儲罐底板聲發(fā)射在線與開罐檢測對比

朱建偉，楊宏宇，王維斌，康葉偉，邵長金，周廣剛，朱子?xùn)|，龐 笑

（1.中國石油管道沈陽龍昌管道檢測中心，沈陽 110031；2.中國石油管道科技研究中心，廊坊 065000；3.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

儲罐是石油、天然氣等產(chǎn)品的重要存儲設(shè)備，在油氣田開發(fā)、煉化、儲運等領(lǐng)域廣泛使用，近年來我國儲罐數(shù)量迅速增加，而且正朝著大型化方向發(fā)展，儲罐在運行過程中會受到許多外部以及內(nèi)部因素的影響，它們的安全性就備受關(guān)注，需要對其進行定期檢測［1］。目前，儲罐的常規(guī)檢測都需要在停產(chǎn)狀態(tài)下對其進行清罐、除銹、甚至拆除保溫層后進行，而儲罐底板聲發(fā)射在線檢測技術(shù)能夠在不開罐的情況下完成對儲罐底板整體腐蝕損傷狀態(tài)的檢測與評價，這就能節(jié)省大量因停產(chǎn)造成的損失及檢驗費用，也是儲罐使用單位和檢測單位所迫切需要的［2］。

1 儲罐底板聲發(fā)射在線檢測原理

聲發(fā)射是指材料或結(jié)構(gòu)受外力或內(nèi)力產(chǎn)生變形或斷裂，釋放出彈性波的物理現(xiàn)象［3］。聲發(fā)射檢測就是利用聲發(fā)射源發(fā)出的彈性波傳播到材料表面時能夠引起材料的表面位移，而聲發(fā)射傳感器能夠探測到并將材料的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，然后再被放大、處理和記錄。儲罐底板聲發(fā)射在線檢測是利用儲罐中介質(zhì)的高液位對罐底板造成一定壓力，使底板存在泄露或腐蝕等活性缺陷部位發(fā)出聲發(fā)射波，聲發(fā)射波可以通過罐內(nèi)介質(zhì)傳播到布置在罐壁底部的聲發(fā)射探頭，探頭接收這些信號并經(jīng)過分析處理系統(tǒng)進行處理，并對罐底板泄露及腐蝕進行整體評價。

2 試驗內(nèi)容

檢測對象是某輸油站3＃原油儲罐，直徑22m，容積5km3，至今已運行近10年。儲罐底板聲發(fā)射在線檢測采用美國物理聲學(xué)公司（PAC）的SAMOS－32檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括4個PCI－8采集卡，共32個聲發(fā)射輸入通道，其輸入阻抗為50Ω，每個通道的響應(yīng)頻率為1～400kHz，最大信號振幅為100dB。聲發(fā)射探頭型號為DP3I，頻率范圍30～60kHz，前置放大器型號1224D。1～7號探頭均勻分布于罐壁，距罐底0.8m，如圖1所示。

圖1 探頭在罐壁分布圖

由于儲罐底板聲發(fā)射在線檢測直接采用充裝的原油提供載荷，故在采集數(shù)據(jù)前，需將儲罐液位升至其最高操作液位的85%以上，試驗高度達到10.3m。并且在采集時關(guān)閉所有進出口閥門，液位靜置12h以上，以保證液位完全靜置，消除原油撞擊儲罐、閥門振動等產(chǎn)生的噪聲。液位靜置以后，相當(dāng)于一直處于保壓階段，然后完成采集系統(tǒng)的調(diào)試和斷鉛試驗，使每個通道的斷鉛信號幅值達到要求，再進行數(shù)據(jù)采集。采集時選擇天氣狀況良好的時間段，盡量避開外界的干擾，且保證每組采集的有效數(shù)據(jù)在10h以上，具體加壓程序、采集時間如圖2所示，采集到兩組穩(wěn)定的數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)的對比及分析處理。

圖2 儲罐底板聲發(fā)射數(shù)據(jù)加載及采集過程

3 數(shù)據(jù)的分析處理

目前，聲發(fā)射信號的分析與處理方法分為兩種。一種是先用簡化的特征參數(shù)表示聲發(fā)射信號的特征，然后分析和處理這些特征參數(shù)［4］；另外一種是直接存貯和記錄聲發(fā)射信號的波形，對波形進行頻譜分析。其中簡化波形的特征參數(shù)分析法是廣泛采用的經(jīng)典聲發(fā)射信號分析方法，在聲發(fā)射檢測中廣泛使用［5－6］。由于聲發(fā)射特征參數(shù)之間具有一定的相似性，可以利用這些相似性基于距離標(biāo)準(zhǔn)進行計算，將聲發(fā)射定位信號進行聚類，然后綜合有效聲發(fā)射信號的一些特性，選取合理類數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，罐底板最后的腐蝕評價是基于這些有效聲發(fā)射信號的活動性統(tǒng)計的［7－8］。

通過比較，選取采集到的更加穩(wěn)定的一組數(shù)據(jù)進行處理及分析。其中，典型的特征參數(shù)圖形如圖3所示。

圖3 典型的聲發(fā)射信號波形圖

將采集到的原始數(shù)據(jù)通過初步的濾波、選取等方法進行分析處理后再進行相應(yīng)的聚類定位分析得到聲發(fā)射數(shù)據(jù)的特征及定位圖，如圖4～9所示。

4 開罐檢測結(jié)果

儲罐底板聲發(fā)射在線檢測結(jié)束后進行開罐常規(guī)無損檢測，得到儲罐底板的真實腐蝕情況，如圖10所示。圖中方框處表示補板位置，黑點表示存在腐蝕的位置。

圖4 原始數(shù)據(jù)的撞擊對通道圖

圖5 原始數(shù)據(jù)的撞擊對時間圖（所有通道）

圖6 儲罐底板聲發(fā)射檢測原始數(shù)據(jù)定位圖

圖7 經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的撞擊對通道圖

圖8 經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的撞擊對時間圖（所有通道）

圖9 經(jīng)聚類分析后的聲發(fā)射數(shù)據(jù)定位圖

圖10 3＃罐開罐檢測腐蝕情況分布

由開罐后的檢測結(jié)果可以看出整個儲罐底板上有6處腐蝕嚴(yán)重程度比較集中的部位，而這些部位基本都能夠同在線檢測的結(jié)果對應(yīng)上，如圖9、10所示，這證明了此次儲罐底板聲發(fā)射在線檢測與開罐檢測結(jié)果在整體上有較高的一致性。但是，還可以發(fā)現(xiàn)二者在儲罐底板的局部也存在著一定的偏差，具體表現(xiàn)為在某些部位的聲發(fā)射信號量較實際腐蝕情況要少一些。

5 局部聲發(fā)射信號量較少的原因

現(xiàn)場調(diào)研后，初步分析造成現(xiàn)場檢測時3＃罐信號量較少的原因有四個方面。

5.1 底板補板多且基本沒腐蝕

經(jīng)開罐檢查發(fā)現(xiàn)3＃罐底板上存在大量的補板，這些補板都是以前大修時補焊的，如圖10所示，圖中方框為補板，黑點為存在腐蝕的地方。典型的補板如圖11所示。這些補板可分為兩類，一類是表面非常平滑的補板，如圖11（a）所示，占絕大多數(shù)；另一類是表面有焊接殘留痕跡的補板，如圖11（b）所示，這類補板數(shù)量較少，這兩類補板基本都沒有腐蝕存在。由于這些補板的存在，使得補板內(nèi)的腐蝕缺陷聲信號不容易傳遞出來，檢測系統(tǒng)接收到這些部位的信號就很少。

圖11 3＃罐底板上典型的補板

另外，由于罐底補板數(shù)量多，若考慮補板下的舊腐蝕，整個底板的腐蝕數(shù)量會很多。但是，補板下的舊腐蝕并沒有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，因此產(chǎn)生聲發(fā)射信號的量相應(yīng)會少。

5.2 罐底板超標(biāo)的新腐蝕數(shù)量少

開罐后發(fā)現(xiàn)此儲罐的底板局部存在板厚40%的點蝕缺陷，但是數(shù)量較少，且中幅板平均減薄量超過20%的也很少，大部分為局部點腐蝕。腐蝕情況的具體分布見圖10中的黑點部分，但這些黑點的部位并不全是超標(biāo)的腐蝕。

5.3 罐底淤積層比較厚

現(xiàn)場了解到3＃罐清理出的淤積物與8＃罐的淤積物基本相等，而8＃罐容積為2×104m3，2004年投產(chǎn)，直徑40m，3＃罐直徑22m。如果這兩個罐的淤積物相同，那么3＃罐的淤積物高度則是8＃罐的3.3倍，這與3＃罐較長時間沒有進行開罐清洗的事實較為相符。由于淤積層厚度高，這樣罐底板缺陷的聲發(fā)射信號會有嚴(yán)重衰減，從而導(dǎo)致許多聲發(fā)射信號強度低于設(shè)定的閾值（40dB）而被忽略。

5.4 底板淤積物黏性大

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)儲罐底板附著有干的淤積物，如圖12所示。這是噴砂后遺留下來的，用尖銳的工具可以剝離起來，說明淤積物的粘稠度較高，長期淤積在底板上形成致密的附著物，這種附著物會對聲發(fā)射信號產(chǎn)生嚴(yán)重的衰減。檢測期間，另一座儲罐在進行機械清洗時，80℃的熱油無法清洗干凈，施工方正準(zhǔn)備采用傳統(tǒng)蒸罐的方式進行清洗，這從另一個側(cè)面說明附著在罐底上的物質(zhì)確實比較粘稠。

圖12 底板上的淤積物

由于3＃罐底板的補板數(shù)量多，非補板部位的新缺陷數(shù)量相對較少，再加上底板淤積層厚度高、淤積物比較粘稠對缺陷的聲信號會有嚴(yán)重的衰減，這樣就造成局部聲發(fā)射信號強度較弱而未被檢測儀器記錄，直接導(dǎo)致局部的聲發(fā)射在線檢測結(jié)果與實際腐蝕狀況存在一定的差距，而在總體上二者具有較高的一致性，這也從側(cè)面證明了聲發(fā)射檢測技術(shù)用于儲罐底板在線檢測的可靠性。

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