護衛(wèi)傳感器在拱頂儲罐罐底聲發(fā)射檢測中的應用

林明春，康葉偉，王維斌，熊 敏，張 磊

（1.中國石油管道研究中心，河北 065000；2.中國石油管道公司沈陽調度中心，遼寧 110031）

大型儲罐是石化企業(yè)中極其重要的設施，其安全運行有著重要的意義，所以需要對儲罐進行定期檢測。儲罐檢測對象主要為罐底、罐壁、罐頂及相關附件［1－2］。在儲罐運行過程中，由于受壓力變化、介質腐蝕等不利因素的影響，罐底板腐蝕和泄漏是造成儲罐安全隱患的最主要原因。目前，儲罐罐底聲發(fā)射在線檢測技術的應用越來越得到石化行業(yè)的認可，然而，對不同類型的儲罐，應用聲發(fā)射檢測時信號采集的方法卻基本相同［2－6］。對于拱頂罐［7］，由于儲罐內(nèi)外溫差的緣故，罐頂會形成液滴，液滴滴落到液面時會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，通用的信號采集方法無法區(qū)分來自罐底缺陷和罐頂液滴的聲發(fā)射信號。筆者提出利用護衛(wèi)傳感器的方法，濾除來自罐頂液滴的聲發(fā)射噪聲信號，從而提高罐底缺陷聲發(fā)射信號的有效性。

1 儲罐罐底聲發(fā)射檢測常規(guī)方法

采用聲發(fā)射技術對儲罐底板進行在線檢測主要是利用載荷變化時，腐蝕減薄區(qū)產(chǎn)生變形而引起的腐蝕層脫落與開裂，以及泄漏產(chǎn)生的湍流聲等聲發(fā)射信號。在工作狀態(tài)下，儲罐底板主要有以下兩種有效的聲發(fā)射源［8］：局部嚴重腐蝕區(qū)的受載變形產(chǎn)生有效聲源及泄漏點的液體流動聲源。

通過按一定陣列固定布置在儲罐上的換能器接收來自罐底板“聲源”的信號，通過專門的軟硬件對這些信息進行數(shù)據(jù)采集與分析處理，以判斷罐底板的腐蝕情況以及是否存在泄漏，罐底聲發(fā)射在線檢測原理如圖1所示。在檢測前，儲罐液位上升到其安全液位的80%以上，并靜止24h以上；在距離罐底約1m 左右的位置，沿罐壁圓周均布一定數(shù)量的聲發(fā)射傳感器（具體傳感器數(shù)量根據(jù)儲罐的直徑?jīng)Q定），通過信號電纜把傳感器與聲發(fā)射檢測儀連接，從而實現(xiàn)罐底聲發(fā)射在線檢測［9］。

圖1 儲罐聲發(fā)射在線檢測原理圖

2 拱頂儲罐的特殊性及解決方案

外浮頂儲罐和內(nèi)浮頂儲罐浮盤漂浮在儲罐內(nèi)含液體的液面上，基本不存在來自罐頂?shù)牡我涸肼曈绊?，可以按照圖1所示原理進行信號采集。但對于拱頂儲罐，由于儲罐內(nèi)外溫差的緣故，罐頂會形成液滴，液滴滴落到液面時會產(chǎn)生滴落噪聲，直接在油品中傳播，且該信號與罐底泄漏信號十分相似，因此如果不加以消除，就會對罐底聲發(fā)射源的性質做出錯誤判斷，并直接影響到罐底結構完整性的評價結果［10］?？紤]到滴落噪聲與罐底腐蝕信號的聲源方向的不同，筆者提出增加一組傳感器的方法，通過在罐壁上布置兩組傳感器，其中一組接收來自罐頂液滴撞擊液面產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，即護衛(wèi)傳感器，另一組接收來自罐底的聲發(fā)射信號。根據(jù)護衛(wèi)傳感器和檢測傳感器被觸發(fā)的先后順序，對聲發(fā)射波的來源方向進行區(qū)分，進而達到屏蔽來自罐頂液滴聲發(fā)射源的目的。

3 拱頂儲罐罐底聲發(fā)射檢測試驗

3.1 護衛(wèi)傳感器數(shù)量的確定

護衛(wèi)傳感器的數(shù)量原則上與檢測傳感器的數(shù)量相同，如果聲發(fā)射儀的檢測通道數(shù)有限，也可適當減少，但傳感器之間的間距≤10 m，否則將導致遺漏液滴聲發(fā)射信號的采集。護衛(wèi)傳感器布置點可位于主傳感器組正上方，也可以與主傳感器交錯布置，但要求與主傳感器一樣沿罐壁均布，如圖2所示。

圖2 護衛(wèi)傳感器布置高度設置

3.2 護衛(wèi)傳感器布置高度的確定

在罐底腐蝕聲發(fā)射檢測試驗中主要是采集來自罐底的腐蝕聲發(fā)射信號，所以要求主傳感器位置距離罐底盡可能地近一些；但考慮到罐底可能會有淤積層，所以推薦主傳感器距離罐底1m 左右。

當護衛(wèi)傳感器組產(chǎn)生定位事件時，可令主傳感器組中的所有傳感器在一段時間內(nèi)閉鎖，主傳感器在閉鎖時間內(nèi)不進行任何定位計算，以忽略滴落噪聲產(chǎn)生的定位。其中，主傳感器的閉鎖時間Δt可根據(jù)兩傳感器組之間的距離d以及聲發(fā)射波在特定介質中的傳播速度v來確定，即Δt＝d／v。為了保證主傳感器盡可能多地接收到來自罐底的有效聲發(fā)射信號，要求主傳感器的閉鎖時間越短越好（但不能小于系統(tǒng)規(guī)定的最小閉鎖時間Δt），這就要求兩組傳感器之間的距離越短越好。

如圖2所示，假定罐頂油品滴落點位于靠近罐壁位置，5號傳感器的正上方（其它位置的滴落在計算方法上與之類似）。罐頂?shù)温湓肼曂ㄟ^油品傳播，首先觸發(fā)護衛(wèi)傳感器（4，5和6號傳感器），并會產(chǎn)生一個定位事件。分別經(jīng)過時間Δt1，Δt2和Δt3后，再觸發(fā)主傳感器（1，2和3號傳感器）。根據(jù)幾何關系，聲源傳播至護衛(wèi)傳感器和主傳感器的最大路徑之差為2號和5號傳感器之間的直線距離，故：

因此，在護衛(wèi)傳感器被觸發(fā)后，令主傳感器在之后的Δtmax內(nèi)閉鎖，即可忽略由罐頂?shù)温湓肼曇鸬亩ㄎ弧?/p>

雖然主傳感器組在閉鎖時間內(nèi)不進行定位計算，但建議對所有超過閾值的聲發(fā)射撞擊都進行記錄和保存，以利于數(shù)據(jù)的事后分析處理。

4 現(xiàn)場試驗

對中國石油管道公司某輸油站上的1萬立方拱頂柴油罐進行了在線檢測試驗?，F(xiàn)場檢測如圖3所示，主傳感器和護衛(wèi)傳感器各采用9個，呈交叉錯位布置。主傳感器組距離罐底0.75m，護衛(wèi)傳感器距離罐底2.07m，閉鎖時間為3ms。

圖3 現(xiàn)場檢測情況

4.1 護衛(wèi)傳感器的有效性驗證

各通道閾值設定為50dB，在5 號主傳感器的正上方高于護衛(wèi)傳感器位置處用木槌敲擊罐壁，在開通護衛(wèi)傳感器功能的情況下，罐底定位結果如圖4所示，定位事件數(shù)為41個；當關閉護衛(wèi)傳感器功能時，在相同的情況下，定位結果如圖5所示，定位事件數(shù)為178個。

4.2 帶護衛(wèi)傳感器的罐底聲發(fā)射檢測試驗

各通道閾值設定為40dB，關閉儲罐的所有進出油口及各電子采集設備，從試驗當天18：32開始采集，直到次日11：57停止，共采集了17.3h。在開通護衛(wèi)傳感器功能的情況下，罐底定位結果如圖6所示，定位事件數(shù)為2 414個；通過軟件設置，對同一組數(shù)據(jù)關閉護衛(wèi)傳感器功能時，定位結果如圖7所示，定位事件數(shù)為4 645個。試驗證明，護衛(wèi)傳感器能有效地濾除來自罐頂液滴產(chǎn)生的干擾信號。

5 結論

對于拱頂儲油罐，在進行罐底聲發(fā)射在線檢測時，罐頂液滴會造成很大的干擾信號。提出的利用護衛(wèi)傳感器濾除液滴干擾的方法，通過對中石油管道公司某輸油站1萬立方拱頂柴油罐進行試驗，結果表明能有效地濾除罐頂液滴產(chǎn)生的干擾噪聲，為進一步對聲發(fā)射信號分析帶來了極大的便利。

［1］ API 653—2001 Tank Inspection，Repair，Alteration and Reconstruction［S］.

［2］ API 575—2005 Guideline and Methods for Inspection of Existing Atmospheric and Low－Pressure Storage Tanks［S］.

［3］ 李一博，孫立瑛，靳世久，等.大型常壓儲罐底板的聲發(fā)射在線檢測［J］，天津大學學報，2008，41（1）：11－16.

［4］ 閆河，沈功田，李光海，等.常壓儲罐底板特性的聲發(fā)射檢測［J］，壓力容器，2008，25（2）：53－57.

［5］ Cole P T，Gautrey S N.Development history of the tankpacTMAE，tank floor corrosion test［J］.NDT net，2002，7（9）：1－12.

［6］ 熊敏，林明春，康葉偉.儲罐罐底板聲發(fā)射在線檢測技術研究［J］.聲學技術，2008，26（5）：168－169.

［7］ 黃春芳.原油管道輸送技術［M］.北京：中國石化出版社，2003：500－512.

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