畢海勝 李自力 程遠鵬 王 軍 榮海霞

(中國石油大學(華東)油氣儲運工程系)

材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(Acoustic Emission， AE)，也稱為應力波發(fā)射、微振動活動等[1]。用聲發(fā)射儀探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用信號推斷聲發(fā)射源位置、性質(zhì)和嚴重性的技術(shù)稱為聲發(fā)射檢測(Acoustic Emission Testing，AET)技術(shù)[2]。最近幾十年來，聲發(fā)射作為一種無損在線檢測技術(shù)在石油化工行業(yè)得到了廣泛的應用，特別在油氣儲運系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備檢測中發(fā)揮著重要的作用。聲發(fā)射檢測與傳統(tǒng)無損檢測相比，最明顯的特點是：首先它檢測的信號來自材料本身，反映缺陷的本源特征；其次它著重于動態(tài)監(jiān)測，揭示缺陷隨時間形成和發(fā)展的變化規(guī)律。因而，聲發(fā)射在常壓儲罐底板腐蝕檢測、油氣管道腐蝕穿孔泄漏檢測、LPG和CNG球罐和槽車的腐蝕開裂檢測、LNG以及丙烷低溫儲罐檢測等諸多方面取得了良好的效果，逐漸將傳統(tǒng)基于時間的定期檢測轉(zhuǎn)變?yōu)榛陲L險評估的聲發(fā)射結(jié)構(gòu)完整性檢測。根據(jù)檢測的結(jié)果，分析其聲發(fā)射源的性質(zhì)，評定其腐蝕嚴重性，并根據(jù)儲罐及管道的腐蝕程度進行分級，確定其檢測周期，保證其在線安全運行。

1 聲發(fā)射檢測基本原理

從聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波傳播到材料表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測到的表面位移，檢測儀器將材料的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大、處理和記錄后可進行分析。固體材料中內(nèi)應力的變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號，在材料加工、處理和使用過程中很多因素能引起內(nèi)應力的變化，如位錯、相變、磁疇運動、裂紋萌生與擴展、腐蝕開裂或斷裂、熱脹冷縮以及外加載荷等。

聲發(fā)射檢測采取“被動聽聲”的方式，即從聲發(fā)射源發(fā)出的信號經(jīng)介質(zhì)傳播后到達傳感器，由傳感器接收并輸出電信號，根據(jù)這些電信號處理分析對聲發(fā)射源做出正確的解釋。

2 聲發(fā)射在油氣儲運系統(tǒng)中的應用

油氣儲運系統(tǒng)是連接上游原油生產(chǎn)和下游成品油銷售的重要紐帶，而儲罐、油氣管道及其附屬設(shè)備的腐蝕、自然和人為破壞嚴重威脅著系統(tǒng)的安全運行。因腐蝕而引起的泄漏、擴散、燃燒甚至爆炸事故不僅給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟損失，而且還造成嚴重的環(huán)境污染，甚至造成人員傷亡。因此必須定期對這些關(guān)鍵設(shè)備進行安全檢測和風險評估，而采用聲發(fā)射在線檢測可以降低事故風險，保證設(shè)備安全運行。

2.1 常壓儲罐底板腐蝕檢測

常壓儲罐底板腐蝕是儲罐失效的主要形式，其常規(guī)的檢測方法主要有：漏磁檢測(MFL Testing)、超聲波檢測(Ultrasonic Testing)和液體滲透檢測(Liquid Penetrant Testing)。相比較而言，聲發(fā)射檢測具有很多優(yōu)點：無需倒罐和清罐； 100%底板檢測；快速、低成本檢測；檢測靈敏度高、可靠性好；對儲罐底板腐蝕程度進行分級，識別出無損罐和需要進一步檢測、維修的儲罐[3,4]。檢測一個直徑為50m的儲罐只需一天，且實現(xiàn)底板的100%檢測。

儲罐底板電化學腐蝕過程中，氫氣泡的生成、聚結(jié)和破裂、腐蝕產(chǎn)物的堆積、開裂和剝離、裂紋的生成和擴展、腐蝕穿孔泄漏等腐蝕衍生行為都會產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射，這些腐蝕信號通過安裝在罐壁上的若干個壓電傳感器探測得到，必要時可以布置雙圈傳感器，來消除儲罐上層噪聲信號的干擾，儲罐聲發(fā)射檢測如圖1所示。傳感器把接收到的罐底板腐蝕信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過放大、處理和儲存，利用AE源定位技術(shù)來探測和確定有意義AE源的位置和活性，通過對探測到的有效AE信號的分析來判斷儲罐底板腐蝕的程度，從而對儲罐底板進行完整性評價。

圖1 儲罐罐底聲發(fā)射檢測

通過對聲發(fā)射參數(shù)和定位關(guān)聯(lián)分析，得到儲罐底板腐蝕狀況的二維和三維分布圖，以定位點和方柱示意其分布和腐蝕程度，如圖2所示。

圖2 儲罐底板腐蝕狀況分布

根據(jù)撞擊率和定位事件數(shù)分析，得出腐蝕缺陷點分布和定位，對儲罐腐蝕狀況進行分級[5,6]，見表1。同時結(jié)合儲罐底板超聲波測厚和漏磁檢測復檢結(jié)果，計算底板腐蝕速率并預測剩余壽命，評估儲罐底板的完整性，從而對應確定檢修周期和采取相應的維修措施。

表1 儲罐底板聲發(fā)射檢測腐蝕程度分級

2.2 管道腐蝕泄漏檢測

油氣管道常規(guī)無損檢測方法主要有超聲和漏磁檢測等，對短距離管道，兩者具有一定優(yōu)勢，但常規(guī)無損檢測技術(shù)的缺點是檢測過程為逐點掃描式，不能有效用于成千上萬公里的管道檢測，尤其是長距離埋地管道的腐蝕及泄漏檢測一直是這個領(lǐng)域的工程難題，因而聲發(fā)射檢測技術(shù)的應用更具有工程價值。

管線在線運行情況下，對檢測到的泄漏信號進行識別與提取，采用互相關(guān)分析方法實現(xiàn)泄漏定位。泄漏的聲發(fā)射信號特點為：泄漏所激發(fā)的聲發(fā)射波頻譜具有陡峭的尖峰；泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號較強，且強度與泄漏速率成正比；泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號是連續(xù)型的。實際檢測中，根據(jù)信號相關(guān)函數(shù)，引入相關(guān)系數(shù)的算法，可以排除信號幅度的影響，使相關(guān)運算的結(jié)果真正反映信號之間的相似性。聲發(fā)射信號x(n)和y(n)的相關(guān)系數(shù)計算公式為：

(1)

N取A(n)數(shù)據(jù)點數(shù)的一半，等于B(n)數(shù)據(jù)點數(shù)的一半；m取0～N-1。相關(guān)值最大時對應的采樣點數(shù)mmax，采樣頻率f則泄漏信號到達傳感器的時間差Δt為：

(2)

對應找出傳感器1和2接收到的信號相關(guān)程度最大值，計算相關(guān)函數(shù)峰值出現(xiàn)的時間差，從而實現(xiàn)泄漏源的定位[7～9]。管線上探頭間距為50～100m，能有效地找到腐蝕泄漏點。

管道腐蝕泄漏聲發(fā)射信號既攜帶結(jié)構(gòu)的某些特征信息(泄漏孔大小、形狀及位置等)，同時又具有腐蝕的隨機性和不確定性，隨著聲發(fā)射理論及計算機技術(shù)的發(fā)展，管道泄漏聲發(fā)射檢測技術(shù)將得到提高，尤其是基于波形分析的模態(tài)聲發(fā)射(Modal Acoustic Emission，MAE)技術(shù)的潛在應用[10]，能夠更好地消除噪聲信號的干擾，將使得可探測到的泄漏量值大大降低，定位精度進一步提高。

2.3 CNG、LPG球罐、臥罐檢測

金屬壓力容器是國內(nèi)外聲發(fā)射檢測的重點對象，聲發(fā)射技術(shù)是進行帶缺陷運行壓力容器檢測與安全評估最合適的方法之一。它能夠檢測出壓力容器的動態(tài)缺陷，獲取活性缺陷的動態(tài)信息，跟蹤發(fā)現(xiàn)缺陷的擴展，從而對壓力容器進行聲發(fā)射在線監(jiān)測和安全性評價。對于高壓的CNG球罐的聲發(fā)射檢測，其聲發(fā)射信號主要來自于局部超壓、裂紋擴展和腐蝕產(chǎn)物剝離，經(jīng)計算并進行缺陷定位，對聲發(fā)射源活性程度進行分級。如圖3所示，布置立體三角形傳感器陣列，不同顏色定位點代表不同的聲發(fā)射活性區(qū)域，即從A～E分5級，越往下越嚴重。

圖3 CNG球罐聲發(fā)射檢測三維定位

同樣，對于LPG貯罐聲發(fā)射檢測，根據(jù)檢測結(jié)果和相關(guān)標準判斷在使用壓力范圍內(nèi)貯罐能否繼續(xù)安全使用，主要對環(huán)焊縫、縱焊縫、鼓包和腐蝕活性點進行檢測。如圖4所示，在兩端封頭、靠近焊縫處布置環(huán)形傳感器陣列。

圖4 臥罐罐體聲發(fā)射檢測示意圖

現(xiàn)場實際檢測一個直徑為15m的球罐只需三天時間，且對焊縫、裂紋和腐蝕活性點實現(xiàn)100%檢測，并給出整體評價。

2.4 低溫儲罐檢測

常規(guī)無損檢測在低溫、超低溫等操作人員難以接近的場合下失效或很難實施，而聲發(fā)射檢測不受限制，因而在低溫儲罐完整性檢測方面發(fā)揮著重要的作用。對于單層低溫儲罐，其聲發(fā)射檢測方法類似于常壓儲罐底板檢測，難點在于傳感器與罐壁的耦合。普通的耦合劑在低溫下對聲發(fā)射波有很高的衰減性，聲發(fā)射波通過耦合層時發(fā)生嚴重衰減而致信號很難被檢測到，因此尋找合適的低溫耦合劑至關(guān)重要。相關(guān)研究表明，用水作耦合劑，利用罐壁低溫形成冰膜而耦合取得了較好的效果[11]。此外，也采用由金屬或陶瓷制成的波導桿轉(zhuǎn)接器，它是通過焊接或加壓方式固定于罐壁，可使罐壁低溫端的聲發(fā)射波傳輸?shù)匠囟说膫鞲衅?，但這一結(jié)構(gòu)會引起一定的傳輸衰減和波形畸變，其接觸面為主要的衰減因素。

對于LNG和液氮儲罐等，儲存介質(zhì)溫度極低，通常具有雙層罐壁結(jié)構(gòu)。外壁與內(nèi)壁之間一般填充松散顆粒狀或泡沫狀保冷層，有時還注入諸如氮氣類惰性氣體；兩層罐底板之間硬性絕緣，兩層罐壁之間很少有金屬直接連接，這就使得直接在罐內(nèi)壁安裝AE傳感器且耦合良好相當困難，從而增加了檢測的難度。對于在建的雙層低溫儲罐，可以預先在內(nèi)壁靠近底板處安裝永久低溫傳感器，外面預留接線接頭，如圖5所示。定期進行聲發(fā)射在線檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，實現(xiàn)低溫雙層儲罐的完整性評價。

圖5 低溫雙層儲罐聲發(fā)射檢測示意圖

2.5 其他設(shè)備檢測

在油氣儲運系統(tǒng)中，除了各類儲罐和管道采用聲發(fā)射檢測外，還有很多附屬設(shè)備也可采用聲發(fā)射檢測。BP公司在過去十幾年里，采用聲發(fā)射對各類閥門做了大量的泄漏檢測，在建立閥門大小、類型和壓差數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上聯(lián)合美國PAC研發(fā)了VPACTM系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)管道閥門泄漏快速檢測，可以在幾分鐘之內(nèi)對閥門泄漏水平進行評估，大大節(jié)省了檢測成本；一些分離器(如三相分離器)和厚壁塔器(如蒸餾塔)設(shè)備可以采用聲發(fā)射進行連續(xù)在線監(jiān)測，快速評估設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性[12,13]；此外，在換熱器的腐蝕檢測和蒸汽管道應力腐蝕開裂檢測等領(lǐng)域都用到了聲發(fā)射技術(shù)，取得了良好的檢測效果[14]。

3 結(jié)論

聲發(fā)射檢測以其不同于傳統(tǒng)無損檢測的特有優(yōu)勢，成功應用于儲罐底板腐蝕，管道腐蝕泄漏、壓力容器、低溫儲罐和設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性檢測，并實現(xiàn)腐蝕程度分級和完整性評估。此外，聲發(fā)射在閥門泄漏檢測、分離器、塔器和換熱器完整性檢測等方面也開始得到應用。盡管聲發(fā)射檢測本身還存在諸多不足，但隨著聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展和信號處理技術(shù)的提升，聲發(fā)射檢測在油氣儲運系統(tǒng)中將得到更廣泛的應用。

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