CN104568629B

CN104568629B - 一种在线检测金属减薄速率的试样及方法

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Publication number: CN104568629B
Application number: CN201410820618.2A
Authority: CN
Inventors: 张乐福; 赖平
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-07-11
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104568629A

Abstract

本发明提供一种在线检测金属减薄速率的试样及方法，所述试样具有壁厚不同的两段，其中壁厚较厚的厚壁段作为参比段，壁厚较薄的薄壁段作为测试段，直流恒流电通过直流电流电极串联通入试样的厚壁段和薄壁段，在厚壁段和薄壁段上分别安装参比电极和直流电压降电极，分别测量两段上的电压降，通过记录试样上两厚度段上初始电压降和运行过程中的电压降对比，计算得出无量纲的电压降信号，根据两个厚度上的电压降无量纲参数和试样上厚薄两段的厚度几何尺寸，计算试样厚度随时间的变化。本发明不仅在低温低压环境可以使用，在高温高压等环境下也可实现金属材料的在线减薄速率测量，提高测试精度。

Description

一种在线检测金属减薄速率的试样及方法

技术领域

本发明涉及一种金属减薄速率的测试，具体是一种通过在线对金属减薄速率进行检测的试样结构及检测方法。

背景技术

金属材料的腐蚀与磨损是工程设备中常见的老化、失效机制，对于重要的设备系统，尤其是高温高压环境系统，承压设备金属材料的减薄严重影响设备的运行安全。因此，人们希望在系统中安装材料减薄速率监测装置，或者安装监测试片。然而，很多监测装置，如超声波测厚等，需要拆卸高温装置的保温层，施工比较麻烦，因而经常导致检测疏忽，酿成事故。另外，研究人员在研究金属材料均匀腐蚀、磨料磨损、流动加速腐蚀减薄速率时，通常采用取样观察的方法，导致试验数据较少，不直观。

通常情况下，例如金属材料在核电厂、火电厂、化工厂等高温高压水环境中均匀腐蚀、或流动加速腐蚀减薄速率(以下称“减薄速率”)的值一般很小，传统测量方法包括：

(1)挂片法：通过定期取样，测量试样的重量、厚度变化。优点是简单，可靠，适合高温高压环境实验，缺点是测量结果分散，且不具有连续性，在对试样的数据处理过程中会引入较大的误差，并且操作比较困难。同时，如果要改变单一试验条件，就需要重新准备试样，不仅操作工作量大，更换试样对数据的一致性有影响，因此就需要进行大量挂片和数据平均的统计工作；

(2)超声波测厚法：利用超声波反射原理，测量物体厚度。优点是无损，方便，缺点是需要贴近被测物体，高温下无法测量，对于高温高压装置必须拆除原保温隔热层，工作量比较大；

(3)电阻法：利用四点法测量试片电阻变化，进而推算试样截面尺寸的变化规律。优点是简单，可在线测量，缺点是容易受到工质温度及实验室环境干扰，无法消除材料在高温下时效带来的电阻率变化的影响。

因此，希望能够出现一种在线检测金属减薄速率的试验装置和测量方法。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种在线检测金属减薄速率的试样及方法，采用新型的、带有参比段的试样结构，以实现电测法在线测量试样在腐蚀环境、磨损环境下的减薄速率，消除工质温度波动、环境温度变化、以及材料在长期时效后电阻率的变化所带来的测量误差，通过采用无量纲信号参数，实现测试方法与材料物理性质的无关性，建立纯粹的测量信号与几何尺寸的关系，不仅在低温低压环境可以使用，在高温高压等环境下也可实现金属材料的在线减薄速率测量，提高测试精度。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种在线检测金属减薄速率的试样，所述试样具有壁厚不同的两段，其中壁厚较厚的厚壁段作为参比段，壁厚较薄的薄壁段作为测试段，直流恒流电通过直流电流电极串联通入试样的厚壁段和薄壁段，在厚壁段和薄壁段上分别安装参比电极和直流电压降电极，分别测量两段上的电压降，并结合厚度几何尺寸，得到试样厚度随时间的变化。

所述试样呈片状，其底面为试验面，焊接电极面为测量面，或者，所述试样呈管状，其内壁为试验面，外壁为测量面。

所述直流电流电极焊接在试样端部的中心部位，参比电极和直流电压降电极分别在试样的厚壁段和薄壁段上对称布置，每对电极中的两个极间距相同，也可以间距不同，间距相同，可简化减薄速率计算过程。

所述参比电极和直流电压降电极位置分别位于其所在的厚壁段和薄壁段的对角线上。

所述参比电极和直流电压降电极位置距离边缘0.1～0.2倍的试样宽度或直径。

一种在线检测金属减薄速率的方法，采用上述的试样完成，包括步骤如下：

1)、将试样与其周围设备绝缘放置；

2)、量出试样的初始厚壁段和薄壁段的壁厚几何尺寸a和g，作为初始厚度；

3)、当到达试验工况或运行工况后，设定好注入电流，记录厚壁段和薄壁段上的参比信号和直流电压降信号的电压降值；

4)、采用多点平均的方法，获得上述两个信号的准确测量值，分别记录为试样的初始参比信号和直流电压降信号的电压降V_ref00和V_a00；

5)、在试验或者设备正常运行过程中，试样的测量面不断减薄，假设试样的厚壁段和薄壁段单面减薄均匀，且减薄速率相同，保持与初始测量时相同的电流，通过多点平均的方法测量参比信号和直流电压降信号线上的电压降，得到过程中V_ref1和V_a1随运行时间的变化规律；

6)、壁厚的计算采用过程信号与初始信号对比的方法进行计算，反推得到壁厚随时间变化曲线，得到减薄速率k。

所述试样为片状时，所述步骤6)的计算方法如下：

首先，将过程电测信号与参比信号相比，获得无量纲的DCPD信号初始信号V_a0和过程信号和V_a：

V_a0＝V_a00/V_ref00V_a＝V_a1/V_ref1； (1)

然后，假设在试验时间点t的减薄量为x，试样上厚薄两段的电阻率相同，试样宽度相同，则通过壁厚与无量纲DCPD信号的推导计算，可得到壁厚减薄与过程中V_a和V_a0的关系：

x＝a(V_a/V_a0-1)/[(V_a/V_a0)·(a/g)-1]. (2)

将减薄量x与时间做图，得到x-t曲线，由于在实验时间内，试样壁厚变化量较小，壁厚变化与时间t呈线性变化关系，即x＝kt，因而可得到拟合直线斜率k即为减薄速率。

在金属减薄速率较慢时，Va/V_a0≈1，如果a/g>>1，则减薄量x：

x≈g(V_a/V_a0-1) (3)。

所述试样为管状时，所述步骤6)是利用有限元分析软件进行电学模拟计算，得出电势分布，选择合适的电势测量点，选取好测量点之后，根据测点计算出壁厚减薄与直流电压降信号的关系，建立减薄量与测量数据关系曲线，在测量过程中，根据关系曲线通过差值获得测量值与减薄量的关系，再通过线性拟合，计算出减薄速率k。

在加载恒定电流后，电势测点两端的电流近似均匀，根据欧姆定律得到电势测点之间管状试样的电阻值R＝U/I，U是电势测点间的电势差，I为加载的恒定电流，具有规则形状的均匀材料的电阻值通过R＝ρL/S得到，ρ为材料在所处环境下的电阻率，跟环境温度等有关；L为电势测点间的水平距离；S为管状试样的横截面积，因此，测量得到的电势差U＝IρL/S，其中I、L为常数，ρ在具体的环境中由材料性质决定，通过测量电势差能够反映出厚度的变化，实现在线测量。

在本发明中，采用了直流电压降(DCPD)方法测量试样的厚度变化，可以比较容易地实现厚度变化的在线测量。在试样设计中增加了与被测段厚度不同的参比段，通过两段上所测电压降信号的对比，使信号无量纲化，从而可实现以下功能：

(1)消除由于材料长期在高温环境下时效导致的电阻率变化；

(2)消除由于环境温度、工质温度波动带来的信号干扰，大大提高数据的可靠性；

(3)采用无量纲信号，信号仅与参比段和测量段的厚度几何尺寸有关，与材料本身的物性参数无关，可适用于各种金属材料；

(4)信号线对角布置，可以全面覆盖被测试样标准长区域表面状态。

本发明所提供的在线检测金属减薄速率的试样设计及测试方法，相比已有技术，具有以下特点：

(1)采用试样本身设计两个厚度段作为参比段和测试段，可在测试过程中考虑由于材料长期在高温环境下时效导致的电阻率变化所带来的影响；

(2)参比段的引入同时也可以抵消大部分由于环境温度、工质温度波动带来的信号干扰，大大提高数据的可靠性；

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明所提供的片状试样结构原理图；

图2为本发明所提供的管状试样结构原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，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。这些都属于本发明的保护范围。

本发明是采用直流电位测量方法，利用特殊的试样设计，形成两个厚度的试样，将直流电串联通入两个厚度的试样，并分别测量两个厚度上电压降，根据两个厚度上的电压降计算试样厚度的变化。试样结构如图1和图2所示，其中片状试样底面为试验面，焊接电极面为测量面；管状试样的内壁为试验面，外壁为测量面。

如图1所示，其中厚壁段一般作为参比段，薄壁段为测试段。将恒定电流的直流电通过图1中的电流电极1串联通入试样两个厚度段，并分别测量两个厚度上电压降，通过记录试样上两厚度段上初始电压降和运行过程中的电压降对比，计算得出无量纲的电压降信号，根据两个厚度上的电压降无量纲参数和试样上厚薄两段的厚度几何尺寸，计算试样厚度随时间的变化。

根据图1所示，给变截面的试样两端连接电流电极1，在试样的厚壁c和薄壁d段各分别安装参比电极2和直流电压降(Direct Current Potential Drop，简称“DCPD”)电极3共两对电极。其中直流电流电极1一般焊接在试样端部的中心部位，参比信号和DCPD信号线分别在试样的厚壁段和薄壁段按照图1所示对称布置，每对电极中的极间间距相同，但具体位置根据试样的实际尺寸确定，一般距离边缘0.1～0.2倍的试样宽度或直径。在电流电极上加载恒定的直流电流，这样电流串联流过试样的厚壁和薄壁两段，即两段的电流相同，但截面尺寸不同。测量试样上厚壁和薄壁两段上的电压降，得到参比电压降和DCPD电压降。

安装时，试样需要与试验装置或者其它金属设备绝缘，最好保证正常工作时试样与周围设备的直流电阻在20kΩ以上。当在线检测金属减薄速率时，首先要量出试样的初始厚壁和薄壁段的壁厚几何尺寸，如图1中的a和g，作为初始厚度；然后，当到达试验工况或运行工况后，设定好注入电流，记录厚壁和薄壁两段上参比信号和DCPD信号的电压降值，并采用多点平均的方法，获得上述两个信号的准确测量值，分别记录为试样的初始参比和DCPD电压降V_ref00和V_a00。

在试验过程中，或者设备正常运行过程中，试样的测量面不断减薄，假设试样的厚壁段和薄壁段单面减薄均匀，且减薄速率相同。保持与初始测量时相同的电流，通过多点平均的方法测量参比信号和DCPD信号线上的电压降，得到过程中V_ref1和V_a1随运行时间的变化规律。

壁厚的计算采用过程信号与初始信号对比的方法进行计算，反推得到壁厚随时间变化曲线。

计算方法可采用如下：

V_a0＝V_a00/V_ref00V_a＝V_a1/V_ref1； (1)

x＝a(V_a/V_a0-1)/[(V_a/V_a0)·(a/g)-1]. (2)

将减薄量x与时间做图，得到x-t曲线。由于在实验时间内，试样壁厚变化量比较小，因而可以认为壁厚变化与时间t呈线性变化关系，既x＝kt。因而可得到拟合直线斜率k即为减薄速率。

一般情况下，金属减薄速率较慢，Va/V_a0≈1，如果a/g>>1，则：

X≈g(V_a/V_a0-1) (3)

对于圆管或者略复杂的试样，如图2所示，可根据图纸，利用有限元分析软件(例如ANSYS)进行电学模拟计算，计算得出电势分布,选择合适的电势测量点。直流电压降测量点的原则为：测量的结果数值尽量大，电流分布尽量均匀。选取好测量点之后，可以根据测点计算出壁厚减薄与DCPD信号的关系，建立减薄量与测量(无量纲)数据关系曲线，在测量过程中，根据关系曲线通过插值获得测量值与减薄量的关系。

获得减薄量与时间关系曲线后，通过线性拟合，最后计算减薄速率k。

在加载恒定电流后，电势测点两端的电流近似均匀，根据欧姆定律得到电势测点之间管状试样的电阻值R＝U/I(U是电势测点间的电势差，I为加载的恒定电流)。具有规则形状的均匀材料的电阻值可以通过R＝ρL/S(ρ为材料在所处环境下的电阻率，跟环境温度等有关；L为电势测点间的水平距离；S为管状试样的横截面积)得到。因此，测量得到的电势差U＝IρL/S，其中I、L为常数，ρ在具体的环境中由材料性质决定。因此，通过测量电势差就可以反映出厚度的变化，实现在线测量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种在线检测金属减薄速率的试样检测方法，其特征在于，所述试样具有壁厚不同的两段，其中壁厚较厚的厚壁段作为参比段，壁厚较薄的薄壁段作为测试段，直流恒流电通过直流电流电极串联通入试样的厚壁段和薄壁段，在厚壁段和薄壁段上分别安装参比电极和直流电压降电极，分别测量两段上的电压降，并结合厚度几何尺寸，得到试样厚度随时间的变化，具体包括步骤如下：

1)、将试样与其周围设备绝缘放置；

4)、采用多点平均的方法，获得上述两个信号的准确测量值，分别记录为试样的初始参比信号和直流电压降信号V_ref00和V_a00；

5)、在试验或者设备正常运行过程中，试样的测量面不断减薄，假设试样的厚壁段和薄壁段单面减薄均匀，且减薄速率相同，保持与初始测量时相同的电流，通过多点平均的方法测量参比信号和直流电压降信号线上的电压降，得到试验过程中参比信号和直流电压降信号Vref1和Va1随运行时间的变化规律；

6)、壁厚的计算采用过程信号与初始信号对比的方法进行计算，反推得到壁厚随时间变化曲线，得到减薄速率k；

所述试样为片状时，具体计算方法如下：

首先，将过程电测信号与参比信号相比，获得无量纲的DCPD信号初始信号V_a0和过程信号V_a：

V_a0＝V_a00/V_ref00V_a＝V_a1/V_ref1 (1)

然后，假设在试验时间点t的减薄量为x，试样上厚薄两段的电阻率相同，试样宽度相同，则通过壁厚与无量纲DCPD信号的推导计算，得到壁厚减薄与过程中V_a和V_a0的关系：

x＝a(V_a/V_a0-1)/[(V_a/V_a0)·(a/g)-1] (2)

将减薄量x与时间做图，得到x-t曲线，由于在实验时间内，试样壁厚变化量较小，壁厚变化与时间t呈线性变化关系，即x＝kt，因而得到拟合直线斜率k即为减薄速率；

所述试样为管状时，利用有限元分析软件进行电学模拟计算，得出电势分布，选择合适的电势测量点，选取好测量点之后，根据测点计算出壁厚减薄与直流电压降信号的关系，建立减薄量与测量数据关系曲线，在测量过程中，根据关系曲线通过插值算法获得测量值与减薄量的关系，再通过线性拟合，计算出减薄速率k。

2.根据权利要求1所述的在线检测金属减薄速率的试样检测方法，其特征在于，所述试样呈片状，其底面为试验面，焊接电极面为测量面，或者，所述试样呈管状，其内壁为试验面，外壁为测量面。

3.根据权利要求1所述的在线检测金属减薄速率的试样检测方法，其特征在于，所述直流电流电极焊接在试样端部的中心部位，参比电极和直流电压降电极分别在试样的厚壁段和薄壁段上对称布置，每对电极中的两个极间距相同或不同。

4.根据权利要求3所述的在线检测金属减薄速率的试样检测方法，其特征在于，所述参比电极和直流电压降电极位置分别位于其所在的厚壁段和薄壁段的对角线上。

5.根据权利要求3所述的在线检测金属减薄速率的试样检测方法，其特征在于，所述参比电极和直流电压降电极位置距离边缘0.1～0.2倍的试样宽度或直径。

6.根据权利要求1所述的在线检测金属减薄速率的试样检测方法，其特征在于，在金属减薄速率较慢时，Va/V_a0≈1，如果a/g>>1，则减薄量x：

x≈g(V_a/V_a0-1) (3)。

7.根据权利要求1所述的在线检测金属减薄速率的试样检测方法，其特征在于，在加载恒定电流后，电势测点两端的电流近似均匀，根据欧姆定律得到电势测点之间管状试样的电阻值R＝U/I，U是电势测点间的电势差，I为加载的恒定电流，具有规则形状的均匀材料的电阻值通过R＝ρL/S得到，ρ为材料在所处环境下的电阻率，跟环境温度有关；L为电势测点间的水平距离；S为管状试样的横截面积，因此，测量得到的电势差U＝IρL/S，其中I、L为常数，ρ在具体的环境中由材料性质决定，通过测量电势差能够反映出厚度的变化，实现在线测量。