在役原油儲罐的在線檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

韓文禮，蔣林林，劉 苒，蘇碧煌，王志濤

1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團(tuán)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室- 涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室，天津 300451

儲罐作為儲存原油的一種專用設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于石油石化行業(yè)。目前，我國已建成各類儲罐總庫容4 592 萬m3。由于原油具有易燃、易爆特性，所以大型儲罐一旦發(fā)生腐蝕泄漏，就可能引發(fā)嚴(yán)重災(zāi)害和環(huán)境污染，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了確保儲罐的安全運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)營過程中，需要對儲罐進(jìn)行定期停產(chǎn)檢修[1]。在我國，石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921—2017[2]規(guī)定：油罐的檢修周期一般為6 ～9 年，新建油罐第一次修理周期不宜超過10 年；SHS 01012—2004[3]規(guī)定：儲罐的檢修周期一般為3 ～6 年。API 653：2014[4]規(guī)定：從投產(chǎn)運(yùn)行到初次內(nèi)部檢測之間的時間間隔不應(yīng)超過10年，采取不同防護(hù)設(shè)施的儲罐，初次內(nèi)部檢測與投產(chǎn)運(yùn)行時間間隔不應(yīng)超過12 ～25 年。歐洲工程材料應(yīng)用協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)EEMUA 159[5]則規(guī)定：最長檢修周期為 8 ～ 10 年。

1 儲罐檢測

儲罐檢測可分為開罐檢測和在線檢測。開罐檢測需要停產(chǎn)、清罐，由檢測人員安全進(jìn)入罐中進(jìn)行檢測，檢查時通常采用傳統(tǒng)的無損檢測方法，包括超聲測厚、漏磁掃查、磁粉檢測和滲透檢測。開罐檢測工期長、成本高，影響生產(chǎn)，因此合理確定儲罐的檢修周期非常重要，過長和過短的檢修周期都是不合理的。周期過長，儲罐因得不到及時檢修而處于高風(fēng)險之中；而檢修周期過短，會造成不必要的檢修損失，增加生產(chǎn)成本。而由于生產(chǎn)原因，儲罐的檢修周期又往往得不到保證，導(dǎo)致儲罐隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，影響儲罐的安全運(yùn)行。

API RP 575[6]指出：腐蝕是導(dǎo)致鋼制儲罐及其附件損壞的主要原因，因此泄漏情況和評估腐蝕程度是儲罐檢測的重要內(nèi)容，腐蝕檢測在儲罐檢測中顯得尤為重要[7]。統(tǒng)計資料顯示，在役儲罐的罐底板是腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域[8]。在所有已知儲罐的事故中，罐底板腐蝕泄漏導(dǎo)致的事故占20%以上，是儲罐事故的首要原因，因此加強(qiáng)儲罐底板腐蝕檢測是提高儲罐安全性的重要手段[9]，應(yīng)把儲罐腐蝕檢測、維修的重點(diǎn)放在罐底板上[10]。

儲罐在線檢測可以在不開罐、不停產(chǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)儲罐底板的安全評估，作為罐底板腐蝕狀況普查和初篩的方法，具有一定的預(yù)測性。通過在線檢測定性評估罐底板的腐蝕程度和泄漏情況，對底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整性分類，列出維修計劃，使企業(yè)可以合理調(diào)配有限的維修資源，延長“好罐”的檢測周期，同時及時發(fā)現(xiàn)和維修“壞罐”，減少和避免因泄漏造成的環(huán)境污染，降低運(yùn)維成本，避免誘發(fā)事故造成的損失。

2 在線（不開罐） 檢測技術(shù)

目前，國際上罐底板腐蝕狀況在線檢測技術(shù)主要有聲發(fā)射、導(dǎo)波以及機(jī)器人三種技術(shù)[8,11-12]。

2.1 聲發(fā)射檢測技術(shù)

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡稱AE），有時也稱為應(yīng)力波發(fā)射[13]。

常壓儲罐聲發(fā)射檢測技術(shù)主要用于罐底板腐蝕、泄漏狀態(tài)評估。罐底板存在腐蝕缺陷時，強(qiáng)度降低，在液位壓力作用下產(chǎn)生局部微小變形，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物的剝離和脫落，產(chǎn)生聲發(fā)射信號。發(fā)生泄漏時，介質(zhì)流動也會產(chǎn)生連續(xù)的聲發(fā)射信號。聲發(fā)射在線檢測儀通過安裝在罐外壁下部的傳感器陣列來接收底板由于腐蝕和泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過分析信號對罐底結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕狀況評價[14]。檢測原理如圖1 所示，聲發(fā)射傳感器等距離耦合在儲罐罐壁周圍，被動接收因罐底板腐蝕、泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。通過傳感器接收到的聲發(fā)射信號的時間間隔來定位聲源，通過分析處理采集到的聲發(fā)射信號來確定罐底板的腐蝕狀況，對罐底板的完整性及安全性進(jìn)行評估。

圖1 聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射檢測是動態(tài)檢測方法，可以實(shí)現(xiàn)對缺陷的實(shí)時監(jiān)控，檢測對象是正在發(fā)生的缺陷，無法檢測已經(jīng)形成的缺陷。特點(diǎn)是無需停產(chǎn)、開罐、倒罐、清罐，只需在檢測前關(guān)閉閥門、泵等部件12～24 h，采集2 h 的有效數(shù)據(jù)，檢測完成后儲罐可繼續(xù)投入使用；檢測和評價工作相對方便快捷，通過陣列布置的傳感器，即可獲得罐底板腐蝕聲源的活動信息；傳感器安裝部位的涂層需要清除（保溫儲罐需割開少許保溫層），但不會損傷罐壁。

在檢測過程中，罐底板的聲發(fā)射檢測評價結(jié)果的準(zhǔn)確性受到諸多因素的影響，包括電磁噪聲、機(jī)械噪聲、環(huán)境噪聲（溫度變化、風(fēng)沙、雨雪天氣）、儲罐罐壁和罐頂聲源的干擾。此外，傳感器與罐壁的耦合狀況、檢測人員對檢測過程的觀察和記錄的準(zhǔn)確性、后期的數(shù)據(jù)處理等都會影響到聲發(fā)射檢測評價結(jié)果的準(zhǔn)確性[15]。

2.2 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

超聲導(dǎo)波是沿著結(jié)構(gòu)長度傳播并被結(jié)構(gòu)幾何邊界導(dǎo)向約束的彈性波，常用于板中缺陷檢測和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估[16-17]。在厚度與波長相當(dāng)?shù)陌宀闹袀鞑サ牟ǎQ為板波（又稱平板導(dǎo)波），它主要采用Lamb 波進(jìn)行檢測，具有傳播距離遠(yuǎn)、快速便捷、檢測精度不受罐內(nèi)介質(zhì)影響等特點(diǎn)，適合于罐底板和壁板的在線檢測[18-19]。罐底板超聲導(dǎo)波檢測的原理如圖2 所示。安裝在罐底外露邊緣板上的探頭激發(fā)Lamb 波，并接收底板缺陷返回的反射波，通過分析處理反射波獲得罐底板的腐蝕狀況[20]。沿罐底邊緣板一周改變探頭的位置，逐點(diǎn)檢測，獲取多個方向的檢測數(shù)據(jù)，最后通過計算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，得到整個罐底板的缺陷分布圖像，從而對罐底板的腐蝕狀況進(jìn)行評價。

圖2 罐底板超聲導(dǎo)波檢測原理示意

2.3 機(jī)器人檢測技術(shù)

機(jī)器人檢測技術(shù)集成了現(xiàn)代控制理論、防爆隔離技術(shù)、可視化技術(shù)、罐底板檢測的超聲技術(shù)、漏磁技術(shù)等多種技術(shù)手段，可視為傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的自動化作業(yè)，可根據(jù)不同的檢測項(xiàng)目配置不同的檢測單元，對罐底、內(nèi)部罐壁或其他部位進(jìn)行檢測，是其他檢測技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的[8,11]。罐底板機(jī)器人在線檢測的原理如圖3 所示，將機(jī)器人通過罐頂人孔放到罐內(nèi)，由罐外機(jī)器人控制車進(jìn)行操作，通過遙控方式進(jìn)行罐底板檢測，目前機(jī)器人還是采用臍帶纜繩與控制車實(shí)現(xiàn)通訊。

圖3 機(jī)器人系統(tǒng)在線檢測原理示意

國外已經(jīng)推出數(shù)個型號的機(jī)器人產(chǎn)品（如Maverick、OTIS 機(jī)器人） 用于儲罐的在線檢測，節(jié)省開罐、清罐所耗費(fèi)的成本，檢測效率高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。但也存在以下不足：對罐內(nèi)介質(zhì)有要求，不適合檢測淤積層較厚的原油儲罐；對罐內(nèi)結(jié)構(gòu)有要求，內(nèi)浮頂類型儲罐投放機(jī)器人比較困難，內(nèi)部有加熱盤管的儲罐，為避免臍帶纏繞盤管，檢測范圍大為受限；機(jī)器人內(nèi)部的電路系統(tǒng)，用于原油、成品油儲罐檢測，安全風(fēng)險較大。罐底板機(jī)器人檢測技術(shù)在國外多家知名石化公司得到驗(yàn)證并成功應(yīng)用，1998 年得到API 653《儲罐檢驗(yàn)、維修、改造和重建》的認(rèn)可[21]。目前國內(nèi)尚無該技術(shù)的應(yīng)用先例。

3 在線檢測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

超聲導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用很少，機(jī)器人在線檢測系統(tǒng)在國內(nèi)還是空白，聲發(fā)射檢測是目前儲罐底板在線檢測中應(yīng)用最為廣泛的一種檢測技術(shù)[22]。

常壓儲罐底板聲發(fā)射在線檢測技術(shù)在美國、英國、法國、澳大利亞和日本等國家已得到大量應(yīng)用，國內(nèi)已開始研究推廣。美國物理聲學(xué)公司（PAC） 先后對8 000 多臺儲罐開展了聲發(fā)射在線檢測，對其中1 000 多臺儲罐進(jìn)行了開罐驗(yàn)證，研發(fā)了TANKPACTM 大型常壓金屬儲罐底板檢測專家系統(tǒng)，用于罐底板腐蝕和泄漏狀況的在線檢測評價[8]，聲發(fā)射評價結(jié)果為A 類的儲罐與好罐具有100%的對應(yīng)關(guān)系[23]。法國石油協(xié)會對690 臺儲罐進(jìn)行了罐底板聲發(fā)射檢測，對其中78 臺進(jìn)行了開罐檢測，對應(yīng)關(guān)系良好。

國內(nèi)東北石油大學(xué)開展了1 028 臺常壓儲罐底板的聲發(fā)射檢測，A、B 級占62%，D、E 級占11%，對不同評價等級的102 臺儲罐進(jìn)行了開罐檢測，聲發(fā)射檢測評價結(jié)果與開罐檢測結(jié)果具有很好的對應(yīng)關(guān)系。中石油管道科技研究中心對80 多臺完成罐底板聲發(fā)射檢測的儲罐進(jìn)行開罐驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)到93%。中石化管道儲運(yùn)公司對81 臺儲罐開展了聲發(fā)射檢測結(jié)果與開罐檢測結(jié)果的對比，其中65 臺儲罐聲發(fā)射檢測結(jié)果基本能反應(yīng)罐底板的腐蝕狀況，16 臺儲罐兩種檢測結(jié)果的相關(guān)度較低。

中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司對原油儲罐罐底板腐蝕在線檢測評價技術(shù)開展了研究，重點(diǎn)在聲發(fā)射檢測技術(shù)，包括在線檢測技術(shù)影響因素研究、噪聲干擾及降噪技術(shù)研究、信號模式識別和采集技術(shù)研究，罐底板腐蝕狀況評價及聲發(fā)射在線檢測評價可靠性研究，形成了儲罐底板腐蝕狀況聲發(fā)射檢測評價技術(shù)，在線檢測給出的罐底結(jié)構(gòu)完整性分級、聲發(fā)射源集中度區(qū)域劃分與開罐檢測的結(jié)果具有很好的符合性。

從國內(nèi)外儲罐底板聲發(fā)射在線檢測評價結(jié)果的驗(yàn)證情況來看，該技術(shù)可以對儲罐底板腐蝕狀態(tài)進(jìn)行快速評價，定性反映儲罐的腐蝕狀況，為合理安排檢修周期提供參考，減少盲目開罐造成的環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)損失，具有良好的社會及經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

在線檢測技術(shù)不需要開罐，檢測效率高，成本低，可對罐底板腐蝕狀況進(jìn)行普查和初篩，為儲罐合理安排開罐檢修周期提供科學(xué)依據(jù)，在我國大型儲罐日益增多、管理任務(wù)日趨繁重的情況下，在線檢測技術(shù)在提高儲罐安全管理、保證儲罐安全運(yùn)行方面必將發(fā)揮重要的作用，隨著在線檢測技術(shù)的日益成熟，其也必將得到更廣泛的推廣應(yīng)用。