濱海電廠露天儲罐腐蝕損傷檢測與結(jié)構(gòu)安全評定

王 俊，孫永亮，呂 峰，鄭顯崇

(蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

國內(nèi)濱海電廠露天儲罐大多選用碳鋼材料，內(nèi)外壁采用涂層防護。在儲罐內(nèi)介質(zhì)和儲罐外海洋大氣及雨水的多重腐蝕介質(zhì)作用下，儲罐部件尤其是底板面臨著嚴(yán)峻的腐蝕風(fēng)險[1]。根據(jù)國內(nèi)濱海電廠的運營經(jīng)驗，一般電廠運行10 a前后，露天儲罐的腐蝕問題開始顯現(xiàn)。在運行1525 a期間，將迎來腐蝕問題的集中爆發(fā)，主要表現(xiàn)為涂層大面積老化失效和金屬基體腐蝕減薄甚至穿孔。

目前，國內(nèi)濱海電廠對于露天儲罐普遍采用預(yù)防性檢修的管理方式，檢測手段以目視檢測為主，在目視檢測發(fā)現(xiàn)涂層及金屬基體缺陷時，根據(jù)維修預(yù)案進行處理。然而，目視檢測存在較大的局限性，一方面目視檢測無法識別底板下表面的腐蝕，導(dǎo)致檢查和管理存在盲區(qū)，只能被動等待底板發(fā)生穿孔；另一方面，目視檢測無法測量腐蝕缺陷深度，也不易獲取基體腐蝕損傷程度超出設(shè)計腐蝕裕量的情況。

國內(nèi)某濱海電廠露天儲罐經(jīng)長時間服役后，內(nèi)壁涂層出現(xiàn)大面積鼓泡，為了準(zhǔn)確掌握儲罐腐蝕狀態(tài)，電廠開展了儲罐的腐蝕損傷檢測與計算評價工作，并提出了相應(yīng)的改進行動建議。

1 技術(shù)方案與原理

1.1 儲罐基礎(chǔ)信息

該廠露天儲罐材料為碳鋼(牌號為20G)，內(nèi)外壁表面涂裝厚度約0.5 mm的涂層。儲罐直徑為8 m，高度為11.9 m，設(shè)計容量為500 m3，最高運行溫度為60 ℃。罐壁與罐頂設(shè)計厚度為7 mm，罐底設(shè)計厚度為8 mm，腐蝕裕量為1.6 mm。罐壁由4塊鋼板對接焊接組成，罐底由10塊鋼板搭接焊組成，罐頂由10塊扇形鋼板搭接焊接組成。該罐近年目視檢測發(fā)現(xiàn)儲罐底板涂層出現(xiàn)大面積鼓泡，局部有銹點，罐壁和罐頂涂層局部破損，基體腐蝕損傷程度未知，底板下表面腐蝕狀況未知。

1.2 檢測方案

通過對儲罐內(nèi)外部環(huán)境的腐蝕性進行分析，結(jié)合儲罐內(nèi)外壁歷史檢查結(jié)果，確定腐蝕敏感部位為儲罐底板、罐壁3 m(平均液位線附近)以下區(qū)域、罐壁3 m以上局部涂層破損區(qū)域以及罐頂局部涂層破損區(qū)域。具體檢測方案如下。

(1) 針對罐頂，在罐外采用相控陣超聲檢測儀進行檢測。

(2) 針對罐壁大面積無遮擋部位，采用搭載水浸式超聲探頭的自動爬行機器人進行C掃描，省去了搭設(shè)腳手架的成本與實施風(fēng)險，對于罐壁底部、人孔門、豎梯附近機器人等不可達部位，采用相控陣超聲檢測儀進行補充檢測。

(3) 針對罐底，在罐內(nèi)采用漏磁檢測儀進行檢測，對檢測出的異常部位采用相控陣超聲檢測儀進行復(fù)驗。

1.2.1 相控陣超聲檢測

當(dāng)相控陣超聲探頭掃查區(qū)域出現(xiàn)腐蝕坑時，不同晶片激發(fā)的超聲波信號會因傳播距離的不同而在屏幕上呈現(xiàn)不同的回波顯示，其回波圖形顯示與腐蝕坑剖面形狀近似，從而可以快速、準(zhǔn)確地識別出待測工件的腐蝕坑位置與尺寸。其檢測原理如圖1所示。

圖1 腐蝕坑相控陣檢測原理示意

1.2.2 智能機器人超聲C掃描

搭載水浸式超聲探頭的智能C掃描機器人是一種利用超聲波的聲學(xué)特性并結(jié)合運動編碼信息，通過電腦集成系統(tǒng)對超聲信號進行處理分析，以獲得缺陷在不同深度層面上的二維聲學(xué)圖像的一種先進檢測設(shè)備。其采用多元線陣探頭實現(xiàn)水平面上x，y方向的綜合掃描。從所顯示的二維圖像上可以直觀地看到一定深度層面上缺陷的形狀、位置、分布及取向。利用計算機圖像處理技術(shù)將不同深度層面上的C掃描圖像進行疊加，便可以得到缺陷的立體圖像、三維尺寸和空間分布[2]。

智能C掃描機器人采用回波差值法去除涂層對測試結(jié)果的影響，具體做法為，在回波信號中設(shè)置兩個閘門，第一個閘門設(shè)置在一次回波處，第二個閘門設(shè)置在第二個回波處，利用閘門間差值方法計算母材厚度。智能C掃描機器人檢測無需去除涂層，節(jié)省了大量的腳手架搭設(shè)的成本和打磨去除涂層的工作量，降低了作業(yè)風(fēng)險。

1.2.3 漏磁檢測

漏磁檢測的原理是通過外加磁場對鐵磁性鋼板進行磁化，如果被磁化的鋼板表面或內(nèi)部存在不連續(xù)或缺陷，則會有一部分磁力線從缺陷位置附近溢出，通過使用檢測傳感器(如霍爾元件)接收溢出的磁力線，來判斷缺陷是否存在，并對缺陷大小進行定量分析[3]。其檢測原理如圖2所示。

圖2 漏磁檢測原理示意

考慮到該儲罐底板表面存在密集的涂層鼓泡，漏磁檢測儀在行進過程中可能產(chǎn)生顛簸，導(dǎo)致接收到的磁通量發(fā)生波動，從而帶來檢測誤差。為了解決上述問題，考慮在檢測實施前對底板整體鋪設(shè)具有一定強度和厚度的透明塑料板，塑料板厚度為1 mm，鋪設(shè)后對漏磁檢測儀進行重新標(biāo)定以消除塑料板對檢測精度帶來的影響。

2 檢測結(jié)果

2.1 罐頂相控陣超聲檢測結(jié)果

選用型號為Mentor UT的相控陣超聲檢測儀對罐頂進行相控陣超聲檢測，探頭型號為115-100-020，晶片組數(shù)為32，頻率為5.0 MHz，超聲波類型選擇縱波，聲速為5 900 m·s-1，增益為39 dB。

在罐外對罐頂局部涂層破損區(qū)域進行相控陣超聲檢測，檢測識別出一處腐蝕坑，減薄深度為1.75 mm，腐蝕坑直徑約15 mm。該腐蝕坑相控陣檢測結(jié)果如圖3所示，圖像凸起形狀即為腐蝕坑截面輪廓。

圖3 罐頂一處腐蝕坑相控陣超聲檢測結(jié)果

2.2 罐壁智能機器人超聲C掃描結(jié)果

選用搭載水浸式超聲探頭的智能爬行機器人，儀器型號為Tablet UT，對罐壁進行C掃描，掃描速度為120 mm·s-1，掃描寬度為260300 mm，每間隔5 mm取一次數(shù)據(jù)，步進間距為5 mm。

智能機器人超聲C掃描共分為60個區(qū)域，其中3 m以下分48個區(qū)域，3 m以上分12個區(qū)域，每個掃描區(qū)域?qū)挾燃s為260300 mm。掃描共獲取壁厚數(shù)據(jù)142 431個，其中最大減薄點低于80%設(shè)計壁厚的區(qū)域有21個；最大減薄點低于70%設(shè)計壁厚的區(qū)域有5個，位于儲罐罐壁人孔門和罐壁最上部(第4層)，最大壁厚減薄為39%(減薄2.72 mm)。腐蝕坑C掃圖像及其軟件模擬的3D形貌如圖4所示，其位置對應(yīng)內(nèi)壁頂部一處涂層破損區(qū)域。

圖4 罐壁腐蝕坑C掃圖像及其3D形貌

除最小壁厚點之外，區(qū)域性的減薄同樣需要關(guān)注，此類區(qū)域可能是涂層老化失效的部位，金屬基體面臨著均勻腐蝕減薄。從機器人C掃圖像上看，存在較為明顯的區(qū)域性減薄的區(qū)域共計37處，分布于25個掃描區(qū)域中。

2.3 罐底漏磁檢測結(jié)果

選用型號為TMS-09的漏磁檢測儀(見圖5)對罐底進行漏磁檢測。漏磁檢測儀由磁橋、磁鐵和霍爾傳感器模塊、驅(qū)動馬達單元和電池箱、電子模塊控制單元以及可分離的工業(yè)計算機等組成。檢測儀采用永久磁鐵磁化;共30個通道;設(shè)置高靈敏度霍爾探頭60個;掃查寬度為260 mm；傳感器陣列間距為8 mm;位移編碼器掃查步進為2 mm；最大檢測速度可以達到0.7 m·s-1。

圖5 漏磁檢測儀實物

采用校準(zhǔn)試板對檢測儀器各獨立通道進行功能測試。通過調(diào)節(jié)儀器的設(shè)定值和傳感器的高度，控制儀器精度為±10%板厚，定位誤差為±5 mm。校準(zhǔn)試板由儲罐底板常用的8 mm厚鋼板制作(表面鋪設(shè)1 mm厚塑料板片)，試板的寬度為600 mm，試板的長度為1 600 mm。校準(zhǔn)試板上有深為板厚的20%，40%，60%和80%的4個球型人工缺陷，缺陷之間的間距為200 mm。

底板漏磁檢測共識別缺陷45處，其中有37處缺陷減薄率為20%～30%，有8處缺陷減薄超過30%，其中最大減薄率為67%，該區(qū)域靠近排水管口。缺陷減薄率分布如圖6所示。

圖6 罐底缺陷減薄率區(qū)間分布示意

對識別出的45處缺陷選取其中7處進行驗證，鏟除涂層后發(fā)現(xiàn)上表面存在不同程度的腐蝕坑；為進一步確認(rèn)上述區(qū)域下表面是否存在腐蝕減薄，采用相控陣超聲檢測儀進行驗證。經(jīng)兩種檢測結(jié)果對比，同時結(jié)合外觀檢查結(jié)果推斷，上述7處缺陷區(qū)域的最大腐蝕減薄點均來自底板下表面。以其中一處缺陷為例，漏磁檢測顯示該區(qū)域減薄當(dāng)量為39%，清理該區(qū)域涂層后發(fā)現(xiàn)上表面金屬基體完好未發(fā)生腐蝕；相控陣超聲檢測發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在腐蝕坑，深度約為2.56 mm，從而判斷該區(qū)域底板下表面存在腐蝕坑，該缺陷部位照片及其漏磁與相控陣超聲檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 缺陷部位照片及其漏磁與相控陣超聲檢測結(jié)果

3 計算與評價

3.1 設(shè)計最小壁厚

該電廠儲罐設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)為EN 14015-2004，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)8.2.3節(jié)，碳鋼材料采用搭接焊的儲罐底板名義厚度不小于6 mm；根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)10.3.3節(jié)，碳鋼材料儲罐頂板最小厚度不小于5 mm。

根據(jù)EN14015-2004標(biāo)準(zhǔn)9.2.2節(jié)，儲罐罐壁名義厚度不應(yīng)小于式(1)的結(jié)果。

(1)

式中：ec為設(shè)計條件要求的殼體厚度；D為儲罐的直徑，取8 m；S為允許的設(shè)計應(yīng)力，取2/3材料屈服強度(20G碳鋼材料屈服強度為245 MPa)，即163 MPa；W為存儲條件下所存儲液體的最大設(shè)計密度，取1 kg·l-1；Hc為底部到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高度的距離，根據(jù)設(shè)計容量與直徑計算最高液位為9.95 m；p為設(shè)計壓力，常壓設(shè)計，取100 kPa；c為允許的腐蝕裕量，取1.6 mm。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1),得ec=6.37 mm。綜合上述結(jié)果，得出儲罐罐壁最小厚度為6.37 mm。

根據(jù)上述檢測結(jié)果，頂板當(dāng)前最小壁厚為5.25 mm，滿足設(shè)計要求；底板當(dāng)前最小壁厚為2.64 mm，小于6 mm設(shè)計最小壁厚要求；罐壁當(dāng)前最小壁厚為4.28 mm，小于6.37 mm設(shè)計最小壁厚要求。

3.2 結(jié)構(gòu)安全評定

(1) 參數(shù)選擇與邊界條件

儲液罐材料牌號為A42CP，彈性模量為204 GPa，泊松比為0.3。儲罐外半徑為4 m，高度為11 m，容器壁厚為7 mm，底部壁厚為8 mm。儲罐罐壁下端存在一個腐蝕坑，深度為2.7 mm，直徑為40 mm，距離地面高度為180 mm。采用靜水壓力載荷，高度為10 m。

有限元及邊界條件：采用軸對稱模型，約束底部Y向位移。儲罐有限元模型如圖8所示。

圖8 儲罐ANSYS有限元模型

(2) 計算結(jié)果

ANSYS軟件計算結(jié)果顯示容器壁下端受力較大，最大應(yīng)力強度約為95 MPa，腐蝕凹坑處最大應(yīng)力強度約為75 MPa(見圖9)。

圖9 帶缺陷儲罐ANSYS軟件計算結(jié)果

在腐蝕凹坑處建立評定線，結(jié)果顯示Y向應(yīng)力沿著壁厚方向分布為：內(nèi)壁受壓外壁受拉，最大拉應(yīng)力約為43 MPa。腐蝕凹坑處應(yīng)力評定線如圖10所示。

圖10 儲罐腐蝕凹坑處應(yīng)力評定線示意

從腐蝕坑最大應(yīng)力強度和界面應(yīng)力分布結(jié)果看，其應(yīng)力強度遠低于該材料的許用強度，儲罐結(jié)構(gòu)安全滿足要求。

5 結(jié)語

(1) 綜合采用底板漏磁檢測、罐壁智能機器人超聲C掃描檢測、罐頂相控陣超聲檢測等方法全面、準(zhǔn)確地檢測儲罐整體腐蝕損傷狀態(tài)，為電廠儲罐運維管理提供技術(shù)支撐。智能機器人的使用省去了腳手架搭設(shè)的成本與實施風(fēng)險，提高了效率與質(zhì)量；底板表面塑料板的使用為在役儲罐漏磁檢測的實施提供了有益嘗試，在不影響檢測精度的同時避免了清除老化涂層的時間與成本。

(2) 針對該廠露天儲罐的當(dāng)前腐蝕狀態(tài)，建議采取的措施如下：短期內(nèi)，對存在腐蝕缺陷的部位進行維修補強；從中長期考慮，建議選擇合適的窗口期對底板進行整體更換，或者對整罐進行更換。

(3) 建議對濱海電廠露天儲罐預(yù)防性管理策略進行優(yōu)化，以提升設(shè)備的可靠性水平。根據(jù)美國核電廠NUREG-1801報告結(jié)合國內(nèi)多個濱海電廠露天儲罐歷史腐蝕檢查情況，以及坑蝕減薄速率統(tǒng)計情況(最大坑蝕減薄速率0.150.4 mm/a，中位值為0.20.25 mm/a)，建議國內(nèi)濱海電廠每10 a開展一次露天儲罐全面腐蝕檢測評估(目視檢測加體積檢查)工作。