聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用*

畢海勝 李自力 程遠(yuǎn)鵬 王 軍 榮海霞

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣儲(chǔ)運(yùn)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(chēng)為聲發(fā)射(Acoustic Emission， AE)，也稱(chēng)為應(yīng)力波發(fā)射、微振動(dòng)活動(dòng)等[1]。用聲發(fā)射儀探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用信號(hào)推斷聲發(fā)射源位置、性質(zhì)和嚴(yán)重性的技術(shù)稱(chēng)為聲發(fā)射檢測(cè)(Acoustic Emission Testing，AET)技術(shù)[2]。最近幾十年來(lái)，聲發(fā)射作為一種無(wú)損在線檢測(cè)技術(shù)在石油化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，特別在油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備檢測(cè)中發(fā)揮著重要的作用。聲發(fā)射檢測(cè)與傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)相比，最明顯的特點(diǎn)是：首先它檢測(cè)的信號(hào)來(lái)自材料本身，反映缺陷的本源特征；其次它著重于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，揭示缺陷隨時(shí)間形成和發(fā)展的變化規(guī)律。因而，聲發(fā)射在常壓儲(chǔ)罐底板腐蝕檢測(cè)、油氣管道腐蝕穿孔泄漏檢測(cè)、LPG和CNG球罐和槽車(chē)的腐蝕開(kāi)裂檢測(cè)、LNG以及丙烷低溫儲(chǔ)罐檢測(cè)等諸多方面取得了良好的效果，逐漸將傳統(tǒng)基于時(shí)間的定期檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榛陲L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的聲發(fā)射結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果，分析其聲發(fā)射源的性質(zhì)，評(píng)定其腐蝕嚴(yán)重性，并根據(jù)儲(chǔ)罐及管道的腐蝕程度進(jìn)行分級(jí)，確定其檢測(cè)周期，保證其在線安全運(yùn)行。

1 聲發(fā)射檢測(cè)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(cè)到的表面位移，檢測(cè)儀器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、處理和記錄后可進(jìn)行分析。固體材料中內(nèi)應(yīng)力的變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，在材料加工、處理和使用過(guò)程中很多因素能引起內(nèi)應(yīng)力的變化，如位錯(cuò)、相變、磁疇運(yùn)動(dòng)、裂紋萌生與擴(kuò)展、腐蝕開(kāi)裂或斷裂、熱脹冷縮以及外加載荷等。

聲發(fā)射檢測(cè)采取“被動(dòng)聽(tīng)聲”的方式，即從聲發(fā)射源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)介質(zhì)傳播后到達(dá)傳感器，由傳感器接收并輸出電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)處理分析對(duì)聲發(fā)射源做出正確的解釋。

2 聲發(fā)射在油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)是連接上游原油生產(chǎn)和下游成品油銷(xiāo)售的重要紐帶，而儲(chǔ)罐、油氣管道及其附屬設(shè)備的腐蝕、自然和人為破壞嚴(yán)重威脅著系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因腐蝕而引起的泄漏、擴(kuò)散、燃燒甚至爆炸事故不僅給企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且還造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，甚至造成人員傷亡。因此必須定期對(duì)這些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行安全檢測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，而采用聲發(fā)射在線檢測(cè)可以降低事故風(fēng)險(xiǎn)，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

2.1 常壓儲(chǔ)罐底板腐蝕檢測(cè)

常壓儲(chǔ)罐底板腐蝕是儲(chǔ)罐失效的主要形式，其常規(guī)的檢測(cè)方法主要有：漏磁檢測(cè)(MFL Testing)、超聲波檢測(cè)(Ultrasonic Testing)和液體滲透檢測(cè)(Liquid Penetrant Testing)。相比較而言，聲發(fā)射檢測(cè)具有很多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需倒罐和清罐； 100%底板檢測(cè)；快速、低成本檢測(cè)；檢測(cè)靈敏度高、可靠性好；對(duì)儲(chǔ)罐底板腐蝕程度進(jìn)行分級(jí)，識(shí)別出無(wú)損罐和需要進(jìn)一步檢測(cè)、維修的儲(chǔ)罐[3,4]。檢測(cè)一個(gè)直徑為50m的儲(chǔ)罐只需一天，且實(shí)現(xiàn)底板的100%檢測(cè)。

儲(chǔ)罐底板電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，氫氣泡的生成、聚結(jié)和破裂、腐蝕產(chǎn)物的堆積、開(kāi)裂和剝離、裂紋的生成和擴(kuò)展、腐蝕穿孔泄漏等腐蝕衍生行為都會(huì)產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射，這些腐蝕信號(hào)通過(guò)安裝在罐壁上的若干個(gè)壓電傳感器探測(cè)得到，必要時(shí)可以布置雙圈傳感器，來(lái)消除儲(chǔ)罐上層噪聲信號(hào)的干擾，儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)如圖1所示。傳感器把接收到的罐底板腐蝕信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、處理和儲(chǔ)存，利用AE源定位技術(shù)來(lái)探測(cè)和確定有意義AE源的位置和活性，通過(guò)對(duì)探測(cè)到的有效AE信號(hào)的分析來(lái)判斷儲(chǔ)罐底板腐蝕的程度，從而對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)。

圖1 儲(chǔ)罐罐底聲發(fā)射檢測(cè)

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

圖2 儲(chǔ)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(diǎn)分布和定位，對(duì)儲(chǔ)罐腐蝕狀況進(jìn)行分級(jí)[5,6]，見(jiàn)表1。同時(shí)結(jié)合儲(chǔ)罐底板超聲波測(cè)厚和漏磁檢測(cè)復(fù)檢結(jié)果，計(jì)算底板腐蝕速率并預(yù)測(cè)剩余壽命，評(píng)估儲(chǔ)罐底板的完整性，從而對(duì)應(yīng)確定檢修周期和采取相應(yīng)的維修措施。

表1 儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射檢測(cè)腐蝕程度分級(jí)

2.2 管道腐蝕泄漏檢測(cè)

油氣管道常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲和漏磁檢測(cè)等，對(duì)短距離管道，兩者具有一定優(yōu)勢(shì)，但常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)是檢測(cè)過(guò)程為逐點(diǎn)掃描式，不能有效用于成千上萬(wàn)公里的管道檢測(cè)，尤其是長(zhǎng)距離埋地管道的腐蝕及泄漏檢測(cè)一直是這個(gè)領(lǐng)域的工程難題，因而聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用更具有工程價(jià)值。

管線在線運(yùn)行情況下，對(duì)檢測(cè)到的泄漏信號(hào)進(jìn)行識(shí)別與提取，采用互相關(guān)分析方法實(shí)現(xiàn)泄漏定位。泄漏的聲發(fā)射信號(hào)特點(diǎn)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(hào)較強(qiáng)，且強(qiáng)度與泄漏速率成正比；泄漏所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)是連續(xù)型的。實(shí)際檢測(cè)中，根據(jù)信號(hào)相關(guān)函數(shù)，引入相關(guān)系數(shù)的算法，可以排除信號(hào)幅度的影響，使相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果真正反映信號(hào)之間的相似性。聲發(fā)射信號(hào)x(n)和y(n)的相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

N取A(n)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的一半，等于B(n)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的一半；m取0～N-1。相關(guān)值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)mmax，采樣頻率f則泄漏信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間差Δt為：

(2)

對(duì)應(yīng)找出傳感器1和2接收到的信號(hào)相關(guān)程度最大值，計(jì)算相關(guān)函數(shù)峰值出現(xiàn)的時(shí)間差，從而實(shí)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(diǎn)。

管道腐蝕泄漏聲發(fā)射信號(hào)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(shí)又具有腐蝕的隨機(jī)性和不確定性，隨著聲發(fā)射理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，管道泄漏聲發(fā)射檢測(cè)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(yīng)用[10]，能夠更好地消除噪聲信號(hào)的干擾，將使得可探測(cè)到的泄漏量值大大降低，定位精度進(jìn)一步提高。

2.3 CNG、LPG球罐、臥罐檢測(cè)

金屬壓力容器是國(guó)內(nèi)外聲發(fā)射檢測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象，聲發(fā)射技術(shù)是進(jìn)行帶缺陷運(yùn)行壓力容器檢測(cè)與安全評(píng)估最合適的方法之一。它能夠檢測(cè)出壓力容器的動(dòng)態(tài)缺陷，獲取活性缺陷的動(dòng)態(tài)信息，跟蹤發(fā)現(xiàn)缺陷的擴(kuò)展，從而對(duì)壓力容器進(jìn)行聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)和安全性評(píng)價(jià)。對(duì)于高壓的CNG球罐的聲發(fā)射檢測(cè)，其聲發(fā)射信號(hào)主要來(lái)自于局部超壓、裂紋擴(kuò)展和腐蝕產(chǎn)物剝離，經(jīng)計(jì)算并進(jìn)行缺陷定位，對(duì)聲發(fā)射源活性程度進(jìn)行分級(jí)。如圖3所示，布置立體三角形傳感器陣列，不同顏色定位點(diǎn)代表不同的聲發(fā)射活性區(qū)域，即從A～E分5級(jí)，越往下越嚴(yán)重。

圖3 CNG球罐聲發(fā)射檢測(cè)三維定位

同樣，對(duì)于LPG貯罐聲發(fā)射檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)環(huán)焊縫、縱焊縫、鼓包和腐蝕活性點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)一個(gè)直徑為15m的球罐只需三天時(shí)間，且對(duì)焊縫、裂紋和腐蝕活性點(diǎn)實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)，并給出整體評(píng)價(jià)。

2.4 低溫儲(chǔ)罐檢測(cè)

常規(guī)無(wú)損檢測(cè)在低溫、超低溫等操作人員難以接近的場(chǎng)合下失效或很難實(shí)施，而聲發(fā)射檢測(cè)不受限制，因而在低溫儲(chǔ)罐完整性檢測(cè)方面發(fā)揮著重要的作用。對(duì)于單層低溫儲(chǔ)罐，其聲發(fā)射檢測(cè)方法類(lèi)似于常壓儲(chǔ)罐底板檢測(cè)，難點(diǎn)在于傳感器與罐壁的耦合。普通的耦合劑在低溫下對(duì)聲發(fā)射波有很高的衰減性，聲發(fā)射波通過(guò)耦合層時(shí)發(fā)生嚴(yán)重衰減而致信號(hào)很難被檢測(cè)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(dǎo)桿轉(zhuǎn)接器，它是通過(guò)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囟说膫鞲衅鳎@一結(jié)構(gòu)會(huì)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(duì)于LNG和液氮儲(chǔ)罐等，儲(chǔ)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(shí)還注入諸如氮?dú)忸?lèi)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(dāng)困難，從而增加了檢測(cè)的難度。對(duì)于在建的雙層低溫儲(chǔ)罐，可以預(yù)先在內(nèi)壁靠近底板處安裝永久低溫傳感器，外面預(yù)留接線接頭，如圖5所示。定期進(jìn)行聲發(fā)射在線檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)低溫雙層儲(chǔ)罐的完整性評(píng)價(jià)。

圖5 低溫雙層儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)示意圖

2.5 其他設(shè)備檢測(cè)

在油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中，除了各類(lèi)儲(chǔ)罐和管道采用聲發(fā)射檢測(cè)外，還有很多附屬設(shè)備也可采用聲發(fā)射檢測(cè)。BP公司在過(guò)去十幾年里，采用聲發(fā)射對(duì)各類(lèi)閥門(mén)做了大量的泄漏檢測(cè)，在建立閥門(mén)大小、類(lèi)型和壓差數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上聯(lián)合美國(guó)PAC研發(fā)了VPACTM系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管道閥門(mén)泄漏快速檢測(cè)，可以在幾分鐘之內(nèi)對(duì)閥門(mén)泄漏水平進(jìn)行評(píng)估，大大節(jié)省了檢測(cè)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(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，快速評(píng)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(cè)和蒸汽管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂檢測(cè)等領(lǐng)域都用到了聲發(fā)射技術(shù)，取得了良好的檢測(cè)效果[14]。

3 結(jié)論

聲發(fā)射檢測(cè)以其不同于傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)的特有優(yōu)勢(shì)，成功應(yīng)用于儲(chǔ)罐底板腐蝕，管道腐蝕泄漏、壓力容器、低溫儲(chǔ)罐和設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)腐蝕程度分級(jí)和完整性評(píng)估。此外，聲發(fā)射在閥門(mén)泄漏檢測(cè)、分離器、塔器和換熱器完整性檢測(cè)等方面也開(kāi)始得到應(yīng)用。盡管聲發(fā)射檢測(cè)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(hào)處理技術(shù)的提升，聲發(fā)射檢測(cè)在油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中將得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] ASME-E1316-06a, Standard Terminology for Nondestructive Examinations[S]. United States: ASTM, 2006.

[2] 楊明緯, 耿榮生. 聲發(fā)射檢測(cè)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[3] Martin G, Dimopoulos J. Acoustic Emission Monitoring as a Tool in Risk Based Assessments [C]. Asia-Pacific Conference on NDT, Auckland:12th-A-PCNDT,2006.

[4] API Standard 653, Tank Inspection, Repair, Alteration and Reconstruction[S]. United States: API, 2009.

[5] Lackner G, Tscheliesnig P. Field Testing of Flat Bottomed Storage Tanks with Acoustic Emission——A Review on the Gained Experience[J]. Journal of Acoustic Emission，2004, 22：201～210.

[6] JB/T 10764-2007, 常壓金屬儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法[S]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[7] Miller R K, Pollock A A, Watts D J, et al. A Reference Standard for the Development of Acoustic Emission Pipeline Leak Detection Techniques[J]. NDT&E International, 1999, 32(1): 1～8.

[8] Ozevin D, Harding J. Novel Leak Localization in Pressurized Pipeline Networks Using Acoustic Emission and Geometric Connectivity[J]. International Journal of Vessels and Piping, 2012, 92(4):63～69.

[9] 祝盼江, 張曉華. 管道泄漏檢測(cè)的聲發(fā)射技術(shù)研究[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè), 2010,(12):47～48.

[10] 陳玉華, 劉時(shí)風(fēng), 耿榮生，等. 聲發(fā)射信號(hào)的譜分析和相關(guān)分析[J]. 無(wú)損檢測(cè), 2002,24(9):395～398.

[11] Xu Y T, Ding S B, Liu F J, et al. Acoustic Emission In-service Detection of Cryogenic Storage Tank Floors[C]. 17th World Conference on Nondestructive Testing, Shanghai：2008.

[12] Gomera V P, Sokolov V L, Fedorov V P, et al. Inspection of the Pressure Vessel Used in Petrochemical with AE Examination[C]. EWGAE，Vienna：2010.

[13] Kabanov B S, Gomera V P, Sokolov V L, et al. Use of AE Method Abilities for Petrochemical Equipment Inspection[C]. EWGAE，Berlin：2004.

[14] Cole P, Watson J. Acoustic Emission for Corrosion Detection[C]. 3rd MENDT-Middle East Nondestructive Testing Conference & Exhibition, Bahrain：2005.