стандарте ASTM STP 908-1986 представлены общие принципы акустико-эмиссионных испытаний на обнаружение коррозии.

ВЫВОДЫ

Важность морских сооружений, бесспорно, возросла, и их участие в таких отраслях, как нефтегазовая промышленность и производство энергии из экологически чистых источников, лишь продолжит увеличиваться. Поскольку коррозия представляет собой реальную угрозу эксплуатационной надежности и целостности конструкций морских сооружений, необходимо повысить уровень понимания эксплуатационных условий в сочетании с возможностями эффективного коррозионного мониторинга (как проводного, так и беспроводного для удаленного доступа) и знаний о материалах и механизмах разрушения из-за различных типов коррозии, которые могут встречаться в неблагоприятных условиях морской окружающей среды. Хотя в применении акустико-эмиссионного контроля существуют определенные ограничения, например, источник коррозии не калибруется, чтобы можно было широко применять данную методику, калибровка в той или иной форме все же, как правило, необходима.

Мониторинг коррозии с использованием АЭ датчика (для контроля локализованной коррозии и труднодоступных зон) может обеспечить значительную экономию средств благодаря контролю убытков, определению приоритетности технического обслуживания на основе количественных данных, эффективному функционированию и устранению неисправностей. Анализ может содержать параметры, основанные на времени и частоте (с очень высокой точностью). В данном методе также возможно применение нейронных сетей (НС) для широкого спектра возможных источников акустической эмиссии в процессе развития коррозии. При коррозионном мониторинге АЭ датчики также должны обеспечивать контроль за ударной нагрузкой, распространением трещины, утечками.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. А. Пратеепасен. Мониторинг питтинговой коррозии с использованием акустической эмиссии, Питтинговая коррозия, профессор Наср Бенсалах (ред.), ISBN: 978-953-51-0275-5, InTech. 2012 г.
  2. Л. Калабресе, М. Галеано, Е. Провербио, Д. Д. Пиетро, Ф. Каппучини, А. Донато, журнал Corrosion Science, 111, 151-161, 2016 г.
  3. Ф. Делоноис, А. Тшимомбо, В. Станциу, В. Витри, журнал Corrosion Science, 110, 273-283, 2016 г.
  4. М. Г. Альварез, П. Лапиц, Дж. Руззанте, журнал Corrosion Science, 55, 5-9, 2012 г.
  5. Дж. Ковач, А. Легат, Б. Зажек, Т. Косек, Е. Говекар, журнал Ultrasonics, 62, 312-322, 2015 г. 6. К. Джомдеча, А. Пратеепасен, П. Каевтракулпонг, журнал NDT & E International, 40, 584-593, 2007 г.
  6. К. Ву, У.-С. Джанг, Дж.-У. Виеон, журнал Corrosion Science, 105, 8-16, 2016 г.

Файсал Н. Х., Дроуби М. Г., Стил Дж. Школа инженерии Университет Роберта Гордона Абердин, Великобритания

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Предотвращение развития коррозии на восстановленных баках для дизельного топлива локомотивов для грузовых поездов
Предотвращение развития коррозии на восстановленных баках для дизельного топлива локомотивов для грузовых поездов
За прошедшие 200 лет железнодорожные сети по всей Великобритании существенно изменились по сравнению с первоначальными…
GW
22.01.2020
400
Инновации в сфере умных, высокоэффективных ингибиторов коррозии
Инновации в сфере умных, высокоэффективных ингибиторов коррозии
По имеющимся оценкам, на данный момент в странах ЕС 786 000 рабочих подвергается воздействию токсичного,…
Джорджия Какасе
18.05.2021
208
Угроза целостности трубопровода из-за почвенной коррозии
Угроза целостности трубопровода из-за почвенной коррозии
В данной статье рассматривается практический пример проблем с коррозией наземного трубопровода, вызванных совместным воздействием подстилающего…
Умайр Ниаз, М. Хуссейн
03.10.2022
69
Решение проблем с коррозией при задержке инъецирования каналов
Решение проблем с коррозией при задержке инъецирования каналов
Запатентованная технология MCI®, разработанная компанией Cortec, теперь используется в наиболее сложных проектах, когда требуется обеспечить…
Ивана Липошчак
17.01.2022
389
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 2.
Гибридизация как эффективное соединение, исследование электрохимической коррозии как необходимость. Часть 2.
Технология получения композиционных материалов позволяет создавать конструкции с высокой степенью интеграции, где количество компонентов и…
А. Виандиер, Д. Стефаниак, К. Хухне, М. Синапиус
22.01.2020
740
Способ снижения коррозионного воздействия расплава соли
Способ снижения коррозионного воздействия расплава соли
Как подробно описано в журнале Frontiers of Chemical Engineering, эксперимент включал использование тионилхлорида для удаления…
10.11.2022
33
Оценка эффективности снижения коррозии на основе современных представлений о катодной защите
Оценка эффективности снижения коррозии на основе современных представлений о катодной защите
С момента первого применения катодной защиты (КЗ) в 1928 году [1] эта технология успешно используется…
М. Буклер
16.02.2021
386
<strong>Модифицированный оксид графена</strong>
Модифицированный оксид графена
В новой работе в качестве наполнителя использовали диамин малеиновой кислоты (C4H6N2O2, MAD), модифицированный оксидом графена…
02.12.2022
114
Приемочные испытания покрытий, защищающих от коррозии под изоляцией
Приемочные испытания покрытий, защищающих от коррозии под изоляцией
Коррозия под изоляцией (CUI) – это ускоренная коррозия, возникающая под слоем изоляции, который обычно применяется…
Майкл Ф. Мелампи
17.03.2021
318