一种腐蚀电化学噪声处理及局部腐蚀状态识别方法及系统

本发明涉及金属腐蚀监测与电化学信号处理，尤其涉及一种腐蚀电化学噪声处理及局部腐蚀状态识别方法及系统。

背景技术：

1、二氧化碳输送、纯氢或掺氢天然气输送、液氨输送和甲醇输送是新能源储运体系的重要组成部分。当介质中存在水分、氧、酸性杂质、卤素离子或其他可形成离子导电相的组分时，管壁表面可能形成连续或间歇的薄液膜、冷凝液滴或电解质富集区，导致局部阳极溶解、膜层破坏、点蚀发展。在实际服役过程中，内压、温度波动、残余应力、焊接应力和地层位移等应力因素还可能进一步影响腐蚀行为。

2、电化学噪声（en）技术能够在不施加外部极化扰动的条件下记录金属腐蚀体系自发产生的电位噪声（epn）和电流噪声（ecn），对局部腐蚀瞬态具有较高敏感性，已被用于新能源管道腐蚀监测场景。

3、然而，实际采集的电化学噪声通常是多种界面过程的混合响应，短寿命膜破裂—恢复、亚稳态点蚀、持续性局部阳极溶解以及仪器背景扰动可能在时间和频率范围内相互重叠；仅依据时域峰值、功率谱密度或单一统计量，难以区分不同响应的来源。

4、变分模态分解（vmd）和独立成分分析（ica）已分别被用于机械振动、声发射等领域的信号降噪与特征提取，但现有方案缺少针对腐蚀电化学噪声物理来源的成分判别规则；独立成分分析还存在幅值不确定性，若不进行幅值回映射和重构质量验证，所得成分的能量难以与原始电化学响应建立稳定关系。此外，不同介质、管道材料和工况下的噪声幅值与频率范围存在差异，采用固定幅值阈值直接判断腐蚀状态，容易受到材料、电极面积、介质电导率和采样条件的影响，导致局部腐蚀状态判断结果稳定性不足。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种腐蚀电化学噪声处理及局部腐蚀状态识别方法及系统，本发明的目的在于克服现有技术中混合电化学噪声来源难以区分、独立成分幅值不确定以及局部腐蚀状态判断受工况影响较大的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种腐蚀电化学噪声处理及局部腐蚀状态识别方法，包括：

4、获取金属管道材料在腐蚀介质作用下产生的电流噪声信号；所述金属管道材料在腐蚀介质作用过程中处于未施加机械载荷状态，或者处于外加载荷、残余应力、内压载荷或其组合的作用状态；将电流噪声信号划分分析窗口，得到标准化电流噪声；

5、对标准化电流噪声进行变分模态分解，获得多个模态分量，由多个模态分量构建虚拟多通道观测矩阵，并对虚拟多通道观测矩阵进行盲源分离，得到多个独立电化学响应成分；

6、将各独立电化学响应成分映射至标准化电流噪声的幅值空间，得到各映射成分，并计算各映射成分的主导频率、相对能量贡献以及与标准化电流噪声之间的相关性；

7、基于主导频率、相对能量贡献和相关性，将映射成分至少划分为短时局部活化成分、持续性局部阳极溶解成分和低关联背景成分，选择短时局部活化成分与持续性局部阳极溶解成分重构电流噪声；

8、计算重构电流噪声与标准化电流噪声之间的重构相关系数和残余能量占比，仅当重构相关系数和残余能量占比满足预设可靠性条件时，进入局部腐蚀状态识别；

9、计算持续性局部阳极溶解成分在腐蚀相关成分中的相对能量贡献，得到低频持续性腐蚀指数，将低频持续性腐蚀指数与预先建立的基准分布或分级阈值进行比较，在连续多个分析窗口满足判别条件时输出局部腐蚀状态。

10、作为进一步的技术方案，所述腐蚀介质包括二氧化碳、纯氢、掺氢天然气、液氨、气态氨、甲醇、甲醇蒸气中的一种或多种；所述腐蚀介质中存在由水分、冷凝液、含水杂质、溶剂或电解质污染形成的连续或间歇离子导电相。

11、作为进一步的技术方案，所述分析窗口采用固定窗口或滑动窗口划分，并对电流噪声信号进行去趋势和标准化处理，得到标准化电流噪声；其中，所述去趋势采用线性拟合、分段多项式拟合或稳健局部回归，所述标准化采用当前窗口内去趋势信号的均值和标准差进行z-score标准化。

12、作为进一步的技术方案，将多个模态分量按行排列形成虚拟多通道观测矩阵；所述盲源分离采用快速独立成分分析实现，包括对虚拟多通道观测矩阵进行主成分分析去相关和白化，再通过最大化非高斯性迭代求解，得到多个独立电化学响应成分。

13、作为进一步的技术方案，在每一分析窗口内，按照各映射成分的主导频率由低到高进行排序，并结合介质—材料基准库中的主导频率参考区间将映射成分划分为低频候选组和高频候选组；在相对能量贡献不低于预设能量阈值或相关性不低于预设相关性阈值的映射成分中，将属于高频候选组且以短时瞬态为主的映射成分确定为短时局部活化成分，将属于低频候选组且保留电流基线迁移或长周期起伏的映射成分确定为持续性局部阳极溶解成分；将相对能量贡献和相关性均低于相应阈值且未随腐蚀暴露过程呈稳定变化的映射成分确定为低关联背景成分；当设置不同载荷工况时，还结合各映射成分随载荷变化的规律进行判别；不同分析窗口按照主导频率排序及特征规则重新匹配各映射成分，映射成分编号不作为固定物理含义。

14、作为进一步的技术方案，当重构相关系数和残余能量占比不满足预设可靠性条件时，在预设参数范围和预设最大调整次数内，调整分析窗口长度、变分模态分解的模态数、惩罚因子及腐蚀相关成分集合中的至少一项；每次调整后重新进行变分模态分解、盲源分离、幅值映射和信号重构，并重新计算重构相关系数和残余能量占比；当满足预设可靠性条件时进入局部腐蚀状态识别，当达到预设参数边界或预设最大调整次数后仍不满足预设可靠性条件时，输出信号质量不足提示并停止局部腐蚀状态判别。

15、作为进一步的技术方案，所述低频持续性腐蚀指数表示为：

16、；

17、其中，为持续性局部阳极溶解成分的能量，为短时局部活化成分的能量。

18、第二方面，本发明提供了一种腐蚀电化学噪声处理及局部腐蚀状态识别系统，包括如下模块：

19、信号获取模块，被配置为：获取金属管道材料在腐蚀介质作用下产生的电流噪声信号；其中，所述金属管道材料处于未施加机械载荷状态，或者处于外加载荷、残余应力、内压载荷或其组合的作用状态；将电流噪声信号划分分析窗口，得到标准化电流噪声；

20、源分离模块，被配置为：对标准化电流噪声进行变分模态分解，获得多个模态分量，由多个模态分量构建虚拟多通道观测矩阵，并对虚拟多通道观测矩阵进行盲源分离，得到多个独立电化学响应成分；

21、特征提取模块，被配置为：将各独立电化学响应成分映射至标准化电流噪声的幅值空间，得到各映射成分，并计算各映射成分的主导频率、相对能量贡献以及与标准化电流噪声之间的相关性；

22、成分重构模块，被配置为：基于主导频率、相对能量贡献和相关性，将映射成分至少划分为短时局部活化成分、持续性局部阳极溶解成分和低关联背景成分，选择短时局部活化成分与持续性局部阳极溶解成分重构电流噪声；

23、可靠性验证模块，被配置为：计算重构电流噪声与标准化电流噪声之间的重构相关系数和残余能量占比，仅当重构相关系数和残余能量占比满足预设可靠性条件时，进入局部腐蚀状态识别；

24、状态识别模块，被配置为：计算持续性局部阳极溶解成分在腐蚀相关成分中的相对能量贡献，得到低频持续性腐蚀指数，将低频持续性腐蚀指数与预先建立的基准分布或分级阈值进行比较，在连续多个分析窗口满足判别条件时输出局部腐蚀状态。

25、本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

26、本发明利用变分模态分解将单通道电化学噪声转换为虚拟多通道观测矩阵，再通过快速独立成分分析分离统计独立的界面响应，能够在频率范围相互重叠的条件下区分短时局部活化成分与持续性局部阳极溶解成分，解决了现有技术中仅依据时域峰值或功率谱密度难以区分混合电化学噪声来源的技术问题。并且采用最小二乘幅值映射消除独立成分幅值不确定性，通过映射系数同时完成符号校正和幅值回映射，使各映射成分的相对能量贡献能够在统一幅值空间内进行比较；并通过重构相关系数和残余能量占比构成可靠性门控，在源分离质量不满足要求时触发参数自适应调整而非直接输出腐蚀判断，降低因源分离失真导致的误判风险。

27、本发明以持续性局部阳极溶解成分相对于腐蚀相关成分总能量的比值定义低频持续性腐蚀指数，并采用介质—材料基准统计量确定分级阈值，不依赖统一的绝对电流幅值，也不以机械载荷作为适用前提；在未施加机械载荷或施加载荷的腐蚀工况下，均能够适应二氧化碳、氢气、液氨和甲醇等不同新能源管输介质在不同材料、电极面积和采样条件下的工况差异，显著提高了局部腐蚀状态判断结果的稳定性。