聲發射在線監測在常壓油料儲罐運行中的應用研究

馬曉剛

（中國航空油料有限責任公司吉林省分公司， 吉林 長春 130504）

1 當前金屬儲罐檢測的現狀

為了保證儲罐的長期安全運行，則必須儲罐進行定期檢測，聲發射在線檢測技術作為一種在線無損檢測技術，在保障原油儲備庫和罐區等石油運輸設備的安全運行起到了非常積極的作用。由于罐區現場條件的不同，常壓儲罐罐底板的定期檢測方法十分有限。長期以來，只有儲罐停用，并將其中的儲質排空，然后由相關的檢測人員在特定的儲罐檢測期進入罐內采用常規無損傷的方法對其底板進行檢測，例如超聲檢測、滲透檢測、漏磁檢測、渦流檢測等。而這些方法主要是罐底離線檢測技術，目前國內對大型常壓金屬儲罐底板大多采用聲發射在線檢測的方法[1]。

2 聲發射檢測技術的基本原理

作為導波的獨特性質之一，導波可以通過包含了相速度、群速度、波數等參數的頻散曲線來表示，其中相速度和群速度是頻散曲線中兩個重要的參數和概念。聲發射實際是有具有相似頻率的一組波形疊加的結果，并且不同的諧波的傳播速度稱之為波的相速度，而群速度是由不同的諧波疊加得來的。其中波的相速度可以用公式表示為：

式中：cp為相速度；ω為角速度；k為波數。

其中頻率十分相同的一組聲波的傳播速度為群速度。英國著名物理學家瑞利勛爵，經常利用式（1）來講表示群速度的概念，如果一個靜止平面上的一些波，常見的波群速度要遠小于其所包含的所有子波速度，而這部分子波將會通過波群持續向前涌動，直至極限才會消失。用公式來表示如下：

式中：Cg為群速度。

下述式（3）可以用來表示簡單的波群能量傳遞和群速度之間的關系。

定義能量密度為：

將公式（4）內的幾個周期的時間進行平均，對無損介質：

式（5）表示為平均時間內的能量密度傳播速度：

通常所說的群速度就是能量的傳播速度。經常會用頻譜的方法對群速度和相速度進行研究，將群速度標記在頻譜上每個點的斜率座標上，可分三種情況考慮。

1）cp＞cg正常的在波群的后面產生，并且向前移動直至消失。

2）cp＝cg無頻散。

3）cp＜cg異常的頻散在波群的前面開始，然后不斷向后移動直至最后消失。

選擇合適的相速度和頻率進行檢測，在工程應用中顯得十分重要。群速度是在相似的頻率處所采集到的一組波，群速度即波的傳播速度。相對于相速度，兩者的不同點在于在頻率變化時，群速度沿著每一個模式移動時有著非常劇烈的變動。群速度曲線與相速度曲線相關，且相速度值與相速度頻散曲線與其也相關。盡管如此，導波是由縱波、橫波等各種基本類型的超聲波所組成，并且導波以其群速度向前傳播。在特殊的頻率點上導波的群速度值較小，并且會相應的提高相速度。

3 聲發射方法在儲罐檢測的實驗研究

試驗儲罐尺寸：直徑1.2 m，高度2.2 m，壁厚為0.008 m,儲罐材料為Q235。在不同的位置設置不同的缺陷，以便后續進行開罐進行對照。將適量的水放入實驗儲罐中，如圖1位置放置6個聲發射傳感器，傳感器為美國物理聲學公司的DP3I，工作頻率范圍為20～220 kHz。通過設置聲發射采集系統，對實驗中產生的數據進行采集，并通過運行速度較快的計算機對數據進行后期的分析、記錄和顯示。

圖1 傳感器位置圖（單位：mm）

模擬儲罐內聲發射實驗步驟如下。

1）將實驗儲罐的傳感器分別進行靈敏度測試，然后在每個傳感器旁邊斷鉛，并且對每個傳感器進行設置，使其能夠接收到的信號最大值超過95 dB，若沒有超過，需要重新進行設置。

2）先對1號傳感器進行5次及以上的斷鉛，并將剩余5個傳感器所接受的數值進行記錄。

3）其次將6號傳感器進行5次及以上的斷鉛，將剩余5個傳感器所接受到的數值進行記錄，以便對聲發射波在罐底的傳播速度進行計算[3]。

4）接著向實驗儲罐中加水，當液位分別達到0.6 m，1.2 m，1.8 m時重復第2）步和第3）步的內容。

5）將實驗儲罐中聲發射波的數據進行分析。

4 實驗數據及分析

當1號傳感器在實驗儲罐沒水時進行斷鉛，傳感器所接受的數據為表1所示。根據表1的實驗數據，我們可以推算出聲發射波在金屬儲罐內的傳播速度為：

對上述實驗數據分析可得，隨著傳播時間和傳播距離的不斷增加，聲發射波在金屬儲罐中的能量值和幅值在不斷的衰減。同時，衰減程度也隨著時間的不斷增加而減小。

表1 金屬儲罐的實驗數據表

5 結論與展望

通過以上的實驗中對聲發射波在金屬結構件中的傳播特性進行的研究，能夠得到以下幾點結論。

1）對金屬薄板中聲發射波的傳播過程觀察可得，聲發射波的傳播軌跡在金屬板的表面進行，且衰減率較慢；并且與在金屬厚板中聲發射波的衰減率相比，由于聲發射波在介質內部進行傳播，因此聲發射波在金屬薄板中的衰減率遠小于前者。

2）隨著角度的變化，聲發射波的能量也在發生變化，當聲發射波與發射平面恰好處于90°時，聲發射波的能量達到最大。

3）與在固體中傳播的衰減程度相比，聲發射波在液體中傳播時的衰減程度要小，但是頻率相對較高的信號衰減的速度要遠大于頻率相對較低的信號。

4）通過對儲罐進行的聲發射實驗，可以發現腐蝕信號在儲罐內的液體介質內進行傳播。

航空業在國民經濟增長中發揮著無可替代的作用，作為保證航空業正常運轉的重要保障之一的航空煤油儲罐的安全運行成為了較為關鍵的問題。在這樣的情況下，為了實現航空煤油儲罐的安全穩定運行，可以將上述試驗研究應用到航空煤油儲罐的運行狀況監測上。

[1]陳健飛,盛華,仇東泉,等.聲發射在油田常壓儲罐檢測中的應用[J].內蒙古石油化工，2011，37（19）：28-31.

[2]《電磁場的多尺度變換理論及其應用》出版[J].咸陽師范學院學報，2006（6）：115.

[3]沈功田，張萬嶺.壓力容器無損檢測技術綜述[J].無損檢測，2004（1）：37-40.