常壓儲罐底板泄漏的聲發(fā)射檢測信號特征

摘? ?要： 檢驗單位通過聲發(fā)射檢測信號特征的研究準確地判斷出常壓儲罐底板泄漏等缺陷的性質(zhì)及位置，能夠更有針對性地指導使用單位對常壓儲罐進行維修。建造了一臺模擬泄漏常壓儲罐，在模擬工況下，探討泄漏信號對特征參數(shù)——參考有效電壓（RMS）和平均電平信號（ASL）的影響。研究發(fā)現(xiàn)：連續(xù)信號持續(xù)時間比突發(fā)信號持續(xù)時間長，可據(jù)此將泄漏信號與腐蝕信號區(qū)分開來;泄漏信號與噪聲信號的RMS值區(qū)分度不大;ASL≥15 dB可以作為有效地區(qū)分泄漏信號與噪聲信號的依據(jù)值。經(jīng)驗證，采用ASL≥15 dB結(jié)合定位信號和聚類分析的方法對常壓儲罐底板泄漏情況進行檢測，具有操作簡便、準確等優(yōu)勢，在2018-2020年常壓儲罐底板聲發(fā)射檢測中得到了有效應用。

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射檢測信號特征;常壓儲罐;泄漏;參考有效電壓（RMS）;平均電平信號（ASL）

中圖分類號：TE88? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 05-118-07

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.022

引言

長期以來，大型儲罐，尤其是常壓儲罐的制造和檢驗一直未被納入強制管理的范疇，相關(guān)的標準和規(guī)范也比較少，很多常壓儲罐超期服役或長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，未得到有效的安全檢測，運行安全無法從根本上得到保障。近年來，與常壓儲罐相關(guān)的重特大事故頻發(fā)，引起了廣泛的重視，港口、化工園區(qū)常壓儲罐的檢驗工作正逐步推進。

在常壓儲罐檢驗技術(shù)方面，檢驗機構(gòu)缺乏高效可靠的檢測手段，往往只能做外觀檢查、厚度測定等工作，檢測項目少、效率低、缺陷檢出率低，在儲罐運行過程中產(chǎn)生的某些缺陷難以被及時發(fā)現(xiàn)，而一些關(guān)鍵的項目，如儲罐底板泄漏、腐蝕檢測與評價等技術(shù)沒有很好地得到實施和應用，致使事故隱患不能被及時地預報。

儲罐事故不僅危害生產(chǎn)和人身安全，還會造成嚴重的環(huán)境污染。結(jié)合儲罐使用現(xiàn)狀及現(xiàn)有檢驗技術(shù)，對大型儲罐開展有針對性的檢驗技術(shù)研究，十分必要。

因此，在實驗室自建了一個模擬常壓儲罐底板泄漏的平臺，主要研究儲罐底板泄漏乃至腐蝕時的聲發(fā)射檢測信號特征。本文首先分析檢測信號特征，得到有效地區(qū)分泄漏信號;接著與噪聲信號進行比較，以得到是否泄露的判斷依據(jù)值。本文可有針對性地指導使用單位對常壓儲罐進行維修。

1? 常壓儲罐聲發(fā)射檢測泄漏的基本原理

聲發(fā)射檢測泄漏的基本原理是：當儲罐底板泄漏時，聲發(fā)射的彈性波經(jīng)液體傳播到達儲罐壁的表面，引起罐壁的聲發(fā)射傳感器產(chǎn)生表面位移，這些傳感器將機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過前置放大器、信號采集處理系統(tǒng)、記錄與顯示系統(tǒng)被放大、處理和顯示。

此次模擬聲發(fā)射檢測泄漏研究重點：通過泄漏信號特征找到判定儲罐底板是否有泄漏的依據(jù)值，以及確定聲發(fā)射源的部位。而在實際的檢測應用中，對于有泄漏時的聲發(fā)射檢測信號，可通過目視檢測、便攜式單通道系統(tǒng)的逐點檢測和對泄漏點進行多點測試來驗證。對于因結(jié)構(gòu)原因不能逐點檢測的，要開罐結(jié)合超聲、磁粉、滲透等其他無損檢測方法進行局部復驗，以精確確定缺陷的性質(zhì)與大小。

根據(jù)GB/T 33643-2017[1]，判斷儲罐是否泄漏的依據(jù)主要參考有效電壓（RMS）和平均電平信號（ASL）兩個特征參數(shù)，它們都適用于對連續(xù)型信號活動性的評價，具有測量簡便、不受門限影響等優(yōu)勢，對幅度動態(tài)范圍要求高而時間分辨率要求不高的連續(xù)信號尤為有用。RMS和ASL的計算公式為[2]

Preamp Gain—探頭前置放大器的增益值。

2? 模擬泄漏常壓儲罐聲發(fā)射試驗

儲罐材質(zhì)為Q235B，容積為3.16 m3，規(guī)格為∮2 000 mm×1 000 mm，結(jié)構(gòu)形式為固定頂，無保溫，盛裝介質(zhì)為水，出廠液壓試驗壓力為0.6 MPa。為研究泄漏時的聲發(fā)射檢測信號，在儲罐的底部人為地開設(shè)了8個帶閥門的模擬用泄漏孔，同時在儲罐底板上預埋了數(shù)條位置已知的人為焊接缺陷。試驗現(xiàn)場如圖1所示，具體泄漏孔的位置如圖2所示。

3? 試驗檢測方案

3.1? 聲發(fā)射檢測參數(shù)

檢測儀器：SAMOS PCI-8 48通道聲發(fā)射檢查系統(tǒng);傳感器信號：R3I-AST;檢測頻率：20 kHz ～100 kHz;增益：40 dB;門檻電平：40 dB;檢測參考標準：JB/T 10764-2007[3]。

3.2? 傳感器布置

如圖2所示，在儲罐壁板上距離底板上方300 mm處沿周向均布6個傳感器。正北方向為1號探頭方向。

3.3? 檢驗流程

（1）將儲罐內(nèi)加至滿液位，穩(wěn)定保持該液位靜置2 h以上，同時切斷與儲罐相連的進出口閥門，排除干擾外部因素，以降低環(huán)境背景噪聲。

（2）如圖2所示布置傳感器，對各個通道進行模擬源聲發(fā)射幅度值靈敏度校準，每個通道的幅度值與所有通道的平均幅度值之差不應大于±4 dB。

（3）測量聲速，即根據(jù)傳感器間距和時差計算聲速。

（4）背景噪聲測試，設(shè)置門檻值。

（5）運行聲發(fā)射檢測儀，檢測時通過人為地打開、關(guān)閉指定的模擬泄漏閥門，按不同的泄漏量記錄聲發(fā)射檢測信號，檢測結(jié)束后，再次按步驟（2）對各個通道進行靈敏度校準。

（6）檢測結(jié)束后，提取出有用的參數(shù)進行分析，觀察泄漏信號的特征和規(guī)律。

試驗得到L3和L4閥門在泄漏量為1.2 L/min時的二維、三維定位圖，如圖3和圖4所示。

4? 檢測結(jié)果分析

從L1～L8閥門的模擬泄漏聲發(fā)射檢測信號波形圖可以看出，該信號為連續(xù)信號（圖5）。根據(jù)定位信號和聚類分析可得L1～L8閥門的聲發(fā)射信號定位圖（例如圖3、4），與設(shè)計圖紙比對可以得出連續(xù)泄漏的聲發(fā)射檢測信號在該試驗中的時差定位精度并不高，對于疊加突發(fā)型聲發(fā)射檢測信號而言，該方法可提供參考[1]。目前已有學者對泄漏引起的連續(xù)聲發(fā)射檢測信號提出了更準確的方法，如幅度衰減測量區(qū)域定位方法、互相關(guān)式定位方法等[4]。此次試驗更注重于分析泄漏信號的特征，對定位準確性的研究將在后續(xù)試驗中進行。

為了區(qū)別底板腐蝕和泄漏引起的聲發(fā)射檢測信號，通過應用能量—持續(xù)時間和計數(shù)—持續(xù)時間關(guān)聯(lián)圖對聲發(fā)射檢測信號特征進行進一步分析，比對連續(xù)信號（泄漏信號，圖6）和突發(fā)信號（腐蝕信號，圖7）的特征。不難發(fā)現(xiàn)，在兩個關(guān)聯(lián)圖中，儲罐底板的連續(xù)信號持續(xù)時間都比對應的突發(fā)信號持續(xù)時間長得多。據(jù)此，為了研究泄漏信號的聲發(fā)射特性，可以在數(shù)據(jù)處理時將底板腐蝕引起的聲發(fā)射檢測信號屏蔽。

通過大量試驗數(shù)據(jù)可以得到噪聲信號的RMS值≤0.000 4 V，泄漏信號穩(wěn)定時的RMS≥0.000 6 V，如圖8所示。以上數(shù)值在用于區(qū)分噪聲信號和泄漏信號時區(qū)分度不大。經(jīng)過式（2）理論換算得知，噪聲信號的ASL≤12 dB，泄漏信號的ASL≥15 dB。

在L3、L4兩個閥門分別開啟后，模擬泄漏量為1.2 L/min時的RMS值，并隨機抽查任意時間點的ASL值，如圖9所示。泄漏信號的ASL值集中在20 dB以上，而對應的采集前背景噪聲的ASL值集中在15 dB以下，從而得出ASL≥15 dB為可以作為有效地區(qū)分真實泄漏信號與背景噪聲信號的依據(jù)值[5]。而結(jié)合實際采集的RMS值和式（1）可以分析出，RMS值是用電壓這一物理量表示泄漏的，其值對應的泄漏信號與背景噪聲在數(shù)值上區(qū)分度不大。因此在以后的儲罐檢測中，使用ASL數(shù)值結(jié)合定位信號和聚類分析的方法來判斷是否有泄漏更為直觀。

其次，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)可進一步得出通過ASL值來判斷是否有泄漏更具可靠性。靠近泄漏源處的ASL值高于遠離泄漏源處的信號電平。如圖9所示，通道3和通道4附近的ASL值總體上高于其他通道，但由于儲罐的底板尺寸較小，L3、L4探頭與毗鄰探頭的ASL值區(qū)分度不大，據(jù)此，將ASL測量值最高處的位置確定為泄漏點。而在不同時段的實際檢測中，若不止一個探頭位置的ASL值較大，就要結(jié)合單通道系統(tǒng)的逐點檢測，通過泄漏點進行多點測試，進一步確認泄漏的位置。

5? 應用

如表1所示，通過2018-2020年對常壓儲罐底板聲發(fā)射檢測的應用，在排除了現(xiàn)場背景噪聲和腐蝕聲發(fā)射檢測信號（突發(fā)信號）等影響后，我們進一步確認，ASL≥15 dB結(jié)合定位信號和聚類分析這一依據(jù)能夠比較快速地幫助檢驗人員在現(xiàn)場判斷儲罐是否存在泄漏的情況。結(jié)合分析信號的特征，可開展進一步的驗證性檢驗（如延長現(xiàn)場聲發(fā)射檢測的時間、開罐目視、采用超聲等其他無損檢測方法進行局部復檢），以更為準確地定位泄漏點。

6? 結(jié)論與展望

本文使用多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，在儲罐壁上布置探頭陣列，對儲罐底板多個部位進行了檢測。主要結(jié)論有：

（1）由于模擬泄漏儲罐底板尺寸的限制，靠近泄漏源處探頭的ASL值區(qū)分度不明顯，但是明顯高于遠離泄漏源處的ASL值。在實際應用中，可通過增加采集時間進行聚類分析，根據(jù)各個通道的信號電平水平，將ASL最高測量值出現(xiàn)次數(shù)最多的通道傳感器所覆蓋的區(qū)域確定為泄漏點所在區(qū)域。

（2）經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)得出，對于一般的常壓儲罐底板，可以以ASL值≥15 dB為發(fā)生泄漏的依據(jù)值[5]。經(jīng)驗證，該依據(jù)值結(jié)合定位信號和聚類分析的方法判斷常壓儲罐是否泄漏的操作簡便、有效。

同時，試驗發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射檢測方法在進行時差定位時，定位準確度不足，需要額外的方法進行進一步的復驗，以縮小泄漏定位的范圍。

參考文獻

[1] 無損檢測 聲發(fā)射泄漏檢測方法： GB/T 33643-2017[S].

[2] 楊晶， 李錄平， 高倩霞， 等. 基于聲發(fā)射檢測的閥門內(nèi)泄漏率定量診斷技術(shù)[J]. 動力工程學報， 2013， 33（6）： 455-460.

[3] 無損檢測 常壓金屬儲罐聲發(fā)射檢測及評價方法： JB/T 10764-2007[S].

[4] 沈功田. 聲發(fā)射檢測技術(shù)及應用[M]. 北京： 科學出版社， 2015.

[5] 孔德連， 霍臻， 楊元慶. 聲發(fā)射技術(shù)在閥門泄漏在線監(jiān)測方面的應用[D]. 北京： 北京化工大學， 2010.

作者簡介：

吳錚（1987—），通信作者，男，漢族，工程師，大型儲罐檢驗實驗室負責人，學士，主要從事壓力容器的制造、在用檢驗和大型常壓儲罐的安全評估。

E-mail： 271496598@qq.com

（收稿日期：2020-08-12）