聲發射檢測在常壓儲罐基于風險的檢驗中的應用

胡振龍，肖堯錢，胡 笠

(中國特種設備檢測研究院, 北京 100029)

常壓儲罐是石油化工生產中廣泛使用的重要儲存設備，其安全運行對國家公共安全是至關重要的。一旦儲罐內高溫、高壓、易燃、易爆或劇毒介質發生泄漏，就將造成災難性事故。目前，國內常壓儲罐主要采用“周期性檢驗”模式，即按照一定的周期對常壓儲罐停產開罐進行內部和外部的全面檢驗[1]。多年實踐經驗發現，“周期性檢驗”存在以下兩個問題。

(1) 開罐檢驗發現許多儲罐均無嚴重缺陷，若對無嚴重缺陷的儲罐進行開罐檢驗，會造成檢驗過剩，并導致不必要的停產(開罐)損失。

(2) 由于檢驗的周期性，一些具有較大安全隱患的老舊儲罐得不到及時檢驗。

因此，為了保證常壓儲罐的安全運行，避免不必要的開罐檢測，并降低事故的發生率，根據設備潛在的失效可能性與失效后果等級，對常壓儲罐進行基于風險的檢驗(Risk Based Inspection ，RBI)就顯得尤為必要了。RBI是一種系統和動態的檢驗方法，儲罐底板的腐蝕狀態是影響儲罐安全運行的決定性因素，對RBI評估以及檢驗策略的制定(是否開罐)有重要的影響。風險評估時，儲罐壁板的腐蝕速率、壁板的外部損傷情況可以通過在線檢驗的方式獲得，但儲罐底板的腐蝕速率只能根據經驗預估。因此，筆者對某廠4臺常壓儲罐進行了RBI風險預評估，并采用儲罐底板聲發射在線檢測數據對RBI評估中預估的底板腐蝕速率進行修正，最終確定了風險等級，使該廠再評估的結果更加準確可靠，為檢驗策略的制定提供參考依據。

1 常壓儲罐RBI技術簡介

RBI技術指基于風險的檢驗技術，即以設備完整性破壞而導致的介質泄漏為分析對象，以設備檢驗為主要手段的風險評估和管理過程。RBI技術不同于傳統的“周期性檢驗”模式，其根據不同設備面臨的風險及損傷模式和失效機理，評估最佳的檢驗時間，并采用適當的檢驗手段以保證儲罐運行中的風險處在可接受的范圍內[2]。與傳統的“周期性檢驗”模式相比，RBI是一種系統和動態的檢驗方法，其具有以下特點。

(1) 充分利用設備早期的檢驗結果、服役時間、設備損傷水平和風險等級來評估檢驗時間。

(2) 提供了合理分配檢驗和維修資源的基礎，從整體上減少檢驗和維護成本，能夠保證對風險相對較高的設備受到較多的重視，同時對低風險的設備進行適當的評估。

(3) 針對不同的損傷機理和可能性等級均給出應用有效的檢驗技術和檢驗深度，可做到事半功倍，在調整檢驗策略的同時提高設備的安全性和可靠性。

2 聲發射檢測在儲罐基于風險的檢驗中的應用

2.1 儲罐設備參數

對4臺常壓儲罐進行風險評估，儲罐設計滿足當年的設計規范和標準，運行期間詳細地記錄了儲罐依照標準規定進行的常規檢測以及維修記錄。儲罐基本參數為儲罐直徑、高度、容量、壁厚、材料、服役壓力、溫度、介質類型等，常壓儲罐參數如表1所示。4臺常壓儲罐內部盛裝的介質包含正丁醛儲槽、辛醇儲槽、1#不合格丁醇儲槽，罐體主體材料為304不銹鋼和16MnR鋼。

表1 常壓儲罐參數

2.2 RBI風險預評估

利用AST RBI (Atmospheric Storage Tank, RBI)軟件對常壓儲罐進行風險分析時，需要分別確定儲罐底板和壁板的失效可能性和失效后果。在失效可能性方面，按照標準GB/T 30579-2014 《承壓設備損傷模式識別》確定損傷因子，確定AST RBI 軟件中的潛在失效模式的可能性；在失效后果方面，主要考慮設備中介質的特性以及泄放速率等參數，以設備周圍的破壞影響程度、營業中斷和設備損害等因素為指標，對風險結果進行評估，確定風險的等級[3]。儲罐壁板的腐蝕速率和壁板的外部損傷情況可以通過在線檢驗的方式獲得，但在線檢驗不能對底板進行直接檢測，儲罐底板的腐蝕速率只能根據經驗預估。經RBI風險預評估計算，圖1為將來時間儲罐的安全風險矩陣圖，通過分別對4臺儲罐進行風險計算，風險(RISK)=失效可能性等級(LOF)×失效后果等級(COF)，可以得到儲罐的風險分布，即高風險儲罐1臺(紅色部位)、中高風險儲罐1臺(橘紅色部位)、中風險儲罐2臺(黃色部位)。不同的失效可能性和失效后果的組合對應不同的風險等級，4臺儲罐失效可能性等級(即減薄等級)、失效后果等級、風險等級評估明細如表2所示。

圖1 將來時間的安全風險矩陣圖(預評估)

表2 儲罐風險評估明細(預評估)

2.3 儲罐底板的在線聲發射檢測

對4臺常壓儲罐底板腐蝕情況采用在線聲發射檢測，根據標準JB/T 10764-2007 《無損檢測常壓金屬儲罐底板聲發射檢測及評價方法》 的規定，綜合所采集信號的事件活度、能量大小、幅值高低及通道撞擊數，通過時差定位分析，判定罐底板腐蝕狀態的活度等級及腐蝕情況[4-5]。常壓儲罐底板腐蝕在線聲發射檢測原理示意如圖2所示，通過安裝在罐壁下部的聲發射傳感器陣列來探測罐底板由于腐蝕和泄漏產生的聲發射信號，當底板存在泄漏時，介質流過泄漏孔時會產生湍流流動噪聲，當介質夾帶顆粒狀雜質時，會使信號更豐富。若泄漏通道暫時受到碎渣阻塞，“水擊”效應也會產生噪聲。通過安裝在罐底板外圓周附近的傳感器接收這些信號，并進行分析處理，對漏點進行定位。若儲罐底板腐蝕較為嚴重或存在腐蝕薄弱區域，腐蝕過程會斷續地產生聲發射信號，通過接收和分析這些信號，可以確定和評價罐底板的腐蝕狀況。

圖2 常壓儲罐底板腐蝕在線聲發射檢測原理示意

2.3.1 檢測設備

聲發射檢測設備采用由北京聲華興業科技有限公司生產的SAEU2S集中式聲發射檢測儀, 附件主要包括傳感器、筆記本電腦、前置放大器、信號電纜等。傳感器也選用該公司生產的SR40M傳感器，SR40M傳感器為低頻窄帶傳感器，尺寸為φ22 mmX36.8 mm，適用于壓力管道和油罐底泄漏的聲發射檢測。檢測頻率為15 kHz70 kHz，現場試驗分析測定的背景噪聲為30 dB。

2.3.2 加載液位

根據標準JB/T 10764-2007，儲罐底板的聲發射在線檢測液位宜位于最高操作液位的85%～105%。特殊情況下，檢測液位應至少高于傳感器安裝位置的1 m以上。檢測前，穩定保持該液位靜置2 h以上，然后進行至少2 h的聲發射檢測。檢測時關閉進出口閥門及其他干擾源，如攪拌器、加熱設施等。

2.3.3 傳感器的安裝

根據標準JB/T 10764-2007對罐底板進行檢測，傳感器布置在距底板0.1～0.5 m的壁板上，并要確保高于儲罐內固體沉積物的高度，間距盡量保持均等，并成閉合環狀分布。按照檢測方案設定的位置布置傳感器，在傳感器表面和儲罐罐體金屬表面之間使用耦合劑進行耦合。為了防止探頭脫離以及由風引起電纜移動而產生額外的噪聲，應對所有信號線進行約束。對于鐵磁性材料的儲罐，可以采用磁性夾具夾持的方式進行固定；對于非鐵磁性材料的儲罐，可以采用膠帶黏貼的方式進行固定，但此種方法可靠性較低。聲發射傳感器的布置現場如圖3所示。

圖3 聲發射傳感器布置現場

2.3.4 時差定位及分級

根據標準JB/T 10764-2007，對儲罐底板以不大于直徑10%的長度劃定圓形評定區，對評定區域內相對比較集中的所有定位進行局部放大，分析并計算出每小時出現的定位事件數E。對評定區域的腐蝕狀態評價等級主要取決于E值的大小。4臺常壓儲罐的底板時差定位圖如圖4所示。

圖4 4臺常壓儲罐的底板時差定位圖

根據罐底板的時差定位情況，對4臺儲罐的聲發射源進行評級(見表3)，4臺儲罐底板的活度等級分別為Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅱ級及Ⅲ級，腐蝕狀態評價分別為存在明顯局部腐蝕跡象、輕微腐蝕跡象及明顯局部腐蝕跡象。

表3 聲發射源評級

2.4 RBI風險再評估

結合4臺儲罐底板聲發射檢測結果，對3.2節中RBI風險預評估時設定的底板腐蝕速率進行適當修正，再次進行RBI風險評估計算，得到將來時間的安全風險矩陣如圖5所示，分別通過對4臺儲罐進行風險計算，得到儲罐的風險分布為高風險儲罐1臺(紅色部位)、中高風險儲罐1臺(橘紅色部位)、中風險儲罐2臺(黃色部位)。4臺儲罐失效可能性等級(即減薄等級)、失效后果等級、風險等級明細如表4所示。

圖5 將來時間的安全風險矩陣圖(再評估)

表4 儲罐風險評估明細(再評估)

2.5 檢驗策略

綜合考慮4臺儲罐底板的聲發射評級與RBI風險再評估結果，結合標準API 653-2014 《儲罐檢驗、修理、改建和翻建標準》的要求，對4臺常壓儲罐制定檢驗策略(見表5)，對于2臺辛醇儲槽推薦檢驗策略為外檢，即安全使用到下一個檢驗檢修周期之前不需要進行開罐檢測；對于正丁醛儲槽、1#不合格丁醇儲槽推薦檢驗策略為開罐內檢，應在開罐及清罐后進行罐底漏磁檢測及其他常規無損檢測方法的檢驗，以保證儲罐安全運行。

表5 4臺常壓儲罐檢驗策略

3 結語

基于風險的檢驗目標就是要確定最佳的檢驗時間,并采用適當的檢驗手段以保證儲罐運行中的風險處在可接受的范圍內。儲罐底板聲發射檢測技術的優勢是能在不開罐、不影響儲罐正常使用的情況下，對底板的腐蝕狀況和有無微泄漏點進行檢測，以判定底板的腐蝕程度。利用儲罐底板聲發射檢測數據去修正RBI評估中預設的底板腐蝕速率，結合設備早期的檢驗結果、服役時間、設備損傷水平等進行綜合風險評價，使得RBI風險評估的結果更加準確可靠，為檢驗策略的制定提供參考依據，避免“周期性檢驗”中“檢驗過剩”、“檢驗不足”情況的發生，降低風險，避免不必要的開罐檢測，在確保安全的前提下更好地提高經濟效益。