聲發(fā)射技術(shù)在儲(chǔ)罐底板腐蝕檢測(cè)中的應(yīng)用

蔣林林,李玲杰,2,蘇碧煌,2,王志濤,2,張彥軍,2

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451；2.CNPC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)

原油儲(chǔ)罐作為儲(chǔ)存原油的專(zhuān)用設(shè)備，廣泛用于石化、石油等相關(guān)行業(yè)。大型儲(chǔ)罐一旦發(fā)生腐蝕泄漏，就可能引發(fā)嚴(yán)重災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。統(tǒng)計(jì)資料顯示，在役儲(chǔ)罐的底板是腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域[1]。對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行定期檢測(cè)，是保證儲(chǔ)罐安全運(yùn)行的重要手段。開(kāi)罐檢測(cè)過(guò)程包括停工、倒空、清洗、無(wú)損檢測(cè)等工序，存在造價(jià)高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等不足。在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)可以在不開(kāi)罐的情況下實(shí)現(xiàn)罐底腐蝕的檢測(cè)。目前，用于儲(chǔ)罐底板在線(xiàn)檢測(cè)的方法主要有聲發(fā)射、超聲導(dǎo)波以及機(jī)器人技術(shù)三種[1-3]。超聲導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用很少，機(jī)器人在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還是空白，聲發(fā)射檢測(cè)是目前儲(chǔ)罐底板在線(xiàn)檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的一種檢測(cè)技術(shù)[4]。儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射在線(xiàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重大影響，本工作通過(guò)儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果與開(kāi)罐檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比分析，明確了該技術(shù)可用于儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況的檢測(cè)評(píng)價(jià)，尤其適用于大型儲(chǔ)罐群罐底腐蝕狀況的快速篩查，為合理安排儲(chǔ)罐檢修周期提供科學(xué)依據(jù)，具有良好的推廣前景。

1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的原理

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(chēng)為聲發(fā)射(Acoustic Emission,簡(jiǎn)稱(chēng)AE)，有時(shí)也稱(chēng)為應(yīng)力波發(fā)射[5]。

常壓聲發(fā)射檢測(cè)主要用于儲(chǔ)罐底板的腐蝕、泄漏狀態(tài)評(píng)估。當(dāng)儲(chǔ)罐底板存在腐蝕缺陷時(shí)，材料強(qiáng)度降低，在液位作用下產(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(hào)。當(dāng)儲(chǔ)罐底板發(fā)生泄漏時(shí)，介質(zhì)流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的聲發(fā)射信號(hào)。儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射在線(xiàn)檢測(cè)通過(guò)安裝在儲(chǔ)罐外壁下部的傳感器陣列接收由于儲(chǔ)罐底板腐蝕或泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，然后根據(jù)JB/T 10764-2007《無(wú)損檢測(cè)常壓金屬儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法》，通過(guò)信號(hào)分析對(duì)罐底結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕狀況評(píng)價(jià)。圖1為儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射檢測(cè)原理圖。聲發(fā)射傳感器等距離耦合在儲(chǔ)罐罐壁周?chē)?，被?dòng)接收儲(chǔ)罐底板腐蝕聲發(fā)射信號(hào)。通過(guò)傳感器接收到腐蝕聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔定位聲源，將接收到的聲發(fā)射信號(hào)分析處理確定腐蝕狀況，從而對(duì)罐底的整體完整性及安全性做出評(píng)估[6]。

圖1 儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射檢測(cè)原理示意圖Fig.1 Principle diagram of acoustic emission testing for tank floor

為了避免罐頂及檢測(cè)傳感器上部罐壁噪聲對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響，采用兩排傳感器布置。底下一排為主檢測(cè)傳感器，主要接收來(lái)自罐底的聲發(fā)射信號(hào)；第二排為護(hù)衛(wèi)傳感器，優(yōu)先接收來(lái)自罐頂液滴撞擊液面產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)[7]。結(jié)合噪聲干擾數(shù)據(jù)篩選方法，篩除來(lái)自罐壁和罐頂?shù)母蓴_信號(hào)。

2 儲(chǔ)罐底板的聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)

2.1 檢測(cè)對(duì)象

對(duì)4座儲(chǔ)罐底板進(jìn)行了腐蝕狀況聲發(fā)射在線(xiàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)。被檢測(cè)儲(chǔ)罐的基本信息見(jiàn)表1。

表1 被檢測(cè)儲(chǔ)罐的基本信息Tab.1 Basic information of detected tanks

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)物理聲學(xué)(PAC)公司的SAMOS48全數(shù)字化多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)、DP3I和ISPK3I聲發(fā)射一體化探頭(響應(yīng)帶寬為20～100 kHz)、真空脂、磁性吸座、數(shù)據(jù)線(xiàn)、卷尺。

2.3 測(cè)試過(guò)程

儲(chǔ)罐1采用12個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。12個(gè)傳感器均安裝在儲(chǔ)罐外壁面：1～6號(hào)為檢測(cè)傳感器，安裝高度(離罐基礎(chǔ)距離)為0.75 m；7～12號(hào)為護(hù)衛(wèi)傳感器，安裝高度為2 m。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2 h。

儲(chǔ)罐2采用12個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。傳感器全部安裝在離罐基礎(chǔ)0.75 m高度的儲(chǔ)罐外壁面。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2 h。

儲(chǔ)罐3采用30個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。1～15號(hào)為檢測(cè)傳感器，安裝在離罐基礎(chǔ)0.8 m高度的儲(chǔ)罐外壁面，16～30號(hào)為護(hù)衛(wèi)傳感器，安裝高度為1.95 m。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為18.5 h。

儲(chǔ)罐4采用42個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)。1～21號(hào)為檢測(cè)傳感器，安裝在離罐基礎(chǔ)0.8 m高度的儲(chǔ)罐外壁面，22～42號(hào)為護(hù)衛(wèi)傳感器，安裝高度為1.85 m。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為13.5 h。

2.4 數(shù)據(jù)分析與討論

目前，聲發(fā)射信號(hào)的分析與處理方法分為兩種：一種是先用簡(jiǎn)化的特征參數(shù)表示聲發(fā)射信號(hào)的特征，然后分析和處理這些特征參數(shù)；另一種是直接存貯和記錄聲發(fā)射信號(hào)的波形，對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析[8]。簡(jiǎn)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(hào)分析方法。

采用簡(jiǎn)化波形的特征參數(shù)分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。濾除環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲、電磁噪聲，對(duì)有效信號(hào)的評(píng)級(jí)主要針對(duì)撞擊數(shù)與事件數(shù)，以及定位集中的部位。超過(guò)門(mén)檻值并使某一通道獲取數(shù)據(jù)的任何信號(hào)稱(chēng)之為一個(gè)撞擊，所測(cè)得的撞擊個(gè)數(shù)稱(chēng)為撞擊數(shù)，撞擊數(shù)反映了聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度。產(chǎn)生聲發(fā)射的一次材料局部變化稱(chēng)之為一個(gè)聲發(fā)射事件，測(cè)得的事件個(gè)數(shù)稱(chēng)為事件數(shù)。以撞擊數(shù)的多少作為腐蝕等級(jí)評(píng)估的基礎(chǔ)，事件數(shù)的多少以及出現(xiàn)的集中程度作為潛在泄漏等級(jí)評(píng)估的基礎(chǔ)，通過(guò)腐蝕等級(jí)和潛在泄漏等級(jí)來(lái)綜合評(píng)估儲(chǔ)罐底板的完整性[9]。

按照J(rèn)B/T 10764-2007標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，采用聲發(fā)射源的區(qū)域定位分析及表2所示分級(jí)方法進(jìn)行儲(chǔ)罐底板數(shù)據(jù)分析。表中K值通過(guò)相同的檢測(cè)儀器與工作參數(shù)對(duì)相同規(guī)格和運(yùn)行條件的儲(chǔ)罐進(jìn)行一定數(shù)量的檢測(cè)試驗(yàn)和開(kāi)罐驗(yàn)證試驗(yàn)取得。

表2 基于區(qū)域定位分析的儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射源的分級(jí)Tab.2 Classification of acoustic emission source of tank floor based on area positioning analysis

參照J(rèn)B/T 10764-2007標(biāo)準(zhǔn)，按照美國(guó)物理聲學(xué)(PAC)公司全數(shù)字化多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)推薦的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)方法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)儲(chǔ)罐1采集的數(shù)據(jù)處理之后，得到撞擊數(shù)726個(gè)，事件數(shù)25個(gè)，單個(gè)通道每小時(shí)出現(xiàn)的撞擊數(shù)為61，結(jié)合儲(chǔ)罐運(yùn)行檢修情況，儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)，存在輕微腐蝕現(xiàn)象，建議2～3 a之后再進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。儲(chǔ)罐1罐底定位參考圖如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)罐1罐底定位參考圖Fig.2 Reference diagram of locations on floor of tank No.1

儲(chǔ)罐2采集的撞擊數(shù)為21 861個(gè)，事件數(shù)為61個(gè)。數(shù)據(jù)采集的第2個(gè)小時(shí)，1、5、6、9通道出現(xiàn)了嚴(yán)重的干擾，導(dǎo)致撞擊數(shù)快速增長(zhǎng)，事件數(shù)也大幅增加，原因是6號(hào)傳感器附近的加熱管道產(chǎn)生大量噪聲。因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，將異常時(shí)間點(diǎn)之后上述通道產(chǎn)生的數(shù)據(jù)全部濾除，處理之后得到的撞擊數(shù)為578個(gè)，事件數(shù)為17個(gè)，單個(gè)通道每小時(shí)出現(xiàn)的撞擊數(shù)為24個(gè)，結(jié)合儲(chǔ)罐運(yùn)行檢修情況，底板的腐蝕狀況評(píng)價(jià)為Ⅰ級(jí)，建議4～5 a之后再進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。儲(chǔ)罐2罐底定位參考圖如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)罐2罐底定位參考圖Fig.3 Reference diagram of locations on floor of tank No.2

儲(chǔ)罐3的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為18.5 h，其中夜間采集數(shù)據(jù)時(shí)存在干擾，干擾源為周期信號(hào)。選取白天采集的3 h數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理之后得到的撞擊數(shù)為45 797個(gè)，事件數(shù)為4 828個(gè)，單個(gè)通道每小時(shí)出現(xiàn)的撞擊數(shù)為1 018個(gè)，結(jié)合儲(chǔ)罐運(yùn)行檢修情況，該儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)。儲(chǔ)罐3罐底定位參考圖如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)罐3罐底定位參考圖Fig.4 Reference diagram of locations on floor of tank No.3

儲(chǔ)罐4的采集時(shí)間為13.5 h，選取信號(hào)平穩(wěn)時(shí)間段2.78 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理之后得到的撞擊數(shù)為17 394個(gè)，事件數(shù)為1 789個(gè)，單個(gè)傳感器每小時(shí)接收的撞擊數(shù)為298個(gè)，結(jié)合儲(chǔ)罐運(yùn)行檢修情況，該儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)，可2～3 a后再進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。儲(chǔ)罐4罐底定位參考圖如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)罐4罐底定位參考圖Fig.5 Reference diagram of locations on floor of tank No.4

3 開(kāi)罐檢測(cè)結(jié)果

對(duì)4個(gè)儲(chǔ)罐進(jìn)行開(kāi)罐檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下：

檢測(cè)儲(chǔ)罐1的罐底中幅板37塊、邊緣板11塊。結(jié)果表明：中幅板實(shí)測(cè)壁厚8 mm，邊緣板實(shí)測(cè)壁厚10 mm。漏磁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)量深度不小于40%的缺陷有4處，其中2處為上表面機(jī)械損傷，2處為腐蝕缺陷，如圖6所示，最大當(dāng)量腐蝕深度為47%(上表面機(jī)械損傷)。

(a) 第1處

檢測(cè)儲(chǔ)罐2的罐底中幅板140塊、邊緣板24塊。結(jié)果表明：邊緣板實(shí)測(cè)壁厚9.8～10.2 mm。定期檢驗(yàn)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)腐蝕異常。

檢測(cè)儲(chǔ)罐3的罐底中幅板153塊、邊緣板30塊。結(jié)果表明：罐內(nèi)底板防腐蝕層出現(xiàn)局部鼓包破損現(xiàn)象，如圖7所示；中幅板第48塊上表面存在1處腐蝕坑，如圖8所示，腐蝕坑最大深度為3 mm，壁厚最大減薄30%，下表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕當(dāng)量不小于壁厚20%的腐蝕點(diǎn)。

圖7 儲(chǔ)罐3底板的涂層鼓包Fig.7 Bubbling of coating on floor of tank No.3

圖8 儲(chǔ)罐3中幅板上表面腐蝕坑Fig.8 Corrosion pit in center plate upper surface of tank No.3

檢測(cè)儲(chǔ)罐4的罐底中幅板171塊、邊緣板40塊。其中，中幅板設(shè)計(jì)壁厚為11.0 mm，檢測(cè)得到其壁厚最大值為11.1 mm，最小值為10.9 mm，中幅板表面存在機(jī)械損傷2處；邊緣板設(shè)計(jì)壁厚為21 mm，檢測(cè)得到其壁厚最大值為21.8 mm，最小值為20.6 mm。100%漏磁掃描檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)背部腐蝕。

4 結(jié)論

(1) 儲(chǔ)罐1、3、4底板聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅱ級(jí)，存在輕微腐蝕現(xiàn)象，儲(chǔ)罐2底板聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ級(jí)，均不需要立即進(jìn)行開(kāi)罐檢修維護(hù)。

(2) 開(kāi)罐檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐1、3、4罐底板均存在輕微腐蝕狀況，儲(chǔ)罐2底板未發(fā)現(xiàn)腐蝕異常。

(3) 儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果與開(kāi)罐檢測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，因此聲發(fā)射技術(shù)可用于儲(chǔ)罐底板腐蝕的在線(xiàn)檢測(cè)評(píng)價(jià)。

聲發(fā)射在線(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)效率高、成本低、檢測(cè)結(jié)果可靠，可大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少環(huán)境污染，在我國(guó)大型儲(chǔ)罐日益增多、管理任務(wù)繁重的國(guó)情下，是確保儲(chǔ)罐安全運(yùn)行的重要手段。