在役常壓儲罐的無損檢測技術(shù)

趙彥修，田紅巖，陳彥澤，王金龍

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院, 北京 100029;2.中國石油商儲油分公司, 北京 100007)

常壓儲罐，一般是指鋼制立式圓筒形焊接儲罐，是國家能源保障、戰(zhàn)略儲備、商業(yè)儲備以及石油石化行業(yè)生產(chǎn)必不可少的重要儲存設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，至2017年，我國已建成九大國家石油儲備基地，原油儲備能力達3 770萬t/4 400萬m3。按照《國家石油儲備中長期規(guī)劃》的要求，到2020年我國的石油儲備能力將達到8 500萬t/10 000萬m3，折合10萬m3儲罐1 000臺。加上商業(yè)儲備公司、社會倉儲公司以及石油石化等行業(yè)生產(chǎn)用各類儲罐，在役常壓儲罐數(shù)量非常可觀。

在役儲罐一旦發(fā)生破壞，不僅會造成物料損失，還可能引發(fā)燃燒、爆炸、中毒等事故。2014年1月，美國自由工業(yè)公司一臺175 m3的常壓儲罐發(fā)生事故,造成了嚴重的生命和財產(chǎn)損失。事故的直接原因是，儲罐投用后至少10 a沒有進行過檢驗和維修，致使罐底板腐蝕穿孔，近40 t 4-甲基-1-環(huán)己烷甲醇(MCHM)和聚乙二醇醚(PPH)混合物滲流進入儲罐周圍的碎石和土壤中，最終進入河流和居民的飲用水系統(tǒng)[1]。因此，加強常壓儲罐的在役檢驗具有非常重要的意義，而無損檢測技術(shù)在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1 常壓儲罐的主要損傷機理和失效模式

常壓儲罐的設(shè)置方式、操作條件和受力狀態(tài)決定了其損傷機理和失效模式與壓力容器不同，標準API 575-2014 《常壓和低壓儲罐的檢測》 指出：腐蝕是鋼制儲罐及其輔助設(shè)備失效、破壞的主要損傷機理，儲罐檢測的主要目的是查找腐蝕位置，確定腐蝕程度。罐體腐蝕減薄導致的失穩(wěn)和穿孔滲漏是常壓儲罐的主要損傷模式。此外，材料劣化、焊縫裂紋、機械接觸損傷、疲勞裂紋等也是大型儲罐失效的常見原因，儲罐的檢測方法應(yīng)針對其失效機理進行選擇。

2 無損檢測技術(shù)的選擇及應(yīng)用

2.1 目視檢測

目視檢測，指用人的眼睛對被檢件進行檢查，是最為古老、用途最為廣泛的無損檢測方法，必要時也可借用簡單的輔助工具，比如檢測錘、放大鏡、焊縫尺等。從廣義上來說，只要用視覺進行的檢查都可以稱為目視檢測。2012年國內(nèi)以標準的形式將目視檢測明確為承壓設(shè)備行業(yè)的一種專業(yè)無損檢測方法，標準代號為NB/T 47013.7-2012 《承壓設(shè)備無損檢測 第7部分：目視檢測》。

目視檢測同樣適用于常壓儲罐的在役檢驗，目視檢測不但可以發(fā)現(xiàn)缺陷，而且在某些方面比采用儀器檢測更為直觀，例如在結(jié)構(gòu)完整性、罐體腐蝕、變形、泄漏、表面裂紋、罐體保溫層、防腐層的損壞等方面。目視檢測是宏觀檢查的主要手段，通過目視檢測還可以明確需要做進一步檢驗的部位或部件及其檢驗重點。

2.2 超聲波測厚

超聲波測厚是厚度測定最常用的方法，是檢查設(shè)備腐蝕減薄最為直接有效、經(jīng)濟可靠的辦法，通過厚度測定可以找出設(shè)備相應(yīng)部位的腐蝕規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)隱患。對于常壓儲罐而言，壁板的重點檢測區(qū)域一般為底板向上1 m的范圍，拱頂?shù)臋z測重點為腐蝕嚴重部位，浮頂?shù)臋z測重點為明顯腐蝕部位[2]。

為了解決手工測厚需要搭設(shè)腳手架的問題，國內(nèi)外儀器廠商已開發(fā)出了多款自動爬壁檢測機器人，通過遙控操作，可使機器人到達罐壁任意指定位置，采用水耦合或者空氣耦合，不需要對罐壁進行處理，即可進行厚度檢測或者超聲波A/B/C掃描檢測，有的產(chǎn)品檢測速度可達10 m·min-1，還可以順利通過厚度25 mm以上的焊縫，從而大大提高檢測效率[3-4]。

超聲波測厚方法適用于罐壁板、頂板均勻腐蝕的檢測，但一般不宜將其作為主要腐蝕狀態(tài)為非均勻腐蝕的底板腐蝕的檢測手段。由超聲波測厚的原理(見圖1)可以知道，超聲波傳感器發(fā)出的脈沖穿過被檢物體到達材料的分界面時，脈沖被垂直反射回傳感器，通過測定超聲波在材料中傳播的時間即可確定材料的厚度，而罐底板腐蝕形貌主要是潰瘍狀的坑腐蝕，腐蝕部位上下表面不平行，超聲波不能被反射回發(fā)出脈沖的傳感器，因而很難檢測出腐蝕部位的實際厚度[5]。

圖1 超聲波測厚原理示意

2.3 底板漏磁檢測

漏磁檢測是一種高效的無損檢測方法，廣泛應(yīng)用于各種鐵磁性材料的缺陷檢測與評估。20世紀70年代英國天然氣公司將該技術(shù)應(yīng)用于在役管道的檢驗并開展定量分析，漏磁檢測技術(shù)取得了長足的進展，我國在2007年即推出了JB/T 10765-2007 《無損檢測金屬常壓儲罐漏磁檢測方法》。漏磁檢測是目前檢測有效性、準確性和檢測效率最高的儲罐底板腐蝕檢測方法[6-7]。采用漏磁檢測儀能夠準確地檢測出腐蝕位置，水平較高的儀器位置準確度可以達到毫米級。

漏磁檢測原理如圖2所示。當一個含缺陷的鐵磁性工件被施加磁場時，由于鐵磁材料的磁導率與缺陷處的不同，磁通在缺陷處發(fā)生畸變，一部分磁通(圖中第3部分)會逸出工件表面，穿過空氣后再回到S極，這一部分就是所謂的漏磁，漏磁場的強度與缺陷的大小和深度成一定的比例關(guān)系，用霍爾元件檢測到這部分磁通的大小，通過計算即可知曉缺陷的大小和深度[8]。

圖2 漏磁檢測原理示意

由于漏磁揚的強度與缺陷的大小和深度都有關(guān)系，檢測結(jié)果顯示的腐蝕深度為當量深度，而非實際腐蝕深度。因此，漏磁檢測結(jié)果需要采用超聲波直探頭或超聲波C掃描等方式復查確認[9]。圖3為某儲罐底板的漏磁檢測結(jié)果。

圖3 某儲罐底板漏磁檢測結(jié)果

漏磁檢測的局限性在于只能在開罐狀態(tài)下實施，必須事先進行清罐處理，不但會產(chǎn)生高額的輔助工作費用而且還會造成停產(chǎn)損失。另外，由于檢驗條件和儀器自身限制，檢測范圍不能達到100%，邊角部位、盤管覆蓋等部位無法覆蓋到。為了保證檢測覆蓋率，需要用小型的手動邊角掃查器進行補充檢測。

2.4 底板聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射檢測在承壓設(shè)備檢測中的應(yīng)用已非常成熟，對裂紋類或蠕變類損傷的聲發(fā)射機理已經(jīng)比較清楚，在管道和容器的檢測和監(jiān)測中，均有很多實際應(yīng)用成功案例[10-11]。對于儲罐腐蝕檢測，雖尚未完全搞清腐蝕產(chǎn)生聲發(fā)射的機理，但聲發(fā)射技術(shù)在常壓儲罐檢測上的應(yīng)用也越來越多，其主要用來探測底板的腐蝕狀態(tài)或滲漏位置[12]。研究人員常用的做法是，通過安裝在罐壁下部的聲發(fā)射傳感器陣列采集腐蝕或泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，根據(jù)檢測結(jié)果劃分綜合等級。按照現(xiàn)行標準，可將底板腐蝕狀態(tài)分為5個等級[13]，如表1所示。

表1 儲罐底板聲發(fā)射檢測結(jié)果分級

承壓設(shè)備與常壓儲罐聲發(fā)射檢測的比對如表2所示。

表2 常壓儲罐與承壓設(shè)備聲發(fā)射檢測比對

2.5 高頻導波檢測

導波檢測是一種以點代面的快速母材超聲波檢測技術(shù)，可以通過一個很小的檢測區(qū)域?qū)χ車欢ǚ秶M行100%面積的覆蓋檢測，檢測效率高，檢測結(jié)果直觀，具有一定的檢測靈敏度和定位精度，是目前對各種板材或者復合板材比較有效的缺陷檢測方法，可以準確地發(fā)現(xiàn)板材中毫米級以上的腐蝕坑或線性缺陷[14]。導波檢測一般可以與聲發(fā)射技術(shù)相結(jié)合，在線檢測儲罐邊緣底板的腐蝕狀況，驗證聲發(fā)射檢測結(jié)果，也可以在開罐狀態(tài)下，作為漏磁檢測的補充。高頻導波檢測的缺點是衰減快，傳播距離短，一般檢測范圍只有1～2 m。

2.6 三維激光掃描檢測

罐體變形是大型常壓儲罐主要的失效模式。儲罐在服役過程中，受風載、地基沉降、液位靜壓等因素的影響，罐體可能發(fā)生變形、傾斜、沉降等損害，不僅影響儲罐的計量精度，嚴重時會造成卡盤、沉頂、泄漏、破裂等事故，因此對罐體的變形檢測和監(jiān)測非常重要。傳統(tǒng)的罐體測量方法主要有圍尺法、光學參比線法、光電測距法、全站儀法等，這些檢測方法普遍存在測量時間長、工作強度大、檢測成本高、結(jié)果精度低等缺點。此外，由于油罐所處地形及周圍環(huán)境復雜、罐體較大、罐間距較小，傳統(tǒng)檢測方法實施起來也會遇到各種各樣的困難[15-16]。

三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新的測量技術(shù)，也被稱為“實景復制技術(shù)”，其利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面密集點云的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復制出被測目標的三維模型及線、面、體等數(shù)據(jù)，從而獲取精準的測量數(shù)據(jù)和結(jié)果。從掃描圖上可以直觀地看出各部位的變形情況，一般將可接受區(qū)域以綠色表示，外凸超標區(qū)域以紅色表示，內(nèi)凹超標區(qū)域以藍色表示，并且可以讀出指定部位的檢測值。圖4～7為某常壓儲罐的掃描檢測結(jié)果。

圖4 罐壁掃描結(jié)果

圖5 罐底掃描結(jié)果

圖6 罐體某平面圓度掃描結(jié)果

圖7 罐體某母線垂直度掃描結(jié)果

2.7 焊縫表面檢測

磁粉檢測和滲透檢測是兩大常規(guī)表面檢測方法。磁粉檢測適用于鐵磁性材料表面和近表面缺陷的檢測，其靈敏度高、檢測速度快，能直觀地顯示缺陷的長度和形狀，但難以確定其深度。滲透檢測適用于表面開口缺陷的檢測，對于鋼制儲罐而言，其檢測有效性、準確性、靈敏度均劣于磁粉檢測，而且探傷劑一般都具有毒性，因而常壓儲罐的表面檢測應(yīng)優(yōu)選磁粉檢測，在不能實施磁粉檢測時，可選用滲透檢測。

2.8 焊縫內(nèi)部檢測

射線檢測和超聲檢測是應(yīng)用最廣泛的焊縫內(nèi)部缺陷檢測方法，超聲波衍射時差法(TOFD)技術(shù)也可用于焊縫內(nèi)部缺陷的檢測。對于常壓儲罐而言，射線檢測體積型缺陷的檢出率很高，缺陷定量準確，有膠片作為檢測記錄；而超聲檢測面積型缺陷的檢出率較高，檢測成本低、速度快，對缺陷在工件厚度方向上的定位較準確，但沒有直觀的缺陷記錄；TOFD適用于板厚12 mm以上的板材，檢測效率高，可靠性好，定量精度高，能全程記錄信號，長久保存數(shù)據(jù)。

焊縫內(nèi)部缺陷一般都是在建造施工過程中產(chǎn)生的，諸如夾渣、氣孔、未熔合、未焊透等。由于常壓儲罐在運行過程中的受力狀態(tài)較為簡單，應(yīng)力較小，焊縫中原始制造缺陷擴張的可能性較低，焊縫中即使保留某些超標缺陷也不會導致焊縫開裂或罐體失效。筆者在檢驗實踐中曾多次遇到過壁板焊縫，甚至整圈焊縫存在發(fā)現(xiàn)大面積超標缺陷的情況，參照GB/T 19624-2019 《在用含缺陷壓力容器安全評定》 進行評定后，發(fā)現(xiàn)這些缺陷的存在不影響儲罐的安全運行。因而一般情況下，不必進行焊縫埋藏缺陷的檢測。

3 結(jié)語

無損檢測技術(shù)在常壓儲罐在役檢驗中應(yīng)用非常廣泛，在用常壓儲罐常用無損檢測方法的應(yīng)用特點如表3所示。

表3 在役常壓儲罐常用無損檢測方法的應(yīng)用特點

不同檢測方法有其不同的應(yīng)用范圍，儲罐檢測的重點是腐蝕檢測。開罐檢驗中應(yīng)首選漏磁檢測；在線檢驗中應(yīng)首選聲發(fā)射和超聲導波檢測；表面檢測和3D掃描檢測也是常用的檢測方法。隨著儲罐的大型化、復雜化、高參數(shù)化，對新的無損檢測技術(shù)的需求也會日益增長, 希望能有更加智能化、自動化的無損檢測儀器應(yīng)用于常壓儲罐的在役檢驗中。