立式成品油儲罐底板缺陷的聲發射檢測

趙建華，廖柯熹，賈彥杰，古 麗，何國璽，何騰蛟

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院,成都 610500；2.國家管網集團西南管道有限責任公司技術中心,成都 610037)

立式成品油儲罐常見于各成品油銷售企業油庫和成品油輸送管線的首末站油庫。雖然成品油介質比原油更潔凈，但儲罐長期使用后罐底依然會沉積油泥和水等雜質，并且油品中的溶解氧、硫酸鹽還原菌和氯離子等也會逐步沉積在罐底板上，加重罐底的腐蝕，因此需重點關注成品油罐底板的腐蝕速率[1-2]。此外，國內儲罐常采用倒裝法建設安裝，建設時先鋪設并焊接罐底板，再組裝焊接頂層壁板、包邊角鋼、儲罐拱頂等構件，并自上而下依次組裝每層壁板直至底層壁板[3]。倒裝法施工作業集中在地面進行，因此罐底板易出現施工損傷缺陷，包括金屬刮擦損傷和施工臨時焊瘤等。

最直接的儲罐檢測方式是開罐檢查，但開罐檢查存在施工費用高、檢測周期長和前期準備繁瑣等問題，因此各油庫亟需能準確檢測罐底板腐蝕情況的不開罐在線檢測方法。目前常見的儲罐不開罐檢查方法有聲發射檢測[4]和超聲導波檢測[5-6]。超聲導波檢測技術在罐底板的檢測上應用較少，國內常用的是聲發射檢測技術。但儲罐的聲發射檢測技術難以被直接驗證，文章結合聲發射檢測結果和開罐檢查結果，證明了聲發射檢測的有效性。

1 聲發射檢測原理與過程

1.1 聲發射檢測原理

聲發射產生的聲波來源于鋼材內部的應變能突然釋放而產生的瞬態彈性波，如鋼材裂紋發展、腐蝕產物脫落和局部屈服變形等。產生的應力波具有振幅小和頻率高(20～2 000 kHz)的特點，因此一般使用聲發射傳感器接收該彈性波信號，并轉化為電信號，進而由聲發射信息系統將電信號轉化為數字信號并進行處理。

瞬態彈性波信號可在材料內部和表面傳播直至其能量完全衰減，固體、液體及氣體都能傳播彈性波，但不同材料具有不同的信號衰減率，罐底板腐蝕的彈性波可通過罐內油品和底板傳播到壁板表面。一個聲發射源信號可同時被幾個聲發射傳感器接收到，從而可根據接收時差對聲發射源進行定位并劃分其等級[7]。

1.2 總體檢測過程

聲發射檢測的程序包括：① 制定檢測方案，收集并檢查儲罐的設計、施工、檢測和建造等數據；② 采用模擬源校準各傳感器通道和處理器，提高聲發射檢測的定位精度；③ 通過加注成品油的方式為儲罐加壓，設置合理的儲罐加壓程序，開展聲發射檢測。聲發射檢測過程框圖如圖1所示。

圖1 聲發射檢測過程框圖

1.3 儲罐檢查

聲發射檢測前根據標準SY/T 5921-2017 《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規程》 先對儲罐壁板開展宏觀檢查，該儲罐的宏觀檢查結果如表1所示。經過外觀檢查確定了儲罐的結構完好，符合標準要求。

表1 儲罐宏觀檢查結果

1.4 聲發射傳感器布置

被檢儲罐容量為20 000 m3，根據標準JB/T 10764-2007 《無損檢測常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》的規定，在儲罐壁板上均勻設置12個頻率為25～80 kHz的VS30-SIC-46dB型聲發射傳感器，相鄰傳感器間的夾角為30°(見圖2)。經過校準，傳感器的平均靈敏度為87.4 dB，12個傳感器的最大與最小靈敏度之差為0.9 dB，小于標準規定的2 dB要求，背景噪聲不大于40 dB，各傳感器靈敏度基本保持穩定。

圖2 聲發射檢測裝置外觀及其在儲罐上的布置示意

對罐底板開展檢測時，傳感器應統一布置在距罐底板0.1～0.5 m高度的壁板上，并保證高于罐內沉積物，各傳感器間距保持一致，檢測時避開大開口部位和補償角焊縫，以盡量減少其對聲波信號的衰減作用。同時應打磨除去表面的防銹漆、鐵銹和雜質，均勻涂抹上真空脂等耦合劑并使傳感器表面直接接觸儲罐基體，確保傳感器與儲罐表面充分耦合。采用磁夾具固定傳感器，并將線纜固定在罐壁和地面上，防止其產生附加噪聲。

1.5 儲罐加壓與保壓

首先開展10 min的背景噪聲測試，當確定了低水平的背景噪聲在許可范圍內時，對儲罐進行聲發射充壓檢測。儲罐從底部進油以提供壓力，充壓到檢測壓力的85%時，保壓10 min，然后繼續進油到檢測壓力的100%，并保壓30 min。如果第一次充壓檢測結果存在缺陷定位不準確等問題，則重新進行一次上述充壓和保壓檢測過程。壓力隨時間的變化過程如圖3所示。

圖3 儲罐壓力隨時間的變化過程

1.6 數據采集

聲發射檢測系統主要由傳感器、信號線、前置放大器、信號電纜、檢測儀等設備構成。運行聲發射檢測儀連續測量充壓和和保壓過程，并將數據存貯到計算機硬盤。在聲發射檢測過程中，檢測人員記錄檢測過程和結果，記錄的內容包括但不限于：升壓與保壓過程壓力隨時間的變化、儲罐升壓時設置的操作參數和采集到的聲發射信號等。當聲發射檢測過程中發現泄漏引起的噪聲信號，需停止檢測并查找泄漏發生的位置。

1.7 聲發射檢測結果評價

通過罐底板聲發射源的區域定位分析，確定源級別和評價區域的腐蝕狀態。計算出各獨立通道有效檢測時間內每小時出現的搏擊數H，根據罐底板的區域定位情況，對每個通道區域的聲發射源信號按表2進行分級，此處劃定的評價區域直徑為儲罐直徑的1/10(3.8 m)。

表2中的K值需通過采用相同的檢測儀器與工作參數，并對相同規格和運行條件的儲罐進行一定數量的檢測來獲得。根據儲罐底板腐蝕狀態等級制定被檢儲罐的維修計劃。維修計劃的優先順序如表3所示。需開罐大修的儲罐底板，可根據標準SY/T 5921—2017要求，在完成油罐清洗和噴砂處理后，從人孔進入罐體內檢查罐底板的腐蝕狀態和腐蝕情況。

表2 儲罐底板基于區域定位分析的聲發射源分級

表3 儲罐維修優先順序劃分

2 檢測結果

2.1 聲發射檢測結果

該成品油儲罐建于2008年，已平穩運行12 a，內部介質為92#汽油，儲罐材料為16MnR。儲罐容量為20 000 m3，直徑為38 m，高度為19 m。為掌握儲罐底板的腐蝕情況，在儲罐上均勻安裝了12個聲發射傳感器，采用AMSY-6型聲發射在線檢測儀采集儲罐底板的聲發射信號[8]。

檢測結果顯示，被檢測的罐底板共發現57處定位事件數較多的評定區域。其中有1處評定區域定位事件數大于10，8處評定區域定位事件數為5～10，這些區域存在明顯的局部腐蝕特征，其余48處評定區域存在輕微局部腐蝕。根據聲發射檢測結果可知，儲罐中部的腐蝕最嚴重，大部分的腐蝕缺陷都位于中幅板，而邊緣板的腐蝕缺陷較少。最后判定該儲罐底板的腐蝕狀態等級為III級，維修建議是：考慮維修。

2.2 開罐檢查驗證

開罐檢查前，排出罐內的成品油并清除底部沉積的污油，使用防爆工具清洗罐內所有金屬結構的表面、焊縫、罐頂(浮頂)內外表面和油罐的附件，保證清洗后罐內達到動火要求，表面無油污、積水及其他雜物。儲罐清洗完成后，對儲罐內部的壁板和底板開展了噴砂作業，以除去儲罐表面的腐蝕產物。該儲罐的中幅板和邊緣板的設計厚度分別為8 mm和12 mm，且建設時還留有至少0.5 mm的腐蝕余量。根據標準SY/T 5921-2017的要求，中幅板和邊緣板的點蝕深度不能超過設計壁厚的40%，否則需在缺陷部位開展局部補板或更換鋼板。開罐檢查確定底板缺陷的最大深度不超過1.5 mm，即不超過底板設計厚度的18.75%。

檢測人員進入儲罐內部，根據聲發射檢測定位的結果，在儲罐內部采用皮尺測量對應位置的腐蝕缺陷，發現了8處明顯的金屬損傷和點蝕缺陷(見圖4)，其余較輕的腐蝕缺陷未納入統計。各處缺陷的具體情況如表4所示。

圖4 儲罐底板聲發射檢測與開罐檢查缺陷分布圖

表4 儲罐開罐檢查結果

對比上述開罐檢查發現的缺陷位置與聲發射檢測確定的儲罐底板缺陷位置，發現上述8個缺陷位置全部與聲發射檢測結果對應，且開罐檢查發現的8個缺陷中有7個位于定位事件數大于5的區域內。聲發射檢測定位坐標與開罐檢查測量的坐標有一定誤差，但誤差最大不超過0.5 m[9]。開罐檢查發現的腐蝕缺陷數量遠少于聲發射檢測的數量，經分析認為存在如下原因：① 開罐后實施的底板清洗和噴砂等作業除去了罐底板較輕微的腐蝕產物和腐蝕痕跡；② 儲罐的聲源是多樣的，例如罐底板受油品靜壓后產生的變形也會產生聲波，但開罐檢查難以在對應位置發現宏觀缺陷；③ 開罐檢查發現的部分輕微腐蝕尚未被納入統計。

經開罐檢查可知，罐底板在建設期作為施工平臺，會受硬物擠壓、刮擦和臨時焊接固定等因素的影響，加上缺陷會在運行期內進一步發育，進而造成罐底板腐蝕減薄。此外罐底板也會出現局部點蝕，特別是建設時缺陷的補焊位置由于補焊的材料與儲罐本體材料不同，容易形成電偶腐蝕[10-11]。

綜上所述可知，聲發射檢測技術可以準確檢測出罐底板的主要腐蝕缺陷，適用于立式成品油儲罐檢測。儲罐底板部分缺陷的外觀如圖5所示。

圖5 儲罐底板部分缺陷的外觀

3 結語

(1) 采用12個傳感器對儲罐底板缺陷進行定位，經開罐檢查驗證，聲發射檢測定位的缺陷數量多于開罐檢查缺陷的數量，但開罐檢查結果基本位于聲發射定位事件數大于5的區域內，證明了聲發射檢測定位的準確性和適用性。

(2) 開罐檢查發現，罐底板缺陷主要來自于建設期的金屬損失和點蝕，罐底板的腐蝕缺陷多位于中幅板，腐蝕分布具有隨機性。

(3) 已發現的8個缺陷深度都較淺，最大深度不超過底板設計壁厚的18.75%，在標準許可的40%深度范圍內，該成品油儲罐底板安全狀態較好。