聲發射技術在LNG儲罐監測中的應用可行性探索

張銳,豐學工,張文慶,王艷杰

1.中國石油華北油田分公司技術監督檢驗處 （河北 任丘 062552)

2.中國石油華北油田分公司第二采油廠生產運行科 （河北 霸州 065700）

0 引言

隨著國家能源戰略結構的調整，液化天然氣（LNG）在國內的應用越來越廣泛[1-3]。LNG儲罐是儲存LNG的重要裝置，安裝、使用過程中的任何不當操作，都有可能導致超壓、變形、甚至出現結構損傷，造成嚴重的安全事故和經濟損失[4]。

LNG儲罐是由外殼和內殼組成的雙層結構，中間充填隔熱物質，外殼的檢測可通過常規無損檢測方法進行，但通常需要停產且成本高。內殼完全封閉在隔熱層內，使用常規的檢測手段無法進行檢測，日常的維護手段主要是真空度檢測，對內殼損傷檢測或者監測目前仍處于空白。聲發射技術作為一種在役、實時、動態檢驗方法，能夠有效監測缺陷的產生及擴展過程，有利于早期識別缺陷，并采取相應的維護策略，避免事故的發生。

1 LNG儲罐損傷與失效模式

LNG在儲罐內長時間存儲過程中，受外部熱源的侵擾，會發生物理揮發，導致儲罐內壓力升高。LNG外殼處于壓應力狀態，承受真空壓力，主要失效模式為應力腐蝕導致的泄漏[5]。

LNG內殼的結構形式為不銹鋼外殼纏繞復合材料，內殼在運行過程中不斷地承受載荷和應力循環作用，這些應力引發缺陷的擴展（如裂紋的擴展）或結構疲勞失效易導致泄漏[6]。其損傷類型包括以下幾種：①不銹鋼本體腐蝕，低溫應力腐蝕；②內殼焊縫焊接缺陷與殘余應力在低溫作用下的低溫應力開裂；③纏繞層復合材料的分層、脫黏、機體開裂，纖維斷裂。

2 聲發射技術在LNG儲罐監測中的理論可行性分析

2.1 聲發射的原理及優勢分析

聲發射監測的原理如圖1所示，當LNG儲罐內部的微裂紋在承載條件下發生泄漏時，會以應力波（聲發射）的形式釋放能量，應力波最終傳播到儲罐表面，引起表面位移。這些探測器將接收到的機械振動（表面位移）轉換為電信號，再通過信號采集處理系統，將電信號放大、處理和記錄。

圖1 聲發射檢測原理示意圖

與常規無損檢測技術相比，聲發射技術用于LNG儲罐監測有以下優點。

1）聲發射檢測時不需要停產，能降低檢修成本。

2）聲發射能夠對LNG儲罐中早期的塑性變形或微觀破壞進行監測，起到預防事故的作用。

3）聲發射適用于檢測形狀復雜構件，由于LNG的內殼完全包覆在外殼中，常規的檢測方法無法對內殼進行檢測，而聲發射能夠通過與外殼連接的接管對內殼進行檢測。

2.2 聲發射信號監測及判定

聲發射技術的關鍵是對聲發射信號的監測、識別與判定，根據聲發射信號的特征識別缺陷存在以及缺陷的活性和強度，再結合斷裂力學、損傷力學，對其安全狀況進行綜合評價。

1）聲發射信號的監測。LNG儲罐中產生的聲發射信號包括損傷信號和失效信號。損傷的擴展釋放過程是一個能量轉換過程，其中包含了應力波的機械能，表現為機械波。這種機械波可以激發聲發射傳感器產生聲發射信號。LNG的主要失效形式為泄漏，泄漏時會產生流體介質與金屬壁的沖擊與摩擦，該過程產生的波動信號會被聲發射傳感器接收到。根據接收到的信號特征判斷是否存在泄漏，并根據不同傳感器響應幅度的關系判斷泄漏源特性。

2）缺陷信號的識別與判定。聲發射監測過程中由于機械振動、電磁干擾等會產生非缺陷信號，因此需要對采集到的信號進行判定。對LNG儲罐的監測，可通過2次加載過程的信號對比判斷是否來自于缺陷，其加載過程如圖2所示。由于二次加載載荷小于一次加載載荷，根據凱瑟爾效應，完好構件在二次加載時不會出現明顯的聲發射現象，缺陷信號由于應力集中以及裂紋尖端附近的材料力學特性弱于完好構件，在外力加載過程中會出現明顯的聲發射信號。

3 聲發射技術在儲罐監測中的應用

為進一步驗證聲發射技術在LNG儲罐監測中的應用可行性，分別對新制的和在役的LNG儲罐進行了模擬和實際檢測。由于LNG儲罐主要的損傷失效信號為裂紋信號和泄漏信號，因此分別對這兩種信號的聲發射檢測過程進行了模擬實驗，并選擇相同條件的兩臺LNG儲罐進行了現場實際檢測。

圖2 LNG聲發射檢測加載程序

3.1 新制LNG儲罐的模擬信號源檢測

1）裂紋信號模擬測試。裂紋信號屬于突發型信號，通過斷鉛的方式進行模擬，對渤海裝備制造有限公司組裝完成的LNG儲罐進行測試，沿儲罐的軸向方向在不同的位置進行斷鉛，產生應力波，表征該處出現了微小的裂紋開裂，觀察傳感器是否可以有效接收到不同位置的開裂信號，以及接收信號幅度的程度，從而判斷檢測過程的有效性和可行性。

圖3為傳感器接收到的斷鉛模擬信號幅度圖，測試結果表明，模擬信號源發出突發型信號可以遠距離傳輸到傳感器，即使在最遠端的封頭中部依然可以有效接收到近70 dB的信號，即聲發射傳感器可以有效檢測到LNG各個部位處的模擬信號，表明聲發射檢測裂紋信號的可行性。

圖3 斷鉛時傳感器接收到的信號幅度圖

2）泄漏信號模擬測試。泄漏信號屬于連續型信號，通過摩擦的方式進行模擬。利用鉛芯在LNG儲罐表面進行連續摩擦，模擬不同強度的連續信號，在不同的距離進行連續激勵，表征該處出現了泄漏，觀察傳感器是否可以有效接收到不同位置的泄漏信號。圖4為傳感器接收到的摩擦模擬信號幅度圖，測試結果表明，模擬信號源發出的連續信號可以被傳感器有效接收到，表明聲發射對于檢測LNG儲罐泄漏信號具有可行性。

3.2 在役LNG儲罐的聲發射檢測

分別選擇對中國石油華港燃氣有限公司1#和2#兩臺參數完全一致的LNG儲罐進行泄漏檢測，其中1#儲罐在使用過程中發生了泄漏。為便于對比驗證，將傳感器布置在兩臺儲罐相同位置，檢測示意圖如圖5所示，其中1通道、2通道分別位于1#、2#儲罐液相進出口所在封頭端部，3通道、4通道分別位于1#、2#儲罐尾端封頭抽真空接口下部。圖6、圖7分別表征了1#、2#LNG儲罐在相同位置接收到的聲發射信號。

圖4 摩擦時傳感器接收到的信號幅度圖

圖5 LNG儲罐現場泄漏檢測圖

圖6 1#LNG儲罐聲發射信號幅度圖

圖7 2#LNG儲罐聲發射信號幅度圖

分析結果顯示位于液相進出口處1通道、3通道350 s內接收到的撞擊數分別為978次和980次，在相同條件下由于液位的波動產生相同特征的聲發射信號。位于尾端封頭抽真空接口處的2通道、4通道350 s內接收到的撞擊數分別為991次和10次，據此判定2通道處，即1#儲罐真空測試口處可能產生泄漏，這與真空度測試的結果一致，證實了聲發射檢測在實際應用中的可行性。

4 結論

通過對LNG儲罐的失效模式進行分析，結合聲發射檢測的技術原理，對聲發射技術在LNG儲罐監測中的可行性進行了理論分析和實驗驗證，得出如下主要結論。

1）理論分析表明，聲發射技術能夠對LNG內外殼運行過程中的微損傷信號進行監測，為LNG儲罐的在線監測提供了新的手段。

2）現場測試表明，采用聲發射技術可以有效監測到LNG儲罐的裂紋或泄漏信號，因此可有效地應用于LNG儲罐的監測和評價。