常壓儲罐檢驗檢測技術

李光海

(中國特種設備檢測研究院,北京 100013)

常壓儲罐廣泛應用于石油、化工、國防和交通運輸?shù)戎T多領域。在石油化工行業(yè),儲罐是儲備原料油、成品油、液體化工原料及其產品的專用設備。由于各種大型儲罐的制造和檢驗一直未納入國家強制管理的范疇,相關的標準和規(guī)范也比較少。由于罐容緊張,很多大型儲罐超期服役或長期連續(xù)運轉,無法有效地進行安全檢測,運行安全無法從根本上得到保障。檢測技術方面,由于缺乏高效可靠的手段,往往只能做一些外觀檢查和厚度測定等,檢測項目少、效率低且缺陷檢出率低,在運行過程中產生的某些缺陷難以被及時發(fā)現(xiàn),而一些關鍵的項目,如儲罐底板腐蝕檢測與評價、陰極保護檢測與評價等技術沒有得到很好的實施和應用,致使儲罐事故時有發(fā)生,危害生產安全,嚴重污染環(huán)境。

大型儲罐最初的管理模式是基于儲罐事故的管理模式,即事故處理、應急搶修的模式,其后是周期性的維修管理模式,目前逐步發(fā)展為基于適用性分析的完整性管理模式,即借助信息技術、集儲罐群數(shù)據(jù)集成技術、檢測技術、風險評估技術和維護檢修技術為一體的更高層次的儲罐管理系統(tǒng)。如何采取有效措施,避免和減少大型儲罐的安全事故,改變目前預防性的周期檢修模式為基于風險的管理甚至于完整性評價模式,是各大儲罐管理者面臨的重大問題,而基于完整性評價和先進的檢驗檢測技術更是很多科研檢測機構和儲罐用戶多年來致力研究的方向,它融合了風險管理、完整性狀況、檢驗檢測及緊急救援措施等多方面的內容,為管理者實時動態(tài)監(jiān)管和決策提供平臺。中國特種設備檢測研究院已經在中石化的多家分公司進行了實施。

1 常壓儲罐的主要失效模式

對于常壓儲罐,主要的失效模式包括:罐體內外部的腐蝕減薄或穿孔、焊接缺陷的擴展、介質和環(huán)境引起的開裂以及脆性斷裂。腐蝕是常壓儲罐最主要的失效模式,其次是制造時的焊接缺陷在使用過程中的擴展變化。介質和環(huán)境引起的應力腐蝕開裂在常壓儲罐檢驗中較少出現(xiàn),可以通過應力腐蝕開裂損傷敏感性評估確定所檢儲罐存在應力腐蝕開裂傾向。儲罐的脆性斷裂通常是在儲罐的設計過程中考慮,經過充水試驗和在役使用的儲罐一般不會發(fā)生脆性斷裂,除非改變操作工況(如在更低溫度下運行等),才需要重新進行評估[1]。

2 常壓儲罐檢驗檢測技術

對于常壓儲罐,主要的失效模式為腐蝕和焊接缺陷的開裂,因此其檢驗檢測技術也是針對腐蝕和各種焊縫缺陷進行的。目前,常壓儲罐針對性的檢驗檢測方法有:宏觀檢查、厚度測量、表面無損檢測、埋藏缺陷檢測、儲罐底板漏磁檢測、聲發(fā)射在線檢測、真空試漏、附屬設施的檢查及基礎沉降測量等。

2.1 宏觀檢查

宏觀檢查主要是檢查外觀、結構及幾何尺寸等是否滿足儲罐安全使用的要求以及有無可能影響使用的腐蝕、宏觀缺陷或環(huán)境因素。

(1)罐區(qū)環(huán)境狀況檢查。

(2)儲罐基礎檢查:有無下沉、傾斜和開裂等情況。

(3)罐體缺陷及變形檢查:儲罐本體(壁板、頂板)、接口部位和焊接接頭等處有無裂紋、變形、腐蝕和泄漏,底板表面有無腐蝕、變形及其他缺陷;焊縫表面(包括近縫區(qū)),以肉眼或者5～10倍放大鏡檢查裂紋;其他檢查以目視、錘擊為主,必要時進行尺寸測量。

(4)儲罐罐壁的垂直度和圓度(同一斷面最大直徑與最小直徑)檢測。垂直度檢測應用垂線法或使用經緯儀,圓度檢測應使用全站儀。

(5)防腐層和保溫層有無破損、脫落、潮濕和跑冷等情況,對有保溫層的儲罐,罐體無明顯損壞,保溫層無滲漏痕跡時,可不拆除保溫層進行檢查。

(6)罐頂板及其支承系統(tǒng)的完整性,有無腐蝕、裂紋或穿孔,浮頂罐的罐頂扶梯、浮盤系統(tǒng)、升降導向系統(tǒng)、周邊密封系統(tǒng)防轉動裝置、排水系統(tǒng)和通氣系統(tǒng)有無損壞,能否正常使用。

(7)檢查儲罐盤梯、平臺、抗風圈和欄桿等腐蝕程度。

2.2 厚度測量

2.2.1 壁板厚度測定

罐壁板厚度檢測是確定罐體總體腐蝕率的方法,罐壁板腐蝕檢測的重點在于內壁自底板向上1m范圍內和外壁裸露部位,一般應使用超聲波測厚儀并按不同情況布置檢測點,如排版的每塊板布點、按局部腐蝕區(qū)域布點;按點蝕布點。其中第一種方式是檢測每一塊鋼板的平均減薄量,第二種方式是檢測一個腐蝕區(qū)域的平均減薄量,第三種方式是檢測局部嚴重腐蝕處減薄量。每個檢測區(qū)一般不少于5個測定點。

利用超聲波測厚儀測定壁厚時,如遇母材存在夾層缺陷,應增加測定點或用超聲波探傷儀查明夾層分布情況,以及與母材表面的傾斜度。對于表面缺陷檢查發(fā)現(xiàn)的可疑部位或壁厚檢查發(fā)現(xiàn)的異常部位,應在其周圍增加檢測點,以確定壁厚的真實情況。允許最小壁板的厚度可按文獻[1]的要求進行評定。

2.2.2 頂板厚度測定

固定頂罐頂板的檢測重點在于宏觀檢測發(fā)現(xiàn)的嚴重腐蝕部位,對于未發(fā)現(xiàn)嚴重腐蝕的,也可按排版的每塊板布點進行檢測。對于浮頂?shù)拿黠@腐蝕部位應進行厚度檢測。

2.2.3 底板厚度測定

儲罐底板厚度的測定,通常是在底板進行漏磁檢測后,對底板厚度當量損失超過40%的地方,進行超聲厚度檢測。對漏磁掃查無法檢測的部位,每塊板一般不少于5個測定點。底板的最小厚度允許值可參考文獻[1]進行選取。

2.3 表面無損檢測

表面無損檢測的目的是檢查儲罐的角焊縫、壁板焊縫和底板的搭接或對接焊縫是否存在裂紋等可能導致泄漏的危險性缺陷。通常大型儲罐的焊縫長度較長,焊縫的表面覆蓋著物料、腐蝕產物或防腐涂層,現(xiàn)場打磨清理的工作量大,而且對底板和壁板的角焊縫等關鍵焊縫,打磨難度較大,很難保證表面質量,所以表面無損檢測的效果難以保證。對于應力開裂及脆性斷裂敏感性低的儲罐,一般不進行表面無損檢測抽查,但對安裝資料缺失、改變介質或工況變得更苛刻的儲罐須進行表面無損檢測抽查,抽查部位有:罐底板與壁板連接的內外側角焊縫、第一層壁板的縱焊縫、第一二層壁板的丁字焊縫、壁板開口與接管的角焊縫、浮頂單盤板與浮艙的內側角焊縫,必要時可對底板焊縫進行表面檢測抽查。

若在檢測中發(fā)現(xiàn)裂紋,檢驗人員應當根據(jù)可能存在的潛在缺陷,確定擴大表面無損檢測的比例;如果擴檢中仍發(fā)現(xiàn)裂紋,則應當進行全部焊接接頭的表面無損檢測。內表面的焊接接頭已有裂紋的部位,對其相應外表面的焊接接頭應當進行抽查。

標準抗拉強度下限σb≥390 MPa的鋼制危險品儲罐,耐壓試驗后應當進行表面無損檢測抽查。

2.4 埋藏缺陷檢測

對于制造資料齊全和運行正常的儲罐,一般不進行埋藏缺陷的檢測。當工況變得更苛刻或懷疑有泄漏的可能時,應當對下列部位進行射線檢測或者超聲檢測抽查:①下部壁板縱焊縫,容積＜20 000 m3的只檢查最下部一圈,容積＞20 000 m3的檢查下部兩圈,檢查的縱焊縫不小于焊縫總長的10%,但丁字焊縫應100%檢查。②使用過程中補焊過的部位。③檢驗時發(fā)現(xiàn)焊縫表面裂紋,認為需要進行焊縫埋藏缺陷檢查的部位。④使用中出現(xiàn)焊接接頭泄漏的部位及其兩端延長部位。

2.5 底板漏磁檢測

當鐵磁性板材被外加磁化裝置磁化后,在板材內可產生感應磁場。若板材上存在腐蝕或機械損傷等體積性缺陷,則磁力線會泄漏到板材外部,從而在其表面形成漏磁場。如在磁化裝置中部放置一個磁場探頭(通常采用霍爾元件或線圈等磁場傳感器),則可探測到該漏磁場。由于漏磁場強度與缺陷深度和大小有關,因此可以通過對漏磁場信號的分析來獲得板材上產生體積性缺陷的情況。

對儲罐底板進行的漏磁檢測是采用磁化裝置(永久磁鐵或電磁鐵)與陣列磁場探頭一體化的設備通過掃描來進行的。磁化裝置將儲罐底板被檢測部位磁化,使之達到磁飽和或近磁飽和的水平,磁場傳感器將底板上由缺陷產生的漏磁信號轉換為電信號,然后通過放大、濾波和信號處理。對于儲罐底板壁厚減薄缺陷,可給出缺陷深度的當量;對于裂紋性質的缺陷,可以通過漏磁信號的波形來進行分析。

漏磁檢測法與磁粉法一樣,都是利用了鐵磁性構件缺陷的漏磁現(xiàn)象來進行檢測,只是其漏磁場的拾取工作是由磁敏感元件來進行的。漏磁檢測方法速度很快,檢測靈敏度也很高,可以對檢測結果定量化,不受儲罐底板表面粗糙度的影響。更重要的是,它能夠檢測內部的缺陷,因此很適合儲罐底板的檢測。當然,漏磁檢測方法也有其局限性,只能適用于鐵磁性構件的檢測。

根據(jù)科研成果,中國特種設備檢測研究院組織編寫了JB/T 10764—2007《無損檢測 常壓金屬儲罐底板聲發(fā)射檢測及其評價》標準,可作為常壓儲罐的漏磁檢測依據(jù)。常壓儲罐的中幅板和邊緣板絕大部分區(qū)域都可以采用自動化程度高的自動漏磁車進行掃查,檢測效率高,勞動強度低,儀器采集的信號平穩(wěn),探頭移動速度和提離值的變化影響小。但是對于儲罐的邊角部位,漏磁車無法接近,通常使用手持式邊角漏磁掃查器進行補充檢測。由于儲罐的底板焊接通常采用搭接方式,漏磁車和手持式邊角掃查器都無法進行檢測,因此對于底板的搭接焊縫以及底板與壁板連接的角焊縫,一般需要用常規(guī)無損檢測方法,如磁粉或滲透的方法進行補充檢測。也可以采用表面點式探頭等其它電磁方法進行檢測。

2.6 聲發(fā)射在線檢測

現(xiàn)有無損檢測技術中,在不影響常壓儲罐使用的狀態(tài),在線對儲罐的底板腐蝕狀況進行排序和分級,聲發(fā)射檢測是應用最為廣泛的技術。另外,壓力容器領域,聲發(fā)射技術已經成為一種常規(guī)的檢測技術,尤其是對裂紋等危險性缺陷的活動性在線監(jiān)控,更有著其他無損檢測方法不可比擬的優(yōu)點[2]。關于常壓儲罐在線評價,可以從以下兩個方向應用聲發(fā)射檢測技術:①在儲罐液位逐漸增加上升的情況下,檢測儲罐底板或壁板的焊接缺陷擴展引起的活動性信號。②在最高充裝液位的85%以上恒定液位,檢測儲罐底板的泄漏和腐蝕信號。

在載荷增加時,同步監(jiān)測缺陷的活動性是聲發(fā)射最典型的應用方式。常壓儲罐在充液過程中,如果缺陷(包括泄漏)隨著液位的上升而發(fā)生擴展或變化,就能被聲發(fā)射傳感器采集到,進而通過軟件識別。缺陷擴展屬于瞬態(tài)信號,可以通過信號到達各傳感器時間的不同,采用時差法進行定位。而泄漏信號屬于連續(xù)信號,可以通過衰減法或相關時差法進行定位。其它聲發(fā)射信號產生的機理,如底板局部區(qū)域的彈塑性變形釋放出的彈性波也可能被捕捉到,從而被儀器定位顯示。

對于常壓儲罐,聲發(fā)射技術更多地被用于腐蝕狀態(tài)的檢測。在恒定液位下,儲罐內介質經過一段時間的沉降穩(wěn)定,同時關閉所有與罐體相連的管道,此時檢測到的聲發(fā)射信號大部分應為腐蝕信號。泄漏、腐蝕的過程、腐蝕產物的形成和剝落以及腐蝕的空化效應,均被認為是腐蝕聲發(fā)射信號產生的機理。與缺陷擴展信號有所不同的是,腐蝕過程聲發(fā)射信號平均幅度較低,并且腐蝕過程在整個儲罐的不同區(qū)域同時存在,因而某個聲發(fā)射信號到達處理器的次序很難從時間序列里區(qū)分開來,從而導致定位判斷的混亂,帶來定位誤差。所以在常壓儲罐的腐蝕狀態(tài)聲發(fā)射檢測中,定位源僅作為輔助的分析手段,應更多地關注各通道撞擊數(shù)。通過對同類儲罐各通道信號量的多少進行儲罐腐蝕狀態(tài)排序和質量分級。

常壓儲罐底板聲發(fā)射信號的傳播途徑可以是沿底板金屬傳播,也可以是沿儲罐內的介質以最短路徑傳播到傳感器。由于儲罐底板通常采用搭接焊縫,沿底板傳播的信號衰減較快。對于較低幅度的腐蝕信號,即使采用低頻率的聲發(fā)射傳感器,其最大傳播距離也只能在十米左右。因此,對于大型常壓儲罐,接收到沿底板金屬傳播的聲發(fā)射信號較少。沿儲罐內介質傳播的低頻聲發(fā)射信號衰減較少,通常能夠傳播數(shù)十米,因此在大型儲罐的聲發(fā)射腐蝕檢測過程中,由于聲源位置的不同,導致到達各通道的聲發(fā)射信號傳播路徑不同,所以聲速設置較為復雜。由于傳播路徑的復雜性,聲速的不唯一性,也使定位精度大大降低。

即使存在定位精度較差的問題,儲罐聲發(fā)射檢測技術仍然發(fā)展迅速,應用廣泛,其原因主要有以下幾點:①可以進行在線檢測或實時監(jiān)控,而不需要停產。②可以進行整體監(jiān)控,是其它無損檢測方法無法實現(xiàn)的。③對被檢測件的接近程度不高,從而適合于其它方法難于或不能接近的環(huán)境。④檢測速度快,成本低。因此,對儲罐群中各個儲罐進行定性的在線腐蝕狀況等級劃分,以及較強泄漏信號的判斷,聲發(fā)射檢測技術仍然是值得推薦的快速有效方法[3]。

隨著信號分析和處理技術的發(fā)展,從采集到聲發(fā)射信號中,將腐蝕信號、裂紋擴展信號、泄漏信號以及其它干擾信號區(qū)分開,得到對儲罐底板腐蝕狀況的更精確判斷越來越成為可能。

2.7 真空試漏

如果懷疑儲罐有泄漏時,應對罐底板、浮頂單盤板、浮艙底板的焊縫可能泄漏部位進行真空試漏。試驗負壓值不得＜53 kPa,浮頂艙按逐艙通入785 Pa(80 mm水柱)壓力的空氣進行泄漏性試驗。

2.8 附屬設施的檢查

(1)罐底的陰極保護按設計標準的要求進行檢測和評價。

(2)儲罐內壁的防腐涂層應無銹斑、粉化和脫落,其厚度、附著力和漏點檢測(電火花法和海綿針孔法)應達到原設計要求。

(3)安全附件應由有資質的機構進行定期校驗,所有安全附件均應在校驗有效期內工作。

(4)避雷裝置的檢定和維護必須符合國家氣象部門的有關規(guī)定。

(5)消防系統(tǒng)的要求必須符合國家消防部門的相關規(guī)定。

2.9 基礎沉降測量

在罐壁下部每隔10 m左右設一個基礎沉降觀測點,點數(shù)宜為4的整數(shù)倍,且不得少于4點?；A沉降可分為均勻沉降、剛性傾斜、罐壁底端的非平面沉降、邊緣沉降和靠近罐壁的罐底沉降五種。其測量和評價方法可以參考API 653的附錄B[1]。

3 結語

檢驗檢測技術在常壓儲罐的制造和使用過程中,對保證其質量和安全運行扮演了極其重要的角色。對于常壓儲罐的在線檢測和全面檢驗,應充分考慮到材料和工藝因素的影響,以及可能出現(xiàn)的腐蝕和缺陷形態(tài),選擇適宜的檢驗檢測方法。同時將儲罐的完整性評價技術引入儲罐群的管理,將儲罐群的每一儲罐逐一進行失效性分析、失效模式判斷、失效后果計算以及附屬設施的完整性分析,從而得到儲罐群的完整性評價,為儲罐群的安全經濟運行提供有效的管理策略,已經成為常壓儲罐完整性管理必要手段。

[1] API 653 Tank Inspection,Repair,Alteration,and Reconstruction[S].

[2] 李光海,劉時風.基于信號分析的聲發(fā)射源定位技術[J].機械工程學報,2004,40(7):136-140.

[3] Flower T J.Chemical industry applications of acoustic emission[J].Materials Evaluation,1992,50(7):875-882.