声发射技术在大型立式储罐检测中的应用.docx

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声发射技术在大型立式储罐检测中的应用

声发射技术在大型立式储罐检测中的应用

谈平庆.中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司储运部.

董绍平.中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司机动处.

摘要：

简要介绍了声发射技术的技术原理，重点分析了声发射技术应用于大型立式储罐的全面检验实例。

实践证明，声发射技术虽在检测中的精确度有待提高，但在检测速度、全面性或在线性等方面具有很大优势，可减少泄漏事故发生的概率。

关键词：

声发射在线检测技术 储罐 腐蚀 泄漏

镇海炼化分公司具有1800×104t/a原油综合加工能力，是国内最大的进口含硫原油加工基地。

公司现有各类储罐253台，总容量273万立方米。

进口含硫原油的加工在降低原油成本和提高经济效益方面起到了重要作用。

但是，大量加工含硫原油也使立式储罐等设备的腐蚀日趋严重，近几年我公司已发生数起（包括两起原油）储罐底板因腐蚀穿孔而导致漏油的事件。

因此，如何确保大型立式储罐安全长周期运行的问题就摆在了我们面前。

传统的储罐全面检验方法一般都是离线检测，需要停工置换，清理罐底，主要包括局部超声波测厚、表面检测（磁粉或渗透）、真空测漏点等。

尽管这些定期例行检测方法可以避免一些腐蚀引起的泄漏事故，但检测的有效性和经济性一直不理想。

经验表明，在例行开罐检查的储罐中，约有一半以上的罐底板不需要立即维修，这就意味着在人力、物力和生产时间上造成了浪费。

另一方面，某些储罐可能会由于未能及时发现严重腐蚀而导致泄漏，错过最佳检修时机，污染环境，甚至可能导致更严重的后果。

本文借鉴国际上一些已经成熟或基本成熟的先进技术，以及结合近年来我国对这些技术的某些应用情况，对储罐底板的声发射在线检测技术做简要介绍，并提出一套符合我国国情的储罐现代综合检测与评价方法和做法，以供参考。

1 储罐底板的声发射在线检测技术

1.1 技术原理及特点

声发射（AcousticEmission）是一种常见的物理现象，是来自于材料内部由于突然释放应变能而形成的一种弹性应力波。

大多数材料变形和断裂时有声发射发生。

利用仪器探测、记录、分析声发射信号，进而推断声发射源、对被检测对象的活性缺陷情况评价的技术称为声发射检测技术。

罐底板的声发射检测技术可以对达到或接近检验周期的储罐进行不停工、不倒罐条件下的快速在线检测，对罐底板的腐蚀状况和是否存在泄漏及泄漏的位置做出评价，通过分级帮助管理者列出储罐的维修优先顺序。

对状态好的储罐可继续连续使用，而不必开罐检修。

因此，声发射技术在保证储罐安全运行的前提下，不仅能节省相当可观的检修费用，更能大大地缩短检修时间，使检修对生产的影响降到最小程度。

1.2 检测过程

储罐底板的声发射在线检测是在不倒罐的条件下，通过在储罐罐底附近（根据罐底沉积物的估计厚度，一般距罐底200～500mm）的筒体外壁沿圆周方向布置一定数目（取决于直径的大小）的传感器，在一定的载荷（一般要求80%以上的液位）作用下，通常需要关闭所有的进出口阀门、泵和加热装置等可能产生干扰信号的设备，且需要稳定一定的时间。

实际的检测时间一般为2小时左右，可以对罐底是否存在泄漏以及腐蚀损伤情况做出判断，并能够对泄漏的位置和严重腐蚀的区域进行定位，最终对储罐的安全性等级做出评价。

根据罐底腐蚀情况将储罐分为A～E的5个级别。

每个等级都有相应的维修处理方法，见表1。

表1基于腐蚀状况的级别及维修优先建议

等级

腐蚀状况

维修/处理方法

A

非常微少

没有维修必要

B

少量

没有立即维修必要

C

中等

考虑维修

D

动态

维修计划中优先考虑

E

高动态

在维修计划中最优先考虑

1.3 高温下罐底板的声发射在线检测

对于操作温度较高（如高于80℃时）的储罐，可以借助于波导杆技术，仍使用常温的传感器来完成监测。

波导杆的结构设计原则为：

结构较简单，易于制造和安装，成本较低，对声波的传播影响较小。

通常可以将波导杆长期焊接在储罐上，下次检测时不但方便，而且可以对比检测结果。

图1为我们曾经设计和使用过的一种波导杆。

该波导杆垂直于筒体表面，且要求焊透、牢固、尽量无气孔和夹渣。

波导杆的伸出端穿过磁座的安装圆盘，且处于同一平面，这样可以保证声波的传播效果最好。

波导杆的材料一般可选用普通的碳钢圆钢。

波导杆的直径和长度是考虑了传感器的尺寸和降温效果而确定的，其长度可根据储罐的实际操作温度和保温层的厚度选取合适的值。

图1 用于高温储罐声发射检测的一种波导杆结构

2 储罐的现场检测

2.1 G503#柴油罐的声发射监测

G503#材料为Q235；尺寸为φ22000mm×13600mm，底板厚度8mm；容积为5000m3；拱顶罐；操作介质为柴油，1978年投用。

2004年6月在发现G503罐底板出现了微量渗漏后，决定进行声发射在线监测，以确定泄漏的大致位置，指导即将进行的开罐维修工作。

由于已出现渗漏，故未进行升液位和保持液位等操作条件下的检测，仅在当时的液位下监测，监测完成后立即倒罐。

共采集了两段数据，在线监测的分析结果见图2、图3。

可以看出，主要出现了2处集中定位声源。

其中位于中部偏西区域的声源S1面积较大且较集中，而位于6#传感器附近的S2声源有一定的显示（这也是外观发现微小渗漏的位置，形似一小气孔），但相对中部要弱。

根据检测结果，可认为中心区域为薄弱区，有明显的腐蚀或泄漏迹象。

（a）二维声源定位图                （b）三维声源定位图

图2 第一阶段在线监测结果

（a）二维声源定位图                （b）三维声源定位图

图3 第二阶段在线监测结果

经开罐检修发现，在中心偏西1m处存在1处腐蚀穿孔，而且中部区域的底板下表面确实存在较多的胡状（麻坑）腐蚀，某些腐蚀坑的深度已达壁厚的一半以上，底板变形很大。

同时也找到了声源S2处的微漏点。

该罐进行更换底板后重新投入使用。

事实证明，这次声发射检测与罐底板的实际状况符合得很好。

2.2 510#罐的声发射监测

材料为Q235；尺寸为φ11000mm×12600mm，底板厚度8mm；容积为1000m3；内浮顶罐；操作介质为精制油，1992年7月投用。

底板的边缘板由于腐蚀严重，在以前的检修中已经进行了全部贴板处理。

2004年5月计划大修后进油，发现人孔处基础有少量油往外渗出，于2004年11月再次安排检修。

由于未查到漏点，决定进行充水试验条件下的声发射监测，结合真空测漏方法，最终在边缘板上找到了1处漏点，并做了修复。

投用后不久又出泄漏，清罐后于2005年7月再次进行充水试验条件下的声发射监测，结合真空测漏方法，最终找到了2处撕裂性泄漏点和几处冒泡点。

检修后投用正常。

2.2.1 两次充水条件下的声发射检测

两次检测均采用8个R3I－AST传感器，在距罐底板200mm的罐壁外表面圆周线上均布，且传感器的位置及参数设置也完全相同。

检测前在距各传感器100mm处进行铅笔芯折断信号的标定。

由两个进水管同时进水。

试验液位曲线见图4。

为了获得较全面的检测数据，第一次检测基本进行了全程的监测。

第一次检测时的部分声源定位情况见图5、图6。

第二次检测时主要加载阶段的声源定位情况见图7。

（第一次检测）                      （第二次检测）

图4 试验液位曲线

（a）二维声源定位图              （b）三维声源定位图

图5 8.8m液位保持阶段的罐底板声源定位图

（a）二维声源定位图                 （b）三维声源定位图

图6 10m液位保持阶段的罐底板声源定位图

（a）二维声源定位图               （b）三维声源定位图

图7 11m液位保持阶段的罐底板声源定位图

2.2.2 510#罐两次声发射监测的结果分析

第一次声发射检测共出现了7处声源，对其中相对较活跃的2处（1＃－2＃）声源区域进行了重点真空查漏，最终找到了底板焊缝泄漏点，并进行了修补。

第二次声发射监测过程中仍然未出现可见泄漏。

但检测到3处声源位置。

通过真空查漏最终发现2处由于撕裂破坏而造成的泄漏点，泄漏点与较活跃的声源仅相差约1m。

从两次检测的结果看，声源定位结果与实际查到的泄漏位置大部分基本符合（有1处未显示），但存在不同程度的误差。

某些声源较强（如2#等），本次虽然未发现存在泄漏，但由于未对这些区域的下表面腐蚀情况进行常规方法的复验，因此对这些部位也应引起一定的注意。

需要指出的是，由于实际的原因，本次检测不是在线检测，试验介质（常温水）的渗透力不如操作介质（精制油），监测过程中也确实未出现可见泄漏，因此增加了检测的难度。

另外，由于底板的边缘板为双层板（经过贴板处理），不但结构复杂了，而且出现泄漏时位于上层板的漏点与下层板的实际漏点也不一定一致，因为介质可在两层板间流动，所以又增加了检测的难度。

尽管如此，本次检测还是得到了比较满意的效果。

此外，从510#罐的全程监测结果看，不同液位阶段的定位情况并不完全重复，稳定时间的长短也对监测有一定影响。

参数的正确选择对于检测结果的可靠性很关键。

不同尺寸和介质的储罐，其波速取值对定位有较大影响。

因此，需要不断研究和积累检测经验，以确定合适的检测条件、检测参数设置和时机等。

3 对大型立式储罐声发射检测的几点认识

（1）罐底板的声源定位精度问题。

我们认为，从技术和实用价值的综合角度来说，罐底板声发射检测的定位精度若在10%～20%内应该是比较理想的。

当然，定位精度还直接与罐直径、介质等因素有关。

对于一台5000立方米的储罐，直径约22m，按照10%～20%的定位精度，实际的腐蚀或泄漏位置应该在显示位置的3～4m范围内。

（2）罐底板声发射检测可达到的效果

一般来说，经声发射检测后评价为“好”的罐（如A、B级），正确率可达95%以上；评价为“坏”的罐（如D、E级）当中可能存在一定数量（10%～20%）的“好”罐，因为某些原因（如检测时机不好，稳定时间不够，结构变形，外来噪声等）可能会产生干扰信号。

例如，支撑连接处就容易产生变形信号，但同时此处也容易产生腐蚀。

根据经验，“好”罐（即A、B级）通常为达到定期检验的储罐总量的50%左右，且评价的正确率较高，即漏检“坏”罐的可能性很小。

据此，约50%的罐不必立即开罐检修而继续运行。

对用户来说，直接的经济效益主要产生于此。

总之，声发射在线检测罐底板的首要作用就是解决“有”和“无”严重腐蚀和泄漏的问题，或“好”和“坏”罐的问题。

声发射在线检测技术作为储罐底板的一种“普查”检测方法，具有一定的预测性，通常可大大减少泄漏事故发生的概率。

4 结语

声发射在线检测技术可避免“好”罐做不必要的开罐检修。

漏磁检测（或低频涡流检测）及自动爬壁超声检测技术可对罐底板及罐壁板的腐蚀状态等作出较全面的定量检测评价，为检修工作提供较准确的位置以及为下一次长周期安全运行提供依据。

虽然对于定点或局部的检测来说，漏磁或涡流检测的精度还达不到一些常规方法的精度，但还是能够满足实际的需要，而且在检测速度、全面性或在线性等方面的优点已经远远弥补了其不足。