畢海勝,李自力,程遠(yuǎn)鵬,陳健飛,王軍

（1.中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,青島266580；2.中國石化勝利油田技術(shù)檢測中心,東營257000）

聲發(fā)射是材料中局域源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象,也稱應(yīng)力波發(fā)射（stress wave emission）、微震動(dòng)活動(dòng)（microseismic activity）等。用聲發(fā)射儀探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)［1-2］,它是一種動(dòng)態(tài)無損檢測技術(shù)。近十幾年來,在石油化工、電力工業(yè)、金屬加工等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［3］。罐底聲發(fā)射檢測相對于傳統(tǒng)的漏磁（MFL）、超聲測厚（UT）、滲透（PT）等無損檢測,具有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：首先,它檢測的有用信號來自缺陷本身,反映罐底板缺陷的本源特征；其次,它著重于連續(xù)動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測,揭示腐蝕缺陷隨時(shí)間和應(yīng)力演變的發(fā)展規(guī)律［4-6］。它無需倒罐和清罐,快速低成本的實(shí)現(xiàn)罐底板100%覆蓋檢測,對底板腐蝕缺陷和裂紋的萌生進(jìn)行早期預(yù)判并形成聚類、定位,跟蹤缺陷的發(fā)展,不干擾儲罐的正常運(yùn)行。

因此,聲發(fā)射是目前一種不用開罐而評估罐底腐蝕狀況的無損檢測技術(shù)［7-8］。通過對儲罐底板聲發(fā)射信號的去噪、聚類、定位和識別,評估底板的腐蝕程度,并根據(jù)聲發(fā)射檢測標(biāo)準(zhǔn)對儲罐進(jìn)行“好”與“壞”的分級,變“定期檢測”為“狀態(tài)檢測”［9-10］。同時(shí)結(jié)合開罐超聲波底板測厚數(shù)據(jù),建立腐蝕深度分布函數(shù),推導(dǎo)其腐蝕速率,找出聲發(fā)射活度與腐蝕速率的相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)不開罐情況下定量描述底板的腐蝕速率,進(jìn)一步預(yù)測底板腐蝕剩余壽命,這對大型常壓儲罐的安全檢測和維護(hù)管理具有重要的指導(dǎo)意義。

1 聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波,傳播到被檢測物體表面,引起可以用聲發(fā)射傳感器探測到的表面位移,傳感器將表面的瞬態(tài)位移轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過放大、處理后,形成其特性參數(shù),并被記錄和處理,如圖1（a）所示。

超過門檻的聲發(fā)射信號由特征提取電路變換為幾個(gè)信號特性參數(shù),腐蝕聲發(fā)射信號屬于典型的突發(fā)型信號,其主要特性參數(shù)包括：幅度（Amplitude）、上升時(shí)間（Rise time）、持續(xù)時(shí)間（Duration）、振鈴（Counts）、撞擊（Hits）和能量（Energy）,突發(fā)信號特性參數(shù)示意如圖1（b）所示。

圖1 聲發(fā)射檢測基本原理圖Fig.1 Basic principle of acoustic emission testing：（a）acoustic emission testing；（b）burst AE signal characteristic parameters

2 底板腐蝕速率與聲發(fā)射活度

聲發(fā)射活度是指儲罐檢測期間,聲發(fā)射信號隨載荷或時(shí)間變化的程度,主要用聲發(fā)射撞擊數(shù)和幅度分布來表征。撞擊數(shù)反映聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度,評價(jià)聲發(fā)射源活動(dòng)性；幅度與聲發(fā)射事件大小直接相關(guān),不受檢測門檻的影響,直接決定事件的可測性,用于測量信號的強(qiáng)度和衰減。而底板腐蝕過程中,腐蝕產(chǎn)物的堆積和摩擦、氧化膜的剝離和開裂、蝕坑的形成和發(fā)展以及生成氫氣泡的空化作用甚至于穿孔泄漏,都會(huì)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號。因此,聲發(fā)射活度在一定程度上表征底板腐蝕速率的大小。

2.1 聲發(fā)射活度與腐蝕程度相關(guān)性

每通道撞擊數(shù)可用來表征聲發(fā)射活度的大小,而聲發(fā)射活度與罐底腐蝕程度直接相關(guān),因此可用聲發(fā)射撞擊數(shù)有效表征罐底的腐蝕程度［11-12］。幅度分布直接描述腐蝕聲發(fā)射過程中能量的分布,從而可建立聲發(fā)射活度與幅度之間的關(guān)系,x、y分別為單個(gè)通道聲發(fā)射信號的幅值和撞擊數(shù),則聲發(fā)射信號幅度分布函數(shù)：

式（2）中l(wèi)gy和lgx成斜率為-b的線性關(guān)系,如果b和lgc確定,幅度分布函數(shù)就可確定,從而可利用幅度分布來區(qū)分有用信號和噪聲信號,并識別腐蝕源的類型。

假定腐蝕聲發(fā)射信號被n個(gè)安裝在罐壁的聲發(fā)射傳感器檢測到,則第i個(gè)傳感器檢測到的信號幅度分布表示為：

分形理論認(rèn)為,局部與局部、局部與整體在形態(tài)、功能、信息、時(shí)間與空間等方面具有統(tǒng)計(jì)意義的相似性的一類物質(zhì),具備分形特征,分形的兩個(gè)基本特性為自相似性和分形維數(shù)。而在聲發(fā)射檢測中,相同靈敏度、同類型傳感器在不同位置接收的同一定位腐蝕源產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,經(jīng)過分析,具有自相似的幅度分布,斜率-b基本不變,存在分形特征,分維數(shù)為b,考慮到所有傳感器接收到的信號,則有：

腐蝕源的聲發(fā)射事件數(shù)為N,n個(gè)通道總的聲發(fā)射撞擊數(shù)為Y：

設(shè)定聲發(fā)射信號采集閾值電壓xT,對應(yīng)的聲發(fā)射事件數(shù)為NT：

NT可表征儲罐底板腐蝕活性的強(qiáng)弱,xT轉(zhuǎn)化為分貝（dB）單位［13-15］：

式中：A為幅值,聯(lián)立（6）,（7）,（8）式可得到改進(jìn)型古騰堡-里克特（Gutenberg-Richter）公式：

2.2 基于統(tǒng)計(jì)分析的底板腐蝕速率

腐蝕具有隨機(jī)性,儲罐底板腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程,但其腐蝕減薄量滿足一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律［16］。對某油庫36座不同類型、不同罐容的儲罐（25座原油罐,6座成品油罐和5座燃料油罐）,最近幾年開罐超聲波底板測厚的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。腐蝕減薄量為h,將大于h的減薄量出現(xiàn)的累計(jì)概率記作P（h）,并在雙對數(shù)坐標(biāo)系下,以P（h）對h作圖,即罐底腐蝕減薄量分布曲線,也稱為腐蝕風(fēng)險(xiǎn)曲線,以其中4個(gè)典型罐為例,如圖2所示。

從圖2可看出,不同儲罐底板腐蝕風(fēng)險(xiǎn)曲線都具有“尾端”相似性,即lgP（h）與lgh在曲線末端成局部線性,說明此分布也具有分形特征,即底板腐蝕減薄量（或蝕坑）越深,其統(tǒng)計(jì)的累計(jì)數(shù)量（或概率）越小的統(tǒng)一規(guī)律。大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,h在“尾端”變化區(qū)域內(nèi),P（h）與h存在一定的冪函數(shù)關(guān)系,即P（h）∝h-D?！拔捕恕毙甭式^對值代表減薄量分布特征的分維數(shù)D,這也是腐蝕形貌屬于分形體系的佐證之一［17-20］?！拔捕恕本€性（陰影矩形）逐漸向h增大的方向偏移,對應(yīng)儲罐的底板腐蝕速率逐漸增大,圖中Da＞Db＞Dc＞Dd,即D值越小,罐底腐蝕速率越大。這一結(jié)論通過開罐測厚計(jì)算底板腐蝕速率得到了很好的驗(yàn)證。D的計(jì)算式為：

式（11）代表0時(shí)刻腐蝕減薄量和其對應(yīng)累計(jì)概率的關(guān)系,經(jīng)過Δt后,累計(jì)概率P（h）的分布為：

Δt微元時(shí)間內(nèi),分維數(shù)D可視為恒定值,且ΔP≥0,k是與罐底腐蝕過程相關(guān)的常數(shù),聯(lián)立式

圖2 儲罐底板腐蝕風(fēng)險(xiǎn)曲線Fig.2 Risk curves of tank bottom corrosion（a） 1＃50 000m3 crude oil tank（b） 2＃50 000m3 crude oil tank（c） 5 000m3 product tank（d） 20 000m3 fuel oil tank

t0為開罐檢測的某時(shí)刻,取t0＝0,對應(yīng)的概率密度最大的腐蝕減薄量為hm,即：

k取值與罐底板腐蝕密切相關(guān)［12］,通常取k＝10～20。

2.3 腐蝕速率與聲發(fā)射活度的相關(guān)性

綜上,儲罐底板腐蝕聲發(fā)射幅度與撞擊數(shù)成冪函數(shù)關(guān)系,腐蝕累計(jì)概率與減薄量也成冪函數(shù)關(guān)系,說明基于統(tǒng)計(jì)分析的腐蝕速率與聲發(fā)射活度具有相關(guān)性。經(jīng)對多個(gè)現(xiàn)場儲罐聲發(fā)射檢測數(shù)據(jù)和開罐超聲波測厚數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,可近似得出兩者相關(guān)性如圖3所示。

圖3 罐底板腐蝕速率與聲發(fā)射活度的關(guān)系Fig.3 Correlation between tank bottom corrosion rate and AE activity

圖3中擬合直線在一定范圍內(nèi)較好地描述了腐蝕速率與聲發(fā)射活度的線性相關(guān),這就表明,在不開罐檢測情況下,直接利用聲發(fā)射在線檢測數(shù)據(jù)來推測罐底板的腐蝕速率是可行的。但由于儲罐底板聲發(fā)射現(xiàn)場檢測及時(shí)開罐驗(yàn)證的次數(shù)相對較少,后續(xù)還需要利用更多的現(xiàn)場開罐檢測數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證腐蝕速率與聲發(fā)射活度的關(guān)系,同時(shí)考慮罐容、儲存介質(zhì)、環(huán)境條件等諸多因素對兩者關(guān)系的影響,通過修正并建立相對可靠的對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而計(jì)算并預(yù)測罐底板腐蝕剩余壽命,最終實(shí)現(xiàn)對儲罐完整性進(jìn)行評估。

3 結(jié)論

通過一系列公式推導(dǎo)以及現(xiàn)場常壓儲罐底板腐蝕聲發(fā)射檢測和超聲波測厚數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,可以得出：

（1）罐底腐蝕聲發(fā)射幅度分布具備分形特征,推導(dǎo)聲發(fā)射撞擊數(shù)和幅度分布滿足改進(jìn)型Guten-

（2）罐底板腐蝕減薄量分布具有分形特征,P（h）與h定的冪函數(shù)關(guān)系（尾端線性變化區(qū)域內(nèi)）,即P（h）∝h-D。

（3）在不開罐情況下,利用在線聲發(fā)射活度來推測罐底板的腐蝕速率剩余壽命是可行的。

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