原油儲罐底板缺陷聲發射在線檢測適應性研究

翁祥，程猛猛，羅小武，鄧麗媛

中國石油新疆油田分公司 油氣儲運分公司（新疆 烏魯木齊 830023）

0 引言

近年來，隨著石油化工行業的蓬勃發展，原油儲罐作為重要的儲存設施，應用非常普遍?？紤]到原油內水分、硫以及氧等物質具備腐蝕性，儲罐底板易受原油腐蝕甚至穿孔，對設備性能造成不利影響。儲罐底板如果被腐蝕可能引發泄漏進而污染環境，揮發的油氣也有可能遭遇明火，導致爆炸事故，危害人員生命健康[1]，因此保證儲罐結構完整性對于運行維護單位至關重要[2-4]。目前常用的方法是開罐檢修，檢測底板漏磁、厚度、探傷情況，真空環境下對焊縫進行檢測等。但是開罐檢測必須停產、清理儲罐和置換，所以會對正常生產造成巨大影響，不僅耗時而且還會對環境造成污染[5]。所以，研發無需開罐就能夠直接開展檢測工作的在線檢測技術非常重要。

目前在線檢測原油儲罐底板的主要技術包括機器人漏磁、聲發射、導波檢測等。其中聲發射技術已經有非常悠久的歷史，最初主要用于承壓儲罐以及航空領域，并且效果較好[6-9]。20世紀90年代，PAC 聲學公司運用此技術對許多儲罐進行檢測之后，構建了專門檢測罐底腐蝕情況的專家系統。Jeong-Rock Kwon等人運用聲發射、射線技術來檢測甲苯儲罐壁板焊縫，同時對結果進行分析，發現焊縫缺陷和聲發射信號之間具備關聯性[10]。20 世紀90年代，中國特檢院組織開展了壓力容器和儲罐的聲發射檢測技術研究，形成了一系列標準，并在煉化企業、國家儲備庫等單位進行了大量應用，形成了儲罐底板腐蝕狀況的評價方法。不過，由于煉化企業和國家儲備庫儲罐中儲存的油品質量較好，其中并沒有油泥，而針對含有油泥的原油儲罐聲發射檢測研究相對較少。選取了在役周期達到34 年的原油儲罐（2×104m3）作為主體展開研究，先利用聲發射檢測技術檢測儲罐，接著進行清罐處理，再運用漏磁檢測技術進行檢測，對比前后兩種檢測結果，分析在儲藏含油泥原油罐上運用聲發射技術進行檢測的可行性以及適應性。

1 聲發射檢測試驗

1.1 待檢儲罐

將研究的儲罐類型選擇為浮頂型，規模為2×104m3，該罐于1985 年8 月投用，2013 年清罐檢測一次，保溫層采用40 mm厚聚氨酯泡沫，整體外觀如圖1 所示。內有180 塊底板，其中有20 塊邊緣板，160塊中幅板，原板厚度設計值為6 mm。

圖1 儲罐整體外觀

1.2 試驗設備

聲發射檢測所用設施來自于美國某公司，設備型號為PAC MicroSAMOS。設備中輸入聲發射（AE）通道共有32 個，輸入阻抗值為50 Ω，所有通道響應頻率均介于1～400 kHz，最大信號振幅為100 dB AE，采樣頻率分別為100 kS/s、200 kS/s、500 kS/s、1 MS/s、3 MS/s可選，A/D分辨率為16 bit。傳感器選型DP3I，頻率大小介于1～50 kHz，放大器（前置）選型為1224D。

清罐操作之后，所用漏磁掃描儀設備品牌為WieSilver Wing，設備選型為Floormap VS2i 和Floormap VS兩大類。儀器檢測性能的主要參數如下：掃描速度以及有效寬度分別為0.5 m/s、250 mm，檢測厚度最大有效值12.5 mm，完成檢測之后對數據進行分析。

1.3 試驗流程

參考QSYGD 0211—2011《立式圓筒行鋼制焊接儲罐底板聲發射在線檢測及評價》、JB/T 10764—2007《無損檢測常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》兩大標準，利用聲發射技術在現場進行檢測。配置的傳感器共計12個，布置設計選擇等間安排形式。結合現場測量到的油泥深度，在罐壁中比油泥深高10 cm的位置安裝傳感器，對儲罐進行充液，使得操作液位最高達到85%，將可能對檢測造成干擾信號的各類附屬設施（比如攪拌器或加熱盤管進出管）全部關閉，待滿足設定標準后，靜置12 h使得液位穩定。

檢測作業之前需要先測試靈敏度水平。設置前置放大器參數及門檻數值分別為40、80 dB。各通道均開展5次斷鉛試驗，對增益進行調整，確保傳感器均高度靈敏（90 dB）。

全部過程進行兩次檢測，采集上升時長、能量、計數、幅值、持續時長、頻率峰值等，對獲取到的數據進行對比，選取較少遭受外部影響干擾的數據進行評級。

2 聲發射檢測結果及評級

基于QSYGD 0211—2011 標準，分析所獲數據結果，同時評價底板遭到腐蝕的情況并進行評級，檢測步驟如圖2所示。

圖2 聲發射信號數據處理步驟

圖3主要展示了12個通道所獲撞擊數。圖4為運用時差定位或濾波所獲罐底板統計圖。撞擊主要指的是達到門檻設定值，能夠促使系統進行數據采集的信號，反映聲發射活動頻度以及總量，主要被用于評價聲源活度。事件數主要指的是形成聲發射一次局部材料改變為聲發射實施的一次事件，一個或者是數個撞擊與某個事件相對應。檢測時，振動、風、罐頂液滴、保溫鐵皮膨脹、人員活動等事件都會帶來撞擊干擾信號，影響傳感器信息接收質量。事件是可能對多個撞擊三角定位得到的信息，具有過濾信號干擾的能力。根據圖4 分析可知，儲罐底板事件由于只有較少定位點，因此泄漏風險級別為II級，換言之在特定范疇之內“間斷發生疏定位群”，大部分認為“無泄漏”；但是在6#、7#兩個位置配置的傳感功能元件四周則存在許多事件，時間密度非常大，所以判斷認為該區域可能發生了非常嚴重的腐蝕現象。

圖3 不同通道接收的撞擊數統計圖

圖4 罐底板事件統計圖

通過提取聲發射金屬即可得到撞擊、事件以及能量統計結果，見表1。對現場承擔檢測功能的油罐尺寸、結構、環境、介質以及設備設計等多個問題展開研究，同時運用劃分聲源活度等級的方法即可獲得底板活度級別為V級。

表1 聲發射檢測結果

結合底板泄漏以及聲源活度兩個指標等級，可知底板遭到的腐蝕分級可定義為D 級，也就是需要盡快確定檢修工作計劃或者是對使用情況進行動態監控（≤1年）。

3 開罐漏磁檢測結果

清罐后進行漏磁檢測，結果顯示底板外表有86處單點腐蝕，覆蓋區域集中在3#～9#傳感器，如圖5所示。測量腐蝕深度在1.6～6.0 mm，其中2 處穿孔，112#、148#兩塊星號中幅板被腐蝕量占比高達90%和95%；141#穿孔2 處（圖6）；7#、86#、108#、111#、122#板壁厚被腐蝕占比介于80%～90%。

圖5 罐底板漏磁檢測結果

圖6 中幅板141#穿孔2處

4 聲發射檢測與漏磁檢測結果對比

對比分析聲發射檢測以及漏磁檢測結果可知，罐底板泄漏以及聲源活度分別為II 級和V 級，即泄漏可能性小但是腐蝕嚴重（D 級），應該盡快制定計劃安排檢修，同時對其使用必須進行動態監控（≤1年）。開罐檢測之后，發現油罐內已有深1 m 的油泥。根據漏磁檢測結果分析可知，儲罐底板出現了26%～100%腐蝕，穿孔點2個。由于底板覆蓋有1 m厚油泥，未發生原油泄漏。所以分析可知，聲發射檢測技術能夠得到儲罐底板的腐蝕定性結果，對比現實狀況，檢測結果比較保守。

當前應用執行標準的主要范疇為液體儲罐，這一方法研究過程主要針對無油泥的水罐、成品油、煉化廠儲罐[7]。原油內含大量重油性組分，比如石蠟、瀝青質以及無機物等等，由于受到重力影響而發生自然沉降，在罐底區域大量沉積變成油泥（膠狀），會影響腐蝕信號[11-12]。所以，使用這一技術對裝有原油且內有油泥的儲罐所得評級結果需要修正，建議升級腐蝕程度評級，本次檢測初始評級為D級，應修正為E級，即需立即開罐檢修或報廢。

為了對聲發射檢測技術的檢測腐蝕缺陷和精準定位的能力進行評價，將傳感元件所獲撞擊統計以及事件定位等檢測結果和漏磁技術分析所得結果進行對比。運用撞擊統計圖3 分析可知，傳感器1#中發生的撞擊事件最多，其次是11#、12#、6#、8#等傳感器。考慮到1#傳感器檢測覆蓋了排水以及進出油管線，所以認為這一區域內有擾動存在，會增大聲發射信號。漏磁檢測結果可見事實上被檢測儲罐中傳感器3#～9#覆蓋的區域存在比較嚴重的腐蝕，說明傳感器所獲撞擊信息結果與其檢測范圍內腐蝕之間并無較大關系。

從事件定位統計圖4可知，傳感器3#～9#側事件定位遠多于另一側，與漏磁檢測結果基本相同，說明罐底板腐蝕情況和事件定位統計之間有明顯關聯。

綜上分析可知，事件定位顯著相關于真實腐蝕情況，而聲發射撞擊統計則與其基本無關。

5 結論

1）聲發射檢測技術作為一種儲罐在線檢測技術，能夠有效檢測獲取到原油儲罐底板遭到腐蝕的定性評價結果，和真實結果對比，所得結果比較保守。建議對含油泥原油儲罐的聲發射評級結果進行修正，升級腐蝕程度評級。

2）聲發射檢測結果與漏磁結果對比顯示，聲發射傳感器檢測采集到的撞擊數統計與其對應區域的腐蝕狀況相關性較低，事件定位結果與腐蝕狀況相關性高。