基于不同傳感器布置的常壓儲罐聲發(fā)射檢測

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

據(jù)不完全統(tǒng)計，由底板腐蝕穿孔和泄漏引起的儲罐事故占事故比例的80%，底板腐蝕穿孔已嚴重威脅到儲罐的運行安全。傳統(tǒng)常壓儲罐底板的檢測方式為開罐檢測，如：利用漏磁、測厚等無損檢測方法對儲罐底板進行檢測。但這種停工開罐的傳統(tǒng)檢測方法會造成大量人力、物力、財力的浪費。據(jù)有關統(tǒng)計，在所開罐中僅有9%的儲罐確實存在嚴重的腐蝕或泄漏。目前，面對開罐檢測費用高、儲罐超期嚴重及低油價進口原油腐蝕儲罐等問題，需要一種快速的在線檢測方法對儲罐進行檢測與評價。隨著聲發(fā)射檢測技術的發(fā)展，越來越多的常壓儲罐開始實施聲發(fā)射在線檢測，該方法克服了傳統(tǒng)檢測技術需要停工置換、清理罐底、逐點掃描檢查造成的費時、費力等不足[1-2]。

聲發(fā)射是材料中局域源快速釋放能量而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也稱為應力波發(fā)射或微振動活動。從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播到材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測的表面位移，探測器將材料的機械振動轉換為電信號，對電信號進行放大、處理和記錄，并根據(jù)采集的聲發(fā)射信號進行分析與推斷，以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機制，這個過程稱為聲發(fā)射檢測。目前，該技術已在金屬材料、復合材料、巖石、大型鋼結構、承壓設備、常壓儲罐等領域開展了廣泛應用[3]。美國材料與試驗學會(ASTM)于20世紀80年代編制了聲發(fā)射檢測標準，內(nèi)容包括術語、檢測儀性能測試和檢測方法等，從而加速了聲發(fā)射檢測技術的推廣和應用。我國標準JB/T 10764-2007《無損檢測 常壓金屬儲罐聲發(fā)射檢測及評價方法》部分參考了ASTM E1930-2《液態(tài)低壓和常壓金屬儲罐聲發(fā)射檢測及評價方法》標準，同時增加了底板腐蝕檢測方法及結果評價等內(nèi)容。目前，對于聲發(fā)射檢測時傳感器的布置方式，國際上并沒有形成統(tǒng)一標準。歐盟一般采用兩層布置的方式，低層布置距離底板高1 m，高層布置距離底板高3～5 m；日本標準給出的布置為距離底板高1～2 m；JB/T 10764-2007標準中規(guī)定，底板腐蝕檢測傳感器布置在距離底板高0.1～0.5 m范圍內(nèi)的壁板上，且應高于儲罐內(nèi)固體沉積物的高度。同時，國內(nèi)部分企業(yè)標準規(guī)定將傳感器的布置高度提高到0.6 m。針對以上國內(nèi)常用的兩種傳感器布置高度，筆者分別在距離底板300 mm和600 mm處布置了聲發(fā)射傳感器，通過不同傳感器高度下的標定試驗和儲罐底板腐蝕檢測試驗，研究傳感器布置高度對聲發(fā)射檢測結果的影響。

1 檢測對象與儀器

1.1 檢測對象

檢測所選儲罐為一臺服役10 a的常壓原油儲罐，儲罐基本信息如表1所示。

表1 試驗用常壓原油儲罐基本信息

1.2 主要檢測儀器

主要檢測儀器為：① 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)(SAMOS)；② DP3I低頻傳感器(頻率范圍為20 kHz～100 kHz)；③ 數(shù)據(jù)連接線；④ 同軸電纜；⑤ 直徑為0.5 mm的HB鉛芯；⑥ 標準斷鉛裝備。

2 對比試驗設計

設計兩組試驗，傳感器布置高度分別為距離底板高300 mm和600 mm，試驗過程如下所述。

2.1 檢測系統(tǒng)搭建

分別將24個傳感器均勻地分布在被檢儲罐壁板上，具體位置及編號如圖1所示，各傳感器通過同軸電纜及數(shù)據(jù)連接線與聲發(fā)射主機相連，儀器接地線及電源線連接到位，打開主機預熱10 min，系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)采集界面，根據(jù)被檢對象及環(huán)境噪聲設置相關參數(shù)，再開始采集信號。

圖1 傳感器距離底板不同高度時的斷鉛標定定位圖

圖2 傳感器布置不同高度下的斷鉛標定位置圖

2.2 斷鉛標定

選擇14～19號傳感器用于斷鉛標定測試，在距離傳感器30 mm范圍內(nèi)，采用標準斷鉛裝備實施斷鉛標定，采集標定信號。

2.3 儲罐腐蝕檢測

根據(jù)標準JB/T 10764-2007的有關規(guī)定，對被檢對象進行聲發(fā)射在線檢測，兩組試驗各采集1 h，記錄相應的采集數(shù)據(jù)。

3 檢驗結果分析

3.1 斷鉛標定數(shù)據(jù)與分析

圖1為兩組試驗的斷鉛標定結果，再提取不同傳感器布置高度下斷鉛標定定位點的詳細信息(見圖2)，同一位號傳感器兩次標定定位誤差如表2所示。由表2可知，兩組試驗標定位置誤差最大為226.8 mm，最小為13.3 mm，分別為儲罐直徑D的0.28%和0.017%，該誤差在工程檢測中可忽略不計。

表2 同一位號傳感器兩次標定定位誤差 mm

3.2 腐蝕檢測數(shù)據(jù)與分析

圖3～6為兩組聲發(fā)射檢測定位事件數(shù)的平面定位圖與立體定位圖，由圖中數(shù)據(jù)可知：兩組檢測結果均評為Ⅰ級，屬于無腐蝕跡象級別；所劃分的源區(qū)中心位置(如圖3和圖5中的方框)相距1 118 mm(1.4%D)，小于工程檢驗規(guī)定5%的誤差范圍，可認為屬于同一個源區(qū)。

圖3 傳感器距離底板300 mm高度時的定位事件平面圖

圖4 傳感器距離底板300 mm高度時的定位立體圖

圖5 傳感器距離底板600 mm高度時的定位事件平面圖

圖6 傳感器距離底板600 mm高度時的定位立體圖

3.3 整體檢測定位事件數(shù)與通道撞擊數(shù)比對分析

表3為傳感器不同布置高度下的檢測結果，由表中數(shù)據(jù)可以看出，第1種布置方式形成的定位事件數(shù)少于第2種布置方式形成的定位事件數(shù)，而第1種布置方式采集的撞擊數(shù)高于第2種布置方式采集的撞擊數(shù)。這是因為在傳感器布置高度較低時，罐底結構及介質(zhì)的多樣性使得信號的模態(tài)轉變頻率增高，信號衰減增大。此現(xiàn)象一方面不利于形成有效定位，另一方面會由于采集大量的、多樣的聲發(fā)射信號，撞擊數(shù)增多。

表3 傳感器不同布置高度下檢測結果

3.4 整體檢測持續(xù)時間與上升時間關聯(lián)分析

圖7為距離底板不同高度處的持繼時間與上升時間關聯(lián)圖，由圖中信息可知，兩種布置方式下的整體檢測結果無明顯差異，但在以下方面略顯不同：① 傳感器距離底板300 mm高度時信號的上升時間略高于傳感器距離底板600 mm時信號的上升時間(如圖7中的S1區(qū))；②傳感器距離底板600 mm高度時的信號持續(xù)時間略高于傳感器距離底板300 mm高度時的信號持續(xù)時間。由此可見，傳感器位置較低時接收到的聲發(fā)射信號衰減程度高于傳感器位置較高時接收到的腐蝕信號。

圖7 距離底板不同高度處的持繼時間與上升時間關聯(lián)圖

4 結論

(1) 由斷鉛標定及實際檢測結果可知，傳感器布置在距離底板300 mm和600mm高度時，檢測結果基本一致，均滿足實際工程檢測要求。

(2) 所采集信號的衰減程度與傳感器布置位置有關，傳感器布置位置較高時容易采集衰減程度低的信號，有利于遠距離檢測；傳感器布置位置較低時更易采集衰減明顯的信號。

(3) 如具備開罐條件，可通過開罐檢測方法對聲發(fā)射源區(qū)的定位精度及腐蝕等級進行驗證。