一種在線檢測金屬減薄速率的試樣及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬減薄速率的測試，具體是一種通過在線對金屬減薄速率進行檢測的試樣結(jié)構(gòu)及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料的腐蝕與磨損是工程設(shè)備中常見的老化、失效機制，對于重要的設(shè)備系統(tǒng)，尤其是高溫高壓環(huán)境系統(tǒng)，承壓設(shè)備金屬材料的減薄嚴重影響設(shè)備的運行安全。因此，人們希望在系統(tǒng)中安裝材料減薄速率監(jiān)測裝置，或者安裝監(jiān)測試片。然而，很多監(jiān)測裝置，如超聲波測厚等，需要拆卸高溫裝置的保溫層，施工比較麻煩，因而經(jīng)常導(dǎo)致檢測疏忽，釀成事故。另外，研宄人員在研宄金屬材料均勻腐蝕、磨料磨損、流動加速腐蝕減薄速率時，通常采用取樣觀察的方法，導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)較少，不直觀。
[0003]通常情況下，例如金屬材料在核電廠、火電廠、化工廠等高溫高壓水環(huán)境中均勻腐蝕、或流動加速腐蝕減薄速率(以下稱“減薄速率”)的值一般很小，傳統(tǒng)測量方法包括:
[0004](I)掛片法:通過定期取樣，測量試樣的重量、厚度變化。優(yōu)點是簡單，可靠，適合高溫高壓環(huán)境實驗，缺點是測量結(jié)果分散，且不具有連續(xù)性，在對試樣的數(shù)據(jù)處理過程中會引入較大的誤差，并且操作比較困難。同時，如果要改變單一試驗條件，就需要重新準備試樣，不僅操作工作量大，更換試樣對數(shù)據(jù)的一致性有影響，因此就需要進行大量掛片和數(shù)據(jù)平均的統(tǒng)計工作；
[0005](2)超聲波測厚法:利用超聲波反射原理，測量物體厚度。優(yōu)點是無損，方便，缺點是需要貼近被測物體，高溫下無法測量，對于高溫高壓裝置必須拆除原保溫隔熱層，工作量比較大；
[0006](3)電阻法:利用四點法測量試片電阻變化，進而推算試樣截面尺寸的變化規(guī)律。優(yōu)點是簡單，可在線測量，缺點是容易受到工質(zhì)溫度及實驗室環(huán)境干擾，無法消除材料在高溫下時效帶來的電阻率變化的影響。
[0007]因此，希望能夠出現(xiàn)一種在線檢測金屬減薄速率的試驗裝置和測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種在線檢測金屬減薄速率的試樣及方法，采用新型的、帶有參比段的試樣結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)電測法在線測量試樣在腐蝕環(huán)境、磨損環(huán)境下的減薄速率，消除工質(zhì)溫度波動、環(huán)境溫度變化、以及材料在長期時效后電阻率的變化所帶來的測量誤差，通過采用無量綱信號參數(shù)，實現(xiàn)測試方法與材料物理性質(zhì)的無關(guān)性，建立純粹的測量信號與幾何尺寸的關(guān)系，不僅在低溫低壓環(huán)境可以使用，在高溫高壓等環(huán)境下也可實現(xiàn)金屬材料的在線減薄速率測量，提高測試精度。
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0010]一種在線檢測金屬減薄速率的試樣，所述試樣具有壁厚不同的兩段，其中壁厚較厚的厚壁段作為參比段，壁厚較薄的薄壁段作為測試段，直流恒流電通過直流電流電極串聯(lián)通入試樣的厚壁段和薄壁段，在厚壁段和薄壁段上分別安裝參比電極和直流電壓降電極，分別測量兩段上的電壓降，并結(jié)合厚度幾何尺寸，得到試樣厚度隨時間的變化。
[0011]所述試樣呈片狀，其底面為試驗面，焊接電極面為測量面，或者，所述試樣呈管狀，其內(nèi)壁為試驗面，外壁為測量面。
[0012]所述直流電流電極焊接在試樣端部的中心部位，參比電極和直流電壓降電極分別在試樣的厚壁段和薄壁段上對稱布置，每對電極中的兩個極間距相同，也可以間距不同，間距相同，可簡化減薄速率計算過程。
[0013]所述參比電極和直流電壓降電極位置分別位于其所在的厚壁段和薄壁段的對角線上。
[0014]所述參比電極和直流電壓降電極位置距離邊緣0.1?0.2倍的試樣寬度或直徑。
[0015]一種在線檢測金屬減薄速率的方法，采用上述的試樣完成，包括步驟如下:
[0016]I)、將試樣與其周圍設(shè)備絕緣放置；
[0017]2)、量出試樣的初始厚壁段和薄壁段的壁厚幾何尺寸a和g，作為初始厚度；
[0018]3)、當?shù)竭_試驗工況或運行工況后，設(shè)定好注入電流，記錄厚壁段和薄壁段上的參比信號和直流電壓降信號的電壓降值；
[0019]4)、采用多點平均的方法，獲得上述兩個信號的準確測量值，分別記錄為試樣的初始參比信號和直流電壓降信號的電壓降Vmkici和V a00；
[0020]5)、在試驗或者設(shè)備正常運行過程中，試樣的測量面不斷減薄，假設(shè)試樣的厚壁段和薄壁段單面減薄均勻，且減薄速率相同，保持與初始測量時相同的電流，通過多點平均的方法測量參比信號和直流電壓降信號線上的電壓降，得到過程中ν—和Val隨運行時間的變化規(guī)律；
[0021]6)、壁厚的計算采用過程信號與初始信號對比的方法進行計算，反推得到壁厚隨時間變化曲線，得到減薄速率k。
[0022]所述試樣為片狀時，所述步驟6)的計算方法如下:
[0023]首先，將過程電測信號與參比信號相比，獲得無量綱的DCPD信號初始信號Vatl和過程信號和Va:
[0024]Va0= V aoo/VrefooVa= V al/Vrefl； (I)
[0025]然后，假設(shè)在試驗時間點t的減薄量為X，試樣上厚薄兩段的電阻率相同，試樣寬度相同，則通過壁厚與無量綱DCPD信號的推導(dǎo)計算，可得到壁厚減薄與過程中VJP V a(l的關(guān)系:
[0026]X = a (YJYa0-1) / [ (YjYa0).(a/g) -1 ].(2)
[0027]將減薄量X與時間做圖，得到x-t曲線，由于在實驗時間內(nèi)，試樣壁厚變化量較小，壁厚變化與時間t呈線性變化關(guān)系，即X = kt，因而可得到擬合直線斜率k即為減薄速率。
[0028]在金屬減薄速率較慢時，Va/Va0^ 1，如果a/g?l，則減薄量x:
[0029]X ^ g(Va/Va0-l) (3)。
[0030]所述試樣為管狀時，所述步驟6)是利用有限元分析軟件進行電學模擬計算，得出電勢分布，選擇合適的電勢測量點，選取好測量點之后，根據(jù)測點計算出壁厚減薄與直流電壓降信號的關(guān)系，建立減薄量與測量數(shù)據(jù)關(guān)系曲線，在測量過程中，根據(jù)關(guān)系曲線通過差值獲得測量值與減薄量的關(guān)系，再通過線性擬合，計算出減薄速率k。
[0031]在加載恒定電流后，電勢測點兩端的電流近似均勻，根據(jù)歐姆定律得到電勢測點之間管狀試樣的電阻值R = U/I，u是電勢測點間的電勢差，I為加載的恒定電流，具有規(guī)則形狀的均勻材料的電阻值通過R= PL/S得到，P為材料在所處環(huán)境下的電阻率，跟環(huán)境溫度等有關(guān)；L為電勢測點間的水平距離；S為管狀試樣的橫截面積，因此，測量得到的電勢差U= IpL/S，其中1、L為常數(shù)，P在具體的環(huán)境中由材料性質(zhì)決定，通過測量電勢差能夠反映出厚度的變化，實現(xiàn)在線測量。
[0032]在本發(fā)明中，采用了直流電壓降(DCPD)方法測量試樣的厚度變化，可以比較容易地實現(xiàn)厚度變化的在線測量。在試樣設(shè)計中增加了與被測段厚度不同的參比段，通過兩段上所測電壓降信號的對比，使信號無量綱化，從而可實現(xiàn)以下功能:
[0033](I)消除由于材料長期在高溫環(huán)境下時效導(dǎo)致的電阻率變化；
[0034](2)消除由于環(huán)境溫度、工質(zhì)溫度波動帶來的信號干擾，大大提高數(shù)據(jù)的可靠性；
[0035](3)采用無量綱信號，信號僅與參比段和測量段的厚度幾何尺寸有關(guān)，與材料本身的物性參數(shù)無關(guān)，可適用于各種金屬材料；
[0036](4)信號線對角布置，可以全面覆蓋被測試樣標準長區(qū)域表面狀態(tài)。
[0037]本發(fā)明所提供的在線檢測金屬減薄速率的試樣設(shè)計及測試方法，相比已有技術(shù)，具有以下特點:
[0038](I)采用試樣本身設(shè)計兩個厚度段作為參比段和測試段，可在測試過程中考慮由于材料長期在高溫環(huán)境下時效導(dǎo)致的電阻率變化所帶來的影響；
[0039](2)參比段的引入同時也可以抵消大部分由于環(huán)境溫度、工質(zhì)溫度波動帶來的信號干擾，大大提高數(shù)據(jù)的可靠性；
[0040](3)采用無量綱信號，信號僅與參比段和測量段的厚度幾何尺寸有關(guān)，與材料本身的物性參數(shù)無關(guān)，可適用于各種金屬材料；
[0041](4)信號線對角布置，可以全面覆蓋被測試樣標準長區(qū)域表面狀態(tài)。
【附圖說明】
[0042]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0043]圖1為本發(fā)明所提供的片狀試樣結(jié)構(gòu)原理圖；
[0044]圖2為本發(fā)明所提供的管狀試樣結(jié)構(gòu)原理圖。
【具體實施方式】
[0045]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0046]本發(fā)明是采用直流電位測量方法，利用特殊的試樣設(shè)計，形成兩個厚度的試樣，將直流電串聯(lián)通入兩個厚度的試樣，并分別測量兩個厚度上電壓降，根據(jù)兩個厚度上的電壓降計算試樣厚度的變化。試樣結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，其中片狀試樣底面為試驗面，焊接電極面為測量面；管狀試樣的內(nèi)壁為試驗面，外壁為測量面。
[0047]如圖1所示，其中厚壁段一般作為參比段，薄壁段為測試段。將恒定電流的直流電通過圖1中的電流電極I串聯(lián)通入試樣兩個厚度段，并分別測量兩個厚度上電壓降，通過記錄試樣上兩厚度段上初始電壓降和運行過程中的電壓降對比，計算得出無量綱的電壓降信號，根據(jù)兩個厚度上的電壓降無量綱參數(shù)和試樣上厚