護衛傳感器在拱頂儲罐罐底聲發射檢測中的應用

林明春，康葉偉，王維斌，熊 敏，張 磊

（1.中國石油管道研究中心，河北 065000；2.中國石油管道公司沈陽調度中心，遼寧 110031）

大型儲罐是石化企業中極其重要的設施，其安全運行有著重要的意義，所以需要對儲罐進行定期檢測。儲罐檢測對象主要為罐底、罐壁、罐頂及相關附件［1－2］。在儲罐運行過程中，由于受壓力變化、介質腐蝕等不利因素的影響，罐底板腐蝕和泄漏是造成儲罐安全隱患的最主要原因。目前，儲罐罐底聲發射在線檢測技術的應用越來越得到石化行業的認可，然而，對不同類型的儲罐，應用聲發射檢測時信號采集的方法卻基本相同［2－6］。對于拱頂罐［7］，由于儲罐內外溫差的緣故，罐頂會形成液滴，液滴滴落到液面時會產生聲發射信號，通用的信號采集方法無法區分來自罐底缺陷和罐頂液滴的聲發射信號。筆者提出利用護衛傳感器的方法，濾除來自罐頂液滴的聲發射噪聲信號，從而提高罐底缺陷聲發射信號的有效性。

1 儲罐罐底聲發射檢測常規方法

采用聲發射技術對儲罐底板進行在線檢測主要是利用載荷變化時，腐蝕減薄區產生變形而引起的腐蝕層脫落與開裂，以及泄漏產生的湍流聲等聲發射信號。在工作狀態下，儲罐底板主要有以下兩種有效的聲發射源［8］：局部嚴重腐蝕區的受載變形產生有效聲源及泄漏點的液體流動聲源。

通過按一定陣列固定布置在儲罐上的換能器接收來自罐底板“聲源”的信號，通過專門的軟硬件對這些信息進行數據采集與分析處理，以判斷罐底板的腐蝕情況以及是否存在泄漏，罐底聲發射在線檢測原理如圖1所示。在檢測前，儲罐液位上升到其安全液位的80%以上，并靜止24h以上；在距離罐底約1m 左右的位置，沿罐壁圓周均布一定數量的聲發射傳感器（具體傳感器數量根據儲罐的直徑決定），通過信號電纜把傳感器與聲發射檢測儀連接，從而實現罐底聲發射在線檢測［9］。

圖1 儲罐聲發射在線檢測原理圖

2 拱頂儲罐的特殊性及解決方案

外浮頂儲罐和內浮頂儲罐浮盤漂浮在儲罐內含液體的液面上，基本不存在來自罐頂的滴液噪聲影響，可以按照圖1所示原理進行信號采集。但對于拱頂儲罐，由于儲罐內外溫差的緣故，罐頂會形成液滴，液滴滴落到液面時會產生滴落噪聲，直接在油品中傳播，且該信號與罐底泄漏信號十分相似，因此如果不加以消除，就會對罐底聲發射源的性質做出錯誤判斷，并直接影響到罐底結構完整性的評價結果［10］。考慮到滴落噪聲與罐底腐蝕信號的聲源方向的不同，筆者提出增加一組傳感器的方法，通過在罐壁上布置兩組傳感器，其中一組接收來自罐頂液滴撞擊液面產生的聲發射信號，即護衛傳感器，另一組接收來自罐底的聲發射信號。根據護衛傳感器和檢測傳感器被觸發的先后順序，對聲發射波的來源方向進行區分，進而達到屏蔽來自罐頂液滴聲發射源的目的。

3 拱頂儲罐罐底聲發射檢測試驗

3.1 護衛傳感器數量的確定

護衛傳感器的數量原則上與檢測傳感器的數量相同，如果聲發射儀的檢測通道數有限，也可適當減少，但傳感器之間的間距≤10 m，否則將導致遺漏液滴聲發射信號的采集。護衛傳感器布置點可位于主傳感器組正上方，也可以與主傳感器交錯布置，但要求與主傳感器一樣沿罐壁均布，如圖2所示。

圖2 護衛傳感器布置高度設置

3.2 護衛傳感器布置高度的確定

在罐底腐蝕聲發射檢測試驗中主要是采集來自罐底的腐蝕聲發射信號，所以要求主傳感器位置距離罐底盡可能地近一些；但考慮到罐底可能會有淤積層，所以推薦主傳感器距離罐底1m 左右。

當護衛傳感器組產生定位事件時，可令主傳感器組中的所有傳感器在一段時間內閉鎖，主傳感器在閉鎖時間內不進行任何定位計算，以忽略滴落噪聲產生的定位。其中，主傳感器的閉鎖時間Δt可根據兩傳感器組之間的距離d以及聲發射波在特定介質中的傳播速度v來確定，即Δt＝d／v。為了保證主傳感器盡可能多地接收到來自罐底的有效聲發射信號，要求主傳感器的閉鎖時間越短越好（但不能小于系統規定的最小閉鎖時間Δt），這就要求兩組傳感器之間的距離越短越好。

如圖2所示，假定罐頂油品滴落點位于靠近罐壁位置，5號傳感器的正上方（其它位置的滴落在計算方法上與之類似）。罐頂滴落噪聲通過油品傳播，首先觸發護衛傳感器（4，5和6號傳感器），并會產生一個定位事件。分別經過時間Δt1，Δt2和Δt3后，再觸發主傳感器（1，2和3號傳感器）。根據幾何關系，聲源傳播至護衛傳感器和主傳感器的最大路徑之差為2號和5號傳感器之間的直線距離，故：

因此，在護衛傳感器被觸發后，令主傳感器在之后的Δtmax內閉鎖，即可忽略由罐頂滴落噪聲引起的定位。

雖然主傳感器組在閉鎖時間內不進行定位計算，但建議對所有超過閾值的聲發射撞擊都進行記錄和保存，以利于數據的事后分析處理。

4 現場試驗

對中國石油管道公司某輸油站上的1萬立方拱頂柴油罐進行了在線檢測試驗。現場檢測如圖3所示，主傳感器和護衛傳感器各采用9個，呈交叉錯位布置。主傳感器組距離罐底0.75m，護衛傳感器距離罐底2.07m，閉鎖時間為3ms。

圖3 現場檢測情況

4.1 護衛傳感器的有效性驗證

各通道閾值設定為50dB，在5 號主傳感器的正上方高于護衛傳感器位置處用木槌敲擊罐壁，在開通護衛傳感器功能的情況下，罐底定位結果如圖4所示，定位事件數為41個；當關閉護衛傳感器功能時，在相同的情況下，定位結果如圖5所示，定位事件數為178個。

4.2 帶護衛傳感器的罐底聲發射檢測試驗

各通道閾值設定為40dB，關閉儲罐的所有進出油口及各電子采集設備，從試驗當天18：32開始采集，直到次日11：57停止，共采集了17.3h。在開通護衛傳感器功能的情況下，罐底定位結果如圖6所示，定位事件數為2 414個；通過軟件設置，對同一組數據關閉護衛傳感器功能時，定位結果如圖7所示，定位事件數為4 645個。試驗證明，護衛傳感器能有效地濾除來自罐頂液滴產生的干擾信號。

5 結論

對于拱頂儲油罐，在進行罐底聲發射在線檢測時，罐頂液滴會造成很大的干擾信號。提出的利用護衛傳感器濾除液滴干擾的方法，通過對中石油管道公司某輸油站1萬立方拱頂柴油罐進行試驗，結果表明能有效地濾除罐頂液滴產生的干擾噪聲，為進一步對聲發射信號分析帶來了極大的便利。

［1］ API 653—2001 Tank Inspection，Repair，Alteration and Reconstruction［S］.

［2］ API 575—2005 Guideline and Methods for Inspection of Existing Atmospheric and Low－Pressure Storage Tanks［S］.

［3］ 李一博，孫立瑛，靳世久，等.大型常壓儲罐底板的聲發射在線檢測［J］，天津大學學報，2008，41（1）：11－16.

［4］ 閆河，沈功田，李光海，等.常壓儲罐底板特性的聲發射檢測［J］，壓力容器，2008，25（2）：53－57.

［5］ Cole P T，Gautrey S N.Development history of the tankpacTMAE，tank floor corrosion test［J］.NDT net，2002，7（9）：1－12.

［6］ 熊敏，林明春，康葉偉.儲罐罐底板聲發射在線檢測技術研究［J］.聲學技術，2008，26（5）：168－169.

［7］ 黃春芳.原油管道輸送技術［M］.北京：中國石化出版社，2003：500－512.

［8］ Ronnie K M，Miller R K.Tank－bottom leak detection in above－ground storage tanks by using acoustic emission［J］.Material Evaluation，1990，48（6）：822－829.

［9］ 關衛和，沈純厚，陶元宏，等.大型立式儲罐在線聲發射檢測與安全性評估［J］.壓力容器，2005，22（1）：40－44.

［10］ 耿榮生，沈功田，劉時風.聲發射信號處理和分析技術［J］.無損檢測，2002，24（1）：23－28.