程 偉郭雅迪李 健蔣金玉劉 洋

(1.中國石化管道儲運有限公司，江蘇 徐州 221008；2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580；3.合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

大型原油儲罐是國家戰(zhàn)略原油儲備庫和煉油企業(yè)最重要的儲運設備，儲存容積大，假如失效泄漏后果嚴重，因此其運行安全十分重要。通過檢測來發(fā)現(xiàn)和解決大型原油儲罐存在的問題[1-5]，從而保障大型原油儲罐的安全運行。由于大型原油儲罐開罐檢維修周期長、費用高[6]，在正常檢維修之前有些問題很難被發(fā)現(xiàn)，而利用在線監(jiān)測技術對其進行檢測，能在不停工開罐的情況下發(fā)現(xiàn)油罐存在的腐蝕等安全問題[7-8]。

聲發(fā)射檢測是目前大型原油儲罐主流的在線檢測方法。聲發(fā)射(acoustic emission，簡稱AE)是材料中局部區(qū)域應力集中，快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，利用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號和利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源的技術稱為聲發(fā)射技術[9]。儲罐在線聲發(fā)射檢測[10-13]，是通過安裝在罐壁下部的聲發(fā)射傳感器，來探測罐底板腐蝕和泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，并對檢測結(jié)果進行綜合等級劃分，以此來評價罐底板的腐蝕狀況，為合理安排開罐檢修計劃和實施儲罐完整性評價提供依據(jù)。如何提高聲源的定位準確率、最大限度地減少漏定位和偽定位，是聲發(fā)射檢測與結(jié)果評定的關鍵[14-15]。利用聲發(fā)射檢測技術對大型原油儲罐罐底板進行在線檢測，研究了聲發(fā)射檢測標定定位準確率及其影響因素，并將聲發(fā)射檢測結(jié)果與開罐檢查情況進行比對，驗證了聲發(fā)射檢測定位的可靠性，為聲發(fā)射檢測技術在大型原油儲罐進行應用提供參考。

1 聲發(fā)射檢測

1.1 檢測儲罐概況

此次進行在線聲發(fā)射檢測的5臺10×104m3大型雙盤式外浮頂原油儲罐，均依據(jù)GB 50341—2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》設計，按GB 50128—2005《立式圓筒形焊接油罐施工及驗收規(guī)范》進行施工。這5臺儲罐在底層罐壁板均勻布置3個攪拌器，罐內(nèi)未安裝加熱器和旋轉(zhuǎn)噴射器。5臺無保溫儲罐基本情況見表1。

5臺大型原油儲罐的防腐蝕措施完全一樣，罐底板上表面安裝鋁鎂合金陽極塊，下表面設置外加電流進行陰極保護。自投用以來5臺大型原油儲罐均運行正常，未進行開罐檢查。

1.2 檢測標準與試驗儀器

檢測標準：JB/T 10764—2007《無損檢測-常壓金屬儲罐聲發(fā)射檢測及其評價方法》。

試驗儀器：國外某公司Mirco-Ⅱ Express聲發(fā)射檢測儀(24通道)。傳感器：罐底板專用傳感器。耦合劑：黃油。固定方式：磁夾具。模擬源：0.3 H鉛芯。

表1 大型原油儲罐基本情況

1.3 試驗條件與步驟

1.3.1 試驗條件

大型原油儲罐聲發(fā)射檢測應具備以下條件：(1)儲罐液位達到最高操作液位的80%；(2)關閉進出口閥門及雷達液位計等其他干擾源；(3)在滿足條件(1)和(2)的基礎上，靜置24 h以上。

1.3.2 試驗步驟

(1)對儲罐周圍環(huán)境進行檢查，確保周圍無外界干擾源；(2)沿罐壁板距邊緣板往上500 mm處均勻布置24個傳感器；(3)通道靈敏度檢測要求每個通道響應的幅度值與平均值之差應不大于4 dB；(4)對每個傳感器進行采集前標定；(5)對儲罐進行在線聲發(fā)射檢測，檢測時間不少于2 h；(6)再次進行通道靈敏度檢測；(7)對每個傳感器進行采集后標定；(8)在線聲發(fā)射檢測結(jié)束。

2 聲發(fā)射檢測標定定位

2.1 標定定位的準確率

標定定位是大型原油儲罐聲發(fā)射檢測的第一步，標定定位是否準確，直接關系到聲發(fā)射檢測信號定位的準確性。對5臺大型原油儲罐進行采集前和采集后標定定位，檢測頻率為20～100 kHz，門檻值60 dB，模擬源0.3 H鉛芯。T01傳感器布置見圖1。T01罐采集前標定定位圖見圖2。由圖2可以看出：1號、5號、10號探頭標定信號略微飄移，11號探頭標定信號飄移較多(見圖2藍色圓圈)，其余20個探頭標定信號定位準確，也就是說,除10號探頭標定定位有偏差以外，其余23個探頭標定信號定位基本準確，此處稱之為合格標定。

圖1 T01罐傳感器布置示意

圖2 T01罐采集前標定定位

采用同樣方法，對T02，T03，T04和T05罐采集前和采集后標定定位圖進行分析和統(tǒng)計，結(jié)果見表2。由表2可以看出：標定定位準確率最低為75.00%，最高為95.83%，平均標定定位準確率為87.92%。

表2 標定定位準確率統(tǒng)計

2.2 標定定位的影響因素分析

傳感器安裝在底層罐壁板上，而在底層罐壁板上有幾個接管，包括進出料接管、攪拌器接管和人孔等。為了研究這些接管對聲發(fā)射檢測定位的影響，對T01和T02罐進行聲發(fā)射檢測標定定位試驗，檢測頻率20～100 kHz，門檻值60 dB，模擬源0.3 H鉛芯。

在T01罐1號、11號、16號、18號和19號傳感器旁進行斷鉛，其定位圖見圖3。

圖3 T01罐標定試驗定位

由圖3可以看出：在11號和18號傳感器旁進行斷鉛，定位圖上不僅在11號和18號傳感器附近出現(xiàn)了斷鉛信號，而且還在8號和23號傳感器附近出現(xiàn)了回聲信號,見圖3中紅色圓圈。

在T02罐1號、14號、15號、19號、20號和23號傳感器旁進行斷鉛，其定位圖見圖4。由圖4可以看出：在1號、14號、19號和20號傳感器旁進行斷鉛，定位圖上不僅在1號、14號、19號和20號傳感器附近出現(xiàn)了斷鉛信號，而且還在13號、2號、7號和8號傳感器附近出現(xiàn)了回聲信號,見圖4中紅色圓圈。

圖4 T02罐標定試驗定位

將T01和T02罐試驗數(shù)據(jù)進行匯總，見表3。

表3 T01/T02罐定位試驗結(jié)果

由表3可以看出：(1)T01罐1號和16號傳感器、T02罐1號傳感器周圍無接管，處于無干擾位置，在這3個傳感器旁斷鉛，斷鉛信號均準確定位，但T02罐定位圖上13號傳感器附近出現(xiàn)了1號傳感器旁斷鉛的回聲信號。(2)T01罐11號、18號和19號，T02罐14號、15號、19號、20號和23號傳感器周圍均有大尺寸接管，處于受干擾位置，在這8個傳感器旁斷鉛，定位圖上均出現(xiàn)了準確的斷鉛定位信號，但也出現(xiàn)了5處回聲信號。(3)在T01和T02罐共計11個斷鉛事件中，出現(xiàn)了6處回聲信號，不同之處在于：T02罐的回聲信號與真實斷鉛信號處在對稱位置，而T01罐的回聲信號并非處在真實斷鉛信號的對稱位置，比如11號傳感器旁斷鉛信號的回聲信號出現(xiàn)在1號傳感器旁，而11號傳感器的對稱位置是23號傳感器。

由表3還可以看出：與處于無干擾位置的傳感器相比較，處于大尺寸接管附近傳感器標定時出現(xiàn)回聲信號的概率較大，大尺寸接管對聲發(fā)射檢測定位有影響。

2.3 標定回聲信號分析

對T01罐和T02罐標定試驗時回聲信號數(shù)據(jù)進行匯總，統(tǒng)計情況見表4。由表4可以看出：(1)標定件的回聲信號不一定會在其完全對稱位置出現(xiàn)，也有可能略微偏移；(2)T02罐1號、14號、19號和20號探頭標定回聲信號均出現(xiàn)在對稱位置，回聲信號源幅值分別為64,65,66和62 dB，相對標定信號源幅值99 dB，回聲信號源幅值有所下降。取4個回聲信號源幅值的平均值64.25 dB來計算標定信號在原油中的衰減程度：

(99-64.25)dB/80 m=0.434 dB/m。

也就是說，斷鉛信號在原油中的衰減速率為0.434 dB/m。

表4 T01/T02罐回聲信號統(tǒng)計

3 聲發(fā)射檢測標定定位可靠性研究

標定定位準確性高是大型原油儲罐聲發(fā)射檢測定位可靠性高的前提條件。大型原油儲罐聲發(fā)射檢測標定定位分析結(jié)果顯示：標定定位準確率最低為75.00%，最高為95.83%，平均為87.92%，標定定位基本準確,仍需進一步驗證聲發(fā)射檢測定位的可靠性。

3.1 聲發(fā)射檢測結(jié)果

T01到T05罐聲發(fā)射檢測結(jié)果，見表5。由表5可以看出，T03罐罐底板腐蝕狀態(tài)等級最低(Ⅰ級)；T02罐罐底板腐蝕狀態(tài)等級最高(Ⅲ級)。

3.2 聲發(fā)射檢測標定定位可靠性

2018年，先后對T01,T03和T04罐進行開罐檢查，將開罐檢查結(jié)果和聲發(fā)射檢測結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如下：

(1)T01罐三維定位圖和平面定位圖見圖5和圖6。由圖5和圖6可以看出：聲發(fā)射檢測信號主要集中在平面定位圖上的1，2和3處，尤其位置2事件數(shù)較多。

開罐宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：T01罐罐底板上表面防腐涂層基本完好，陽極塊溶解很少，在位置1,2,3,4和5處發(fā)現(xiàn)罐底板上表面防腐涂層出現(xiàn)鼓包和局部破損。

圖5 T01罐三維定位

圖6 T01罐平面定位

(2)T03罐三維定位圖和平面定位圖見圖7和圖8。由圖7和圖8可以看出：聲發(fā)射檢測信號主要集中在平面定位圖上的6,7,8,9和10處。

開罐宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：T03罐罐底邊緣處陽極塊溶解較多，中幅板陽極塊溶解較少；罐底板防腐涂層狀況較好，在位置6,7,8,9和10處發(fā)現(xiàn)罐底板上表面防腐涂層出現(xiàn)鼓包和局部破損。

圖7 T03罐三維定位

圖8 T03罐平面定位

(3)T04罐三維定位圖和平面定位見圖9和圖10。由圖9和圖10可以看出：聲發(fā)射檢測信號主要集中在平面定位圖上的位置11,12,13和14處。

圖9 T04罐三維定位

圖10 T04罐平面定位

開罐宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：T04罐罐底板陽極塊溶解較少，罐底板防腐涂層狀況較好，在位置11,12,13,14,15和16處發(fā)現(xiàn)罐底板上表面防腐涂層出現(xiàn)鼓包和局部破損，罐底板未見明顯腐蝕。

結(jié)合T01,T03和T04罐聲發(fā)射檢測結(jié)果與開罐檢查情況，可以認為：(1)罐底板聲發(fā)射檢測信號集中區(qū)域，均發(fā)現(xiàn)防腐涂層鼓包和破損；(2)防腐涂層鼓包和破損區(qū)域，未必都會有聲發(fā)射檢測信號，這可能是由于聲發(fā)射檢測信號偏移所致；(3)T01,T03和T04罐聲發(fā)射檢測罐底板腐蝕狀態(tài)為Ⅱ級，腐蝕狀況為少量腐蝕，開罐檢查發(fā)現(xiàn)罐底板腐蝕狀況與聲發(fā)射檢測所得腐蝕狀況基本吻合，僅罐底板上表面防腐層出現(xiàn)局部鼓包和破損，未見腐蝕坑。

4 結(jié) 論

(1)聲發(fā)射檢測標定定位準確率最低為75.00%，最高為95.83%，平均標定定位準確率為87.92%。探頭附近接管對聲發(fā)射檢測標定定位有影響。

(2)對T01罐和T02罐標定試驗時的回聲信號數(shù)據(jù)進行匯總，發(fā)現(xiàn)標定事件的回聲信號不一定會在其完全對稱位置出現(xiàn)，也有可能略微偏移；與標定信號源幅值相比較，回聲信號源幅值有所下降；取4個回聲信號源幅值的平均值64.25 dB來計算標定信號在原油中的衰減程度，得出斷鉛信號在原油中的衰減速率為0.434 dB/m。

(3)將T01罐、T03罐和T04罐開罐檢查結(jié)果與聲發(fā)射檢測結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射檢測信號集中區(qū)域，均發(fā)現(xiàn)了可以產(chǎn)生信號源的腐蝕現(xiàn)象，驗證了聲發(fā)射檢測定位的可靠性。