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创新实习报告提交版

创新实习报告

题目名称应力集中与腐蚀检测实习

学院（系）机械工程学院

专业班级材料成型及控制工程10702班

学生姓名邵耀

指导教师吴文秀

日期2011-2-21至2011-3-18

目录

1.……………………………………………………………………..........3

1.1………………………………………………………………………..…...3

1.2………………………………………………………………………..…...3

1.3...........................................................................................................4

1.4...........................................................................................................................4

1.5...........................................................................................................................7

2.……………………………………………………………………..…8

2.1……………………………………………………....….…………………..8

2.2……………………………………………………………….……………..8

2.3…………………………………………………………….………………..8

2.4………………………………………………………………………..…...8

2.5....................................................................................…………………..10

2.6...................................................................................................……………10

2.7...............................................…………………..….............…………….11

2.8.....................................................................................................………….12

3.........................................................………12

4参考文献................................................................................................................13

创新实习报告

（一）腐蚀检测实习

1.1选题背景

石油当中的酸性物质包括脂肪酸、环烷酸、芳香酸及其它物质如硫醇、酚类、硫化氢、无机酸等统称为石油酸，约占原油的1％～2％，而环烷酸占石油酸的90％左右。

当今原油市场上高酸原油产量每年约占全球总产量的5％，并且仍以0．3％的速度增长【1】。

据估计远东增产5％的高酸原油，北欧45％，美洲113％，西非高达375％。

主要原因是中国、西非、印度、俄罗斯、美国加利佛尼亚、北海和委内瑞拉等地高酸原油的发现与开采。

我国高酸原油数量和种类也呈上升趋势，酸值不断升高并逐渐变重，主要原因是流花、蓬莱、秦皇岛等海上含酸原油的开采利用，且胜利、辽河、克拉玛依三个老油田均属高酸值油田。

1.2腐蚀的概念

广义的腐蚀指材料与环境间发生的化学或电化学相互作用而导致材料功能受到损伤的现象。

狭义的腐蚀是指金属与环境间的物理-化学相互作用，使金属性能发生变化，导致金属，环境及其构成系功能受到损伤的现象。

腐蚀的类型可分为湿腐蚀和干腐蚀两类。

湿腐蚀指金属在有水存在下的腐蚀，干腐蚀则指在无液态水存在下的干气体中的腐蚀。

由于大气中普遍含有水，化工生产中也经常处理各种水溶液，因此湿腐蚀是最常见的，但高温操作时干腐蚀造成的危害也不容忽视。

湿腐蚀金属在水溶液中的腐蚀是一种电化学反应。

在金属表面形成一个阳极和阴极区隔离的腐蚀电池，金属在溶液中失去电子，变成带正电的离子，这是一个氧化过程即阳极过程。

与此同时在接触水溶液的金属表面，电子有大量机会被溶液中的某种物质中和，中和电子的过程是还原过程，即阴极过程。

常见的阴极过程有氧被还原、氢气释放、氧化剂被还原和贵金属沉积等。

随着腐蚀过程的进行，在多数情况下，阴极或阳极过程会因溶液离子受到腐蚀产物的阻挡，导致扩散被阻而腐蚀速度变慢，这个现象称为极化，金属的腐蚀随极化而减缓。

干腐蚀一般指在高温气体中发生的腐蚀，常见的是高温氧化。

在高温气体中，金属表面产生一层氧化膜，膜的性质和生长规律决定金属的耐腐蚀性。

膜的生长规律可分为直线规律、抛物线规律和对数规律。

直线规律的氧化最危险，因为金属失重随时间以恒速上升。

抛物线和对数的规律是氧化速度随膜厚增长而下降，较安全，如铝在常温氧化遵循对数规律，几天后膜的生长就停止，因此它有良好的耐大气氧化性。

腐蚀的形态可分为均匀腐蚀和局部腐蚀两种。

在化工生产中，后者的危害更严重。

1.3常用的腐蚀检测方法

目前常用的腐蚀检测方法有：

氢气流量测定法、试样失重法、电阻法（ER）、现场电阻分布法（FSM）、声放测量法（AE）、超声测量法（UT）、电化学交流阻抗法（EIS）、电化学噪音法（ECN）、线性极化法（LPR）、动电位极化法、放射性示踪法、零电阻法（ZRA）、耦合多极矩阵传感器（CMAS）等。

1.4金属腐蚀测试

1.4.1超声波测厚仪基本原理：

超声波测厚仪是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过超声波测厚仪被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。

凡能使超声波以一恒定速度在其内部传播的各种材料均可采用此原理测量。

按此原理设计的测厚仪可对各种板材和各种加工零件作精确测量，也可以对生产设备中各种管道和压力容器进行监测，监测它们在使用过程中受腐蚀后的减薄程度.可广泛应用于石油、化工、冶金、造船、航空、航天等各个领域。

对某种材料而言，如果此种材料的声速c已知，那么测得超声波在材料厚度方向上两个表面反射波的时间差t，就可求出材料的厚度d为【3】：

d=ct/2

（1）

超声波测厚仪

本测厚系统由两大模块组成，即超声波发射接收电路部分和单片机部分。

超声波发射接收电路部分由系统电源模块、发射接收放大电路、可调增益放大检波电路、门选电路和上升沿触发信号等电路组成;单片机部分由最小系统模块、LCD模块、计数模块、按键控制模块、电源模块和串行通信模块组成[4]。

超声波发射接收电路部分用于产生激发探头所需的激励脉冲和接收反射回来的超声波信号，并将其放大、检波和门选;计数模块将超声波发射接收电路传过来的信号转换成可计数的具有厚度值脉宽的矩形波;LCD模块用于显示经单片机计算出的厚度值;串行通信模块用于将厚度值传送到上位机;按键控制模块用于控制测厚系统的开启和初始化。

系统组成如图1所示。

图1系统组成

1.4.2腐蚀试验设备

TH100超声波测厚仪、待测材料

图2TH100超声波测厚仪

1.4.3试验过程

系统采用脉冲反射式测厚法，探头采用耦合剂浸聚焦纵波直探头检测壁厚。

超声波测厚仪原理如图4所示。

发射电路输出一个上升时间很短、脉冲很窄的周期性电脉冲，通过电缆加到探头上，激励压电晶片产生超声波脉冲。

探头发出的超声脉冲进入工件后，在工件的上、下两表面形成多次反射。

反射波经压电晶片再转换成电信号，经接收电路放大后，由计数电路测出声波在工件两个表面之间的传播时间t，从而获得工件的厚度d。

超声波发射电路是将一个上升时间很短、脉冲很窄、幅度很大的发射脉冲加在探头上，激励探头产生脉冲超声波的电路;超声波接收电路则将超声反射波采用探头接收后转变成的电脉冲放大、整形，提供给示波器。

将得到的图3波形经触发器D整形后用82C54模块对其计数，计数周期可达0.04μm，对厚度值用液晶屏显示。

图5超声波测厚仪原理图

检测步骤：

①、准备试验，接通电路；

②、在标准准块上涂抹耦合剂，校准检测数据；

③、在试验件上涂抹耦合剂，分别检测1、2、3、4号位置和板厚；

④、记录数据，检测结束。

1.4.4试验结果

表1试验结果

校准值

1

2

3

4

板厚

4.0

3.0

3.8

3.5

2.8

3.5

1.4.5讨论

上述试验中，标准块的厚度为4.0mm，其校准值也是准确的4.0mm。

试验块的厚度为3.5mm，1、2、3、4处分别腐蚀后的测试点，但是2、3处的测试值明显失真。

并且在试验过程中，偶尔会出现无示值和示值闪烁不稳定的现象。

1.4.6超声波测厚示值失真的预防措施及注意事项

由以上产生示值失真的原因分析，在现场检测中就应采取相应措施，进行事前积极预防，避免造成事故隐患或不必要的浪费。

为此，根据几年来的跟踪检测经验，归纳总结如下几点，作为预防超声测厚示值失真的预防措施。

（1）、正确选用测厚探头

①测曲面工件时，采用曲面探头护套或选用小管径专用探头（φ6mm）,可较精确的测量管道等曲面材料。

②对于晶粒粗大的铸件和奥氏体不锈钢等，应选用频率较低的粗晶专用探头（2.5MHz）.

③测高温工件时，应选用高温专用探头（300－600°C），切勿使用普通探头。

④探头表面有划伤时，可选用500#砂纸打磨，使其平滑并保证平行度。

如仍不稳定，则考虑更换探头。

（2）、对被检物表面进行处理。

通过砂、磨、挫等方法对表面进行处理，降低粗糙度，同时也可以将氧化物及油漆层去掉，露出金属光泽，使探头与被检物通过耦合剂能达到很好的耦合效果。

（3）、正确识别材料，选择合适声速。

在测量前一定要查清被测物是哪种材料，正确预置声速。

对于高温工件，根据实际温度，按修正后的声速预置或按常温测量后，将厚度值予以修正。

此步很关键，现场检测中经常因忽视这方面的影响而出错。

（4）、正确使用耦合剂。

首先根据使用情况选择合适的种类，当使用在光滑材料表面时，可以使用低粘度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶表面时，应使用粘度高的耦合剂。

高温工件应选用高温耦合剂。

其次，耦合剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温度较高时，耦合剂应涂在探头上。

（5）、特殊情况的处理

①检测时发现数值明显偏离预期值，应用超声波探伤仪进行辅助判断。

当发现背面有腐蚀凹坑时，这个区域测量就得十分小心，可选择变换分割面角度作多次测量。

②当测量复合外形的工件（如管子弯头处）时，可采用〔一、1、

（1）〕介绍的方法，选较小的数据作为该工件在测量点处的厚度。

③被测工件的另一表面必须与被测面平行，否则得不到满意的超声响应，将引起测量误差或根本无读数显示。

④对于层叠材料、复合材料以及内部结构特异的，常见的应用超声反射原理测量厚度的仪器就不适用。

1.5实习创新

我们使用的TT100超声波测厚仪检测腐蚀情况，然而这个仪器在测试的时候试件表面必须

经过打磨的，所以很费试件和力气，如果我们能加入智能识别系统一定可以省去大量的时间。

（二）应力集中检测实习

2.1选题背景

应力集中是指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。

对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。

所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。

对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。

因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。

2.2应力集中的概念

应力集中是指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。

2.3测试方法

工程中常采用无损检测（NondestructiveTesting简写为NDT）的方法检测设备与构件的缺陷，传统的NDT方法有超声、涡流、磁粉、着色等。

但这些方法只能检测已经发展成形的缺陷，对于因应力集中而引发的疲劳断裂的早期诊断问题则无能为力。

另一方面，传统的NDT方法具有设备体积大、劳动强度大、操作复杂、对人员素质要求高等缺点，且每一种方法都有各自的局限性【1~4】。

1997年在美国旧金山举行的第50届国际焊接学术会议上，俄罗斯科学家提出被誉为21世纪的NDT新技术——金属磁记忆（MMM）技术【3】。

MMM检测技术可以准确探测出被测对象上以应力集中区为特征的危险部件和部位，是迄今为止对金属部件进行早期诊断唯一行之有效的NDT方法。

2.4磁记忆应力集中测试原理与仪器

2.4.1金属磁记忆检测原理【4】

为满足系统能量总是向着能量最小的方向发展的趋势，晶体中会产生磁致伸缩现象。

磁致伸缩是指一切伴随着铁磁性物质的磁化状态而产生的大小和形状的变化，同时也包括由应力产生的磁化状态的变化。

铁磁物质磁化时其长度发生变化的效应称为线性磁致伸缩，而体积发生变化时称为体积磁致伸缩。

该效应的产生使单晶在晶轴方向磁化时发生线性磁致伸缩，大小可用磁致伸缩系数λ表示，即

（1）

式中，

—晶体在某晶轴上的长度；

—由于磁致伸缩引起的该晶轴方向上长度变化量。

λ为正时表现为沿晶轴方向伸长，为负时则表现为缩短现象。

通常磁致伸缩现象的产生会引起磁弹性能的改变，它的存在使得自发磁化强度的方向发生变化。

当弹性应力作用于铁磁体时，还会产生磁弹性效应，即由于应力作用，铁磁体不但会产生弹性效应，还会产生磁致伸缩性质的应变的现象，从而引起磁畴壁的位移，改变自发磁化的方向。

其产生是因为铁磁物质受到外力作用后，会在磁晶体内增添应力能引起的。

磁致伸缩系数λ为正时，畴壁趋向平行于张力的方向；λ为负时，将趋向垂直张力。

铁磁体在受到外应力作用下，磁晶体内总的自由能E比没有受到外力时多出了应力能部分，可以表述为：

（2）

其中，

为磁晶各向异性能；

为磁弹性能；

为弹性能；

为由应力引起的应力能。

由“能量最小”原则，只有减小应力能使其趋于最小，或改变原有的磁弹性能才能使E最小，从而使磁体处于稳定状态。

外力存在时，应力存在或残余应力会使应力能增加。

应力引起的形变及其引起的磁体内的自发磁化方向的改变将会增加磁弹性能，来抵消应力能的增加。

以上即为外力作用会使铁磁体产生磁致伸缩性质的形变，从而磁畴壁发生位移，改变自发磁化方向的原因。

因此，铁制工件在运行时，受工作载荷和地球磁场的共同作用，在应力和变形集中区域内会发生组织定向的和不可逆的重新取向，而且这种状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用力有关。

工件由于受工作载荷的作用，其残余磁性会发生改变和重新分布，并在表面形成漏磁场，在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化。

这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集中的位置，即所谓的“磁记忆效应”。

此时，表面漏磁场的切向分量Hp（x）具有最大值，而法向分量Hp（y）改变符号且具有零值点。

如图1所示，通过检测构件表面的宏观漏磁场即可以检测到焊接接头内部应力集中的存在及应力集中的程度。

实际中通过漏磁场法向分量Hp（y）的测定，便可以准确的推断工件的应力集中区【6】。

图1铁磁性部件缺陷或应力集中区域磁场分布示意图

2.4.2主要诊断设备

基于金属磁记忆原理，目前国内已经研制出了磁记忆检测仪器EMS—2000及其配套数据处理软件系统M3DPS【4~6】；而目前国外同类产品是由俄罗斯开发的TSC-1M型应力集中磁指示仪。

该仪表采用金属磁记忆法检测结构应力—变形状态，配有专用四通道铁磁探测式传感器，能够根据检测得的磁场法向分量强度值和变化特性，对结构应力－变形状态进行评价。

TSC－1M型技术磁记忆检测仪功能较强、灵敏度较高、适用性强。

其配套数据处理软件MM－CYSTEM具有较丰富的图形显示和灵活的打印功能，目前该套仪器在多个国家得到推广和应用。

A10-EMS-2000智能化磁记忆金属诊断仪是根据金属磁记忆效应原理,采用最先进的微电子技术,计算机技术和磁记忆检测技术研制而成的新一代无损检测仪器。

实验证明,在交变载荷的作用下，在役铁磁性工件的缺陷和夹杂部位,会产生磁畴归一现象，并在其上出现漏磁场。

在缺陷位置和/或内应力相对集中的地方，金属导磁率最小,其磁场切向分量具有最大值，而法向分量则改变符号，具有零值。

对工件表面漏磁场法向分量进行扫描检测,便可确定应力集中区域，从而间接地判断该铁磁性工件是否存在缺陷。

2.5金属磁记忆（MMM）检测

2.5.1测试试件

拉伸件

2.5.2试验过程

①、接好电路，打开配套检测软件，设置检测参数；

②、采集前，分别将探头朝上和朝下空测；

③、将检测对象平放，开始检测，探头在工件表面（不与工件接触）匀速走过，得到完整的图像后，结束检测。

④、查看检测结果，点击软件界面上K值按钮，就可以看到检测的二维图。

⑤、保存结果，试验结束；。

2.6检测结果

①采集的工件便面磁通量面积图，如下图所示。

②二维图下图所示。

可读取每一点的磁场强度、斜率及两点间的差值。

2.7磁记忆法（MMM）的优缺点

现场检测结果表明磁记忆法（MMM）具有下列优点：

1）、不需要采用专门的磁化装置,而是利用构件的自发磁化现象;

2）、不需要对构件表面进行专门的清理,可保持零部件在原始状态下进行检测;

3）、探头提离效应小,采用传感器探测时可离开金属表面（提离几mm甚至几十mm对检测结果影响不大）,是目前唯一能以1mm精度确定应力集中区的方法;

4）、不需要采用耦合技术,添加耦合剂,特别适合野外操作;

5）、与其它磁检测法相比,它可快速准确测定应力集中区（100m/h）,且检测灵敏度高。

其缺点是由于它是一种弱磁信号检测方法,信号易受下列因素干扰,如材质、缺陷大小和种类、外激励或残余磁场的大小和方向以及表面粗糙程度等。

检测时只能发现缺陷可能出现的危险部位,尚不能对缺陷的形状和大小及性质进行定性定量的具体分析。

2.8应力集中测试实习创新

由于我们所使用的应力集中测试仪器不能进行位移的跟踪，如果我们能够在测试仪上在加上一个位移传感器，则测试结果会直接显示出应力集中较大的区间。

3总结

通过本次实习，我更加深入的了解了腐蚀检测与应力集中检测的方式方法，知道了应力和腐蚀的更多的概念。

通过亲身实践和与同学配合，更曾加了我的动手能力和团队合作能力。

可以说，这次实习我受益匪浅。

在老师和同学的热心帮助下，我顺利的完成例此次实习。

参考文献

【1】林俊明，林春景，林发炳.基于磁记忆效应的一种无损检测技术[J].无损检测，2000，23（7）：

297～299。

【2】任吉林，唐继红，邬冠华，等.金属的磁记忆效应[J].无损检测，2001，23（4）：

154～156。

【3】张卫民，董韶平，张之敬.金属磁记忆技术的现状与发展[J].中国机械工程，2003，14（10）：

892～895。

【4】任吉林，林俊明，池永滨，等.金属磁记忆技术[M].北京：

电力出版社，2000。

【5】DoubovAA.Methodofmagneticmemoryofmetals[J].Tyazheloeashinostroenie,2003（8）:

6～7.

【6】林俊明，林春景，林发炳，等.NDT新技术EMS-2000金属诊断仪的原理与应用[J].无损探伤，2003（3）:

32～34.

【1】张雷，赵杉林，田松柏高温环烷酸腐蚀行为及腐蚀测试方法的研究进展山东化工2006年第35卷

【2】目前常用的服饰检测方法全面腐蚀控制2008年4月

【3】吴伏家，赵长瑞，尹晓霞超声波测厚系统的研究现代制造工程2009年第11期

【4】徐及，刘莉使用超声波测厚仪应注意的问题

【5】张士奇影响超声波测厚仪测量准确性的因素校准与测试

【6】宋旭青，覃林涛影响超声波测厚仪示值的因素分析和改进措施无损探伤2010年10月