CN110146436B - 基于电化学噪声的应力腐蚀开裂在线监测装置及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电化学腐蚀监测领域，具体是一种基于电化学噪声的应力腐蚀开裂在线监测装置及分析方法，夹套电解池放置在应力环内，SCC_WE1试验电极居于夹套电解池正中，SCC_WE2试验电极对称分布在SCC_WE1试验电极的四周，零阻电流计分别与SCC_WE1试验电极和SCC_WE2试验电极连接，电位跟随器分别与SCC_WE1试验电极、参比电极RE连接；零阻电流计、电位跟随器均与信号采集于分析单元连接。采用Matlab编制电化学噪声数据分析软件，通过不同类型的电流/电位噪声峰特征来区分SCC裂纹扩展的不同阶段，根据噪声峰积分电量和发生频率计算单次裂纹扩展长度以及裂纹平均扩展速率；根据电流噪声峰的幅值评价SCC的敏感性，该方法实现了微裂纹萌生与生长过程的动态监测。
Description
技术领域
本发明涉及电化学腐蚀监测领域，具体是一种基于电化学噪声的应力腐蚀开裂在线监测装置及分析方法。
背景技术
在油气田开采过程中，CO2驱等三次采油技术可以显著提高油气采收率，如中石油吉林油田采用该项技术使油气采收率提高了5％～10％，取得了很好的示范效果。但是CO2溶解在井下环空溶液中，会导致油套管在应力和腐蚀环境的共同作用下发生的应力腐蚀开裂(SCC)。研究表明，对P110油管钢在含有CO2的低温环空液环境中会发生韧性降低，导致SCC。316L不锈钢在H2S-CO2-Cl-环境中，会随着H2S/CO2分压比的提升导致SCC敏感性增加。应力腐蚀裂纹的扩展速度相较于其他形式的腐蚀速度高出多个数量级，而且没有明显的征兆，所以油管钢的SCC失效往往是突发性和灾难性的，会造成巨大的经济损失和人员伤亡。因此，通过无损监测技术实现SCC的早期诊断，可以及时发现故障，防患于未然，对于油气田的安全生产具有重要意义。
中国发明申请CN 106568665A公开了一种高强度管道土壤SCC评价方法，主要是通过管道表面缺陷来计算其剩余强度，并没有提出相应的SCC监测方法。CN 106404554A公开了一种研究硫酸盐还原菌SCC试验装置，通过定期观察试样表面裂纹形核与扩展清况，来研究硫酸盐还原菌对金属SCC的影响，但无法实现SCC原位无损监测。CN 105675481A提出了一种高温高压流体环境加载拉应力试样腐蚀电化学实验装置及测试方法，通过电化学参数获得高温高压下拉伸应力和流体对金属材料腐蚀的作用机制，但没有提出SCC裂纹萌生或者生长过程的算法。
油管钢在井下环空溶液中的腐蚀属于电化学腐蚀，可以采用挂片法、电化学阻抗法、线性极化法等对材料的均匀腐蚀和环境腐蚀性进行监测。。然而，这些常规电化学方法难以监测由局部腐蚀引起的应力腐蚀开裂。电化学噪声监测技术不仅能够得到金属材料的局部腐蚀信息，而且对测试体系没有任何外加干扰，能真实反映材料的腐蚀状态。
电化学噪声信号分析方法，目前主要包括时域统计分析、频域分析和小波分析。其中时域分析法应用最广泛，但基于噪声电阻的统计分析方法无法判断局部腐蚀的发生时间节点和严重程度；频域分析易受到背景噪声干扰和信号漂移影响，计算误差大；基于小波变换的噪声分析算法复杂，无法实现实时在线分析。上述问题使得电化学噪声技术在现场腐蚀监测中的应用受到了明显限制。中国专利CN107202755A中采用了一种电化学噪声传感器来测试金属管道外表面的电位和电流噪声，并根据电流电位标准偏差算出的噪声电阻来评估金属管道的腐蚀状态；CN103983564A中通过大气腐蚀电化学传感器来监测金属材料的腐蚀，用接近于2Hz的小波噪声电阻来反映大气腐蚀过程中的腐蚀速率；CN101017128A中采用四电极探针电化学噪声装置收集噪声信号，然后通过软件对数据进行统计计算和聚类分析来判断局部腐蚀的程度。但是尚未有关于应力腐蚀开裂方面监测方法的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服油套管钢应力腐蚀开裂监测技术的不足，提供一种应力腐蚀开裂无损监测方法，用于评估材料的应力腐蚀开裂即SCC敏感性。本发明的目的通过以下技术方案予以实现。
基于电化学噪声的应力腐蚀开裂在线监测装置，包括参比电极RE,SCC_WE2试验电极,SCC_WE1试验电极，橡胶密封圈，夹套电解池，应力环，拉力计，零阻电流计，电位跟随器，以及信号采集与分析单元；
夹套电解池放置在应力环内，并且与拉力计连接；
所述的SCC_WE1试验电极和SCC_WE2试验电极为同材质的圆棒形金属试样，SCC_WE1试验电极居于夹套电解池正中，四只或者六只SCC_WE2试验电极对称分布在SCC_WE1试验电极的四周，保证SCC_WE1试验电极表面受到均匀极化，提高噪声捕捉准确性；SCC_WE1试验电极和SCC_WE2试验电极底部套上橡胶圈后安装到夹套电解池内；
零阻电流计分别与SCC_WE1试验电极和SCC_WE2试验电极连接，零阻电流计通过精密电流电压转换电路将来自SCC_WE1试验电极和SCC_WE2试验电极的噪声电流放大；
电位跟随器分别与SCC_WE1试验电极、参比电极RE连接，电位跟随器通过高阻电压跟随器电路将来自SCC_WE1试验电极相对于参比电极RE的噪声电压信号进行阻抗变化；
零阻电流计、电位跟随器均与信号采集于分析单元连接，所有信号送入到信号采集于分析单元。
所述的信号采集与分析单元主要包括两个多通道低通滤波器，两个24bit A/D转换器，以及显示器/键盘接口、单片机、USB通信端口和Flash ROM非易失存储器；
两个多通道低通滤波器分别与零阻电流计、电位跟随器连接，每个多通道低通滤波器分别连接一个A/D转换器，两个24bit A/D转换器均与单片机连接；单片机还连接有US通信端口、非易失存储器、显示/键盘接口。
来自零阻电流计的电流噪声和来自电位跟随器的电压噪声信号首先通过10Hz～20HzLPF低通滤波器来消除工频干扰和混叠噪声，然后送入A/D转换器，该AD转换器采用sigma-delta积分/微分原理，进一步消除工频和电磁干扰，所有数字信号送入到单片机中进行数据分析，计算SCC过程中的噪声特征参数，并将测试结果保存到非易失存储器中，或者通过US通信端口上传到PC计算机，也可以通过显示/键盘接口与使用者交互。
本发明的电化学噪声分析方法按照以下步骤进行：
(1)用上述电化学噪声监测装置采集应力腐蚀开裂过程中的电位与电流噪声信号，并用matlab编制的分析程序计算噪声峰的寿命(Lc)、幅值(Ac)、积分电量(qc)参数；
(2)将参数值不同的电化学噪声峰进行分类，不同的腐蚀事件伴随着不同类型的电流/电位噪声峰，寿命短(3～5s)、幅值低(0.01～1μA)、积分电量小(0.1～1.0μC)的噪声峰代表发生了与亚稳态点蚀事件，SCC裂纹事件则会引发寿命长(>30s)、幅值高(>1μA)、积分电量大(>30μC)的强电流电位噪声峰；
(3)对点蚀事件所产生的亚稳态点蚀峰进行统计分析，根据其形核速率l的大小来判断局部腐蚀速率的快慢，与由电位电流标准偏差值求出的噪声电阻Rn比较，可发现结果的一致性；通过对裂纹事件噪声峰的寿命分析可以得出单次裂纹的生长时间，由积分电量值可以得出单次裂纹生长长度，根据生长时间的长短和裂纹长度的大小来比较其应力腐蚀开裂敏感性；
(4)以定长时间为统计窗口，对电化学噪声信号的形核速率l、平均积分电量进行统计分析，根据l和随时间的变化曲线可判断SCC裂纹萌生阶段、裂纹扩展阶段和快速断裂阶段的时间点。
本发明的有益效果是：
(1)采用高精度的噪声信号采集与分析单元电路，可以灵敏捕捉应力腐蚀开裂过程中的微弱电位与电流噪声信号；
(2)根据电化学噪声统计分析结果，不仅可以判断局部腐蚀的程度和类别，还可以计算SCC裂纹的萌发与生长速率，为SCC早期诊断提供一种在线监测方法。
附图说明
图1为本发明测试装置原理示意图；
图2为本发明电化学噪声信号采集与分析电路图；
图3为实施例P110钢在含有CO2环空溶液中的拉伸曲线和电化学噪声：Ⅰ：弹性阶段，Ⅱ：屈服阶段，Ⅲ：硬化阶段，Ⅳ：颈缩阶段；
图4为实施例SCC试验过程中裂纹萌生阶段的电化学噪声特征；
图5为实施例SCC试验过程中裂纹生长过程的电化学噪声特征；
图6为实施例SCC试验过程中电化学噪声的形核速率(λ)和平均积分电量(qc)；
图7为实施例试验结束后SCC试验电极断裂后的横截面形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对说明本发明及其技术方案作进一步的说明。
如图1所示，基于电化学噪声的SCC在线监测装置，包括参比电极RE 1,SCC_WE2试验电极2,SCC_WE1试验电极3，橡胶密封圈4，夹套电解池5，应力环6，拉力计7，零阻电流计8，电位跟随器9，以及信号采集与分析单元10；
夹套电解池5放置在应力环6内，并且与拉力计7连接；
所述的SCC_WE1试验电极3和SCC_WE2试验电极2为同材质的圆棒形金属试样，SCC_WE1试验电极3居于夹套电解池5正中，四只或者六只SCC_WE2试验电极2对称分布在SCC_WE1试验电极3的四周，保证SCC_WE1试验电极3表面受到均匀极化，提高噪声捕捉准确性；参比电极RE1可以选择饱和甘汞电极、Ag/AgCl电极或者硫酸亚汞电极，SCC_WE1试验电极3和SCC_WE2试验电极2采用P110油管钢材质，并按GB/T 15970-2017标准加工成圆棒状试样，底部套上橡胶圈4后安装到夹套电解池5内。本实施例选择四只SCC_WE2试验电极2。
零阻电流计8分别与SCC_WE1试验电极3和SCC_WE2试验电极2连接，零阻电流计8通过精密电流电压转换电路将来自SCC_WE1试验电极3和SCC_WE2试验电极2的噪声电流放大；
电位跟随器9分别与SCC_WE1试验电极3、参比电极RE1连接，电位跟随器9通过高阻电压跟随器电路将来自SCC_WE1试验电极3相对于参比电极RE1的噪声电压信号进行阻抗变化；
零阻电流计8、电位跟随器9均与信号采集于分析单元10连接，所有信号送入到信号采集于分析单元10。
夹套电解池5温度控制在35～60℃，以模拟下井下环空溶液温度，夹套电解池5内充入模拟环空保护液，组成为0.2mol/L Na2CO3、0.5mol/L NaHCO3、0.5mol/L NaCl和100mg/L Na2S。SCC_WE1试验电极3除中间5～10mm长的圆棒表面暴露外，其余与溶液接触表面均采用有机硅树脂进行保护，防止发生缝隙腐蚀。SCC_WE1试验电极3通过应力环6或者慢拉伸试验机进行恒应变或者慢应变拉伸，4只SCC_WE2试验电极2作为对电极分布在WE13的四周，且均未受力，电化学电位与电流噪声分别接入电位跟随器9和零阻电流计8的输入端，其中零阻电流计8的反馈电阻Rc采用自适应控制，根据电流大小自动设置切换Rc阻值。
如图2所示，所述的信号采集与分析单元10主要包括两个多通道低通滤波器11，两个24bit A/D转换器12，以及显示器/键盘接口13、单片机14、USB通信端口15和Flash ROM非易失存储器16；
两个多通道低通滤波器11分别与零阻电流计8、电位跟随器9连接，每个多通道低通滤波器11分别连接一个A/D转换器12，两个A/D转换器12均与单片机14连接；单片机14还连接有US通信端口15、非易失存储器16、显示/键盘接口13。
首先，电位与电流噪声经过20Hz截止频率多通道低通滤波器11进行抗混叠去噪分别后送入两个ADS1210转换器12进行模数转换，采样频率为5Hz。数字化的电位与电流噪声信号被32位STM32F407单片机14读入内存，采用后面的算法对噪声进行统计分析，并将测量结果保存在16M byte Flash ROM非易失存储器16中，或者借助显示器/键盘接口13交互，从USB通信端口15上传到PC计算机，作进一步分析。
本发明中的SCC监测采用电化学噪声统计分析算法，计算SCC_WE1试验电极3的亚稳态点蚀和裂纹的萌生以及生长长度，并根据电流与电位噪声峰的寿命(Lc)、幅值(Ac)和积分电量(qc)来判断SCC的进展阶段和严重程度。
采用Matlab 2012编制程序，自动统计电化学噪声峰的频率、寿命、幅值、积分电量、形核速率、噪声电阻以及平均积分电量，其中积分电量和平均积分电量计算公式如式(1)、(3)，裂纹长度的计算公式如式(2)。
噪声峰寿命(Lc)为噪声峰起始与终止时间之差，峰幅值(Ac)为噪声峰最高处与最低处电流值之差。电化学噪声峰积分电量(qc)的计算公式为：
式(1)中λ为形核速率，表示单位时间内噪声峰数量，单位为s-1；T为噪声数据测量时长，tn、t'n分别为第n个噪声峰的起始与终止时间，in(t)为第n个噪声峰对应的电流与时间的函数，ib为噪声峰的基线电流。
根据形核速率(λ)的大小可以判断SCC裂纹扩展快慢，l越大，则单位时间所产生的裂纹数量越多，表明SCC进程越快。根据单个噪声峰的积分电量(qc)值可以计算单次裂纹生长长度，由法拉第定律可以计算出与qc相应的金属溶解体积，qc越大则腐蚀程度越大。假设裂纹前端形状为半圆形，裂纹宽度w为500nm，则可以由qc估算出对应的裂纹生长深度lcrack，计算公式为：
式(2)中M、ρ和z分别为金属的摩尔质量(g/mol)、密度(g/cm3)和价电子数；F为法拉第常数；qc为积分电量。
附图3显示了慢应变拉伸试验中同步监测SCC_WE1试验电极3与SCC_WE2试验电极2所发射的电位与电流噪声数据。根据SCC试验电极的拉伸曲线形态，可将拉伸试验过程分为弹性阶段、屈服阶段、硬化阶段、颈缩阶段四个形变阶段，可见每个阶段电化学噪声的特征明显不同，据此可以根据噪声峰特征判断SCC试验电极所处的阶段。
附图4为模拟环空保护液中，SCC试验电极在裂纹萌生前期(主要发生亚稳态点蚀事件)的电化学噪声曲线。其中点蚀事件的发生伴随着很多寿命短、幅值低、积分电量小的亚稳态点蚀峰，由于SCC_WE1试验电极3表面钝化膜破裂后，亚稳态点蚀的产生使电极电位负移，然后蚀点的再钝化使电位再次正移，这些连续的快速溶解-再钝化-溶解过程，就在电化学噪声曲线上形成典型的亚稳态点蚀噪声峰。
附图5显示的是慢拉伸试验过程中SCC_WE1试验电极3表面裂纹生长时所对应的电化学噪声峰，由公式(2)可估算其裂纹长度lcrack为164μm。附图7显示了SCC_WE1试验电极3端口横截面形貌图，从附图7中可以测量裂纹生长深度约为123μm，与公式(2)的计算结果较为接近。裂纹事件噪声峰qc越大，单次裂纹生长深度lcrack越长，金属的SCC敏感性越高。
接着以1h为单位时间，对整个电化学噪声谱的形核速率l、平均积分电量进行统计分析，的计算公式为：
附图6显示了l和随SCC试验时间的变化曲线，l和均较小时说明金属试样表面无明显局部腐蚀，l逐渐增大而略微增加说明金属表面产生了亚稳态点蚀，亚稳态点蚀促使微裂纹进入萌生阶段。当呈明显增大趋势时，则表明微裂纹在拉应力的作用下形成稳态裂纹，电化学噪声峰以寿命和积分电量较大的长裂纹事件峰为主，SCC电极进入裂纹稳态生长阶段。当开始下降时，表明裂纹扩展趋于稳定，裂纹尖端处于高活性溶解状态，裂纹尖端不易钝化，噪声电流不再下降，噪声峰形核频率下降，SCC电极进入裂纹扩展阶段。当l和逐渐趋于0时，表明噪声峰完全消失，SCC试验电极裂纹尖端处于快速阳极溶解状态，并进入快速撕裂阶段。
Claims (4)
1.基于电化学噪声的应力腐蚀开裂在线监测装置，其特征在于，包括参比电极RE （1）,SCC_WE2试验电极（2）, SCC_WE1试验电极（3），橡胶密封圈（4），夹套电解池（5），应力环（6），拉力计（7），零阻电流计（8），电位跟随器（9），以及信号采集与分析单元（10）；
夹套电解池（5）放置在应力环（6）内，并且与拉力计（7）连接；
所述的SCC_WE1试验电极（3）和SCC_WE2试验电极（2）为同材质的圆棒形金属试样，SCC_WE1试验电极（3）居于夹套电解池（5）正中，四只或者六只SCC_WE2试验电极（2）对称分布在SCC WE1试验电极（3）的四周；SCC_WE1试验电极（3）和SCC_WE2试验电极（2）底部套上橡胶密封圈（4）后安装到夹套电解池（5）内；
夹套电解池（5）温度控制在35~60℃，以模拟下井下环空溶液温度，夹套电解池（5）内充入模拟环空保护液，组成为0.2mol/L Na2CO3、0.5mol/L NaHCO3、0.5mol/L NaCl和100mg/LNa2S；SCC_WE1试验电极（3）除中间5~10mm长的圆棒表面暴露外，其余与溶液接触表面均采用有机硅树脂进行保护；
零阻电流计（8）分别与SCC_WE1试验电极（3）和SCC_WE2试验电极（2）连接，零阻电流计（8）通过精密电流电压转换电路将来自SCC_WE1试验电极（3）和SCC_WE2试验电极（2）的噪声电流放大；
电位跟随器（9）分别与SCC_WE1试验电极（3）、参比电极RE（1）连接，电位跟随器（9）通过高阻电压跟随器电路将来自SCC_WE1试验电极（3）相对于参比电极RE（1）的噪声电压信号进行阻抗变化；
零阻电流计（8）、电位跟随器（9）均与信号采集于分析单元（10）连接，所有信号送入到信号采集于分析单元（10）。
2. 根据权利要求1所述的基于电化学噪声的应力腐蚀开裂在线监测装置，其特征在于，所述的信号采集与分析单元（10）主要包括两个多通道低通滤波器（11），两个A/D转换器（12），以及显示器/键盘接口（13）、单片机（14）、USB通信端口（15）和Flash ROM 非易失存储器（16）；
两个多通道低通滤波器（11）分别与零阻电流计（8）、电位跟随器（9）连接，每个多通道低通滤波器（11）分别连接一个A/D转换器（12），两个A/D转换器（12）均与单片机（14）连接；单片机（14）还连接有USB通信端口（15）、非易失存储器（16）、显示/键盘接口（13）。
3.电化学噪声分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用权利要求书1或2所述的基于电化学噪声的应力腐蚀开裂在线监测装置采集应力腐蚀开裂过程中的电位与电流噪声信号，并用Matlab编制的分析程序计算噪声峰的寿命L c 、幅值A c 、积分电量q c 特征参数；
（2）将特征参数值不同的电化学噪声峰进行分类，不同的腐蚀事件伴随着不同类型的电流/电位噪声峰，包括亚稳态点蚀事件和裂纹事件；
（3）对点蚀事件所产生的亚稳态点蚀峰进行统计分析，根据其形核速率l的大小来判断局部腐蚀速率的快慢，与由电位电流标准偏差值求出的噪声电阻R n 比较，可发现结果的一致性；通过对裂纹事件噪声峰的寿命分析可以得出单次裂纹的生长时间，由积分电量值可以得出单次裂纹生长长度，根据生长时间的长短和裂纹长度的大小来比较其应力腐蚀开裂敏感性；
（4）以定长时间为统计窗口，对电化学噪声信号的形核速率l、平均积分电量进行统计分析，根据l和随时间的变化曲线可判断SCC裂纹萌生阶段、裂纹扩展阶段和快速断裂阶段的时间点。
4.根据权利要求3所述的电化学噪声分析方法，其特征在于，步骤（2）中，不同的腐蚀事件区分标准为：寿命短3~5s、幅值低0.01~1 μA、积分电量小0.1~1.0 mC的噪声峰代表发生了与亚稳态点蚀事件，寿命长>30s、幅值高>1 μA、积分电量大>30 mC的强电流电位噪声峰代表发生了裂纹事件。
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