磁記憶技術在儲罐罐壁應力集中檢測中的應用

徐中原

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226011）

經濟的高速發展，使我國能源需求飛速增長，儲罐在石油儲備中具有越來越重要的地位[1]。它一般具有大型化、集中放置、介質易燃易爆、有毒等特點，一旦發生問題，將會給社會和國家經濟造成重大的影響，因此，對儲罐的早期損傷檢測與評估，對保證儲罐安全使用及正常運行具有重大意義[2-3]。

傳統的儲罐全面檢驗方法主要為宏觀檢查、測厚、表面檢測、真空測漏、超聲或射線探傷、底板聲發射等，這種常規無損檢測方法一般只能檢測出宏觀缺陷或大部分微觀缺陷，但對早期損傷和應力集中不能全面、準確地預測和處理[1]。磁記憶檢測技術，可以相對準確的檢測早期應力集中、隱性微觀缺陷，預報可能產生破壞的區域，從而及時采取預防措施，避免突發性的事故發生，因此磁記憶檢測技術具有很大的應用價值[4-5]。

1 磁記憶檢測技術應用

磁記憶檢測的原理是鐵磁性材料的金屬構件，在地磁場的環境中受到長期應力載荷的作用，使鐵磁性材料的應力集中區域內部的磁疇取向結構發生的畸變，形成漏磁場，根據對漏磁場的檢測結果可判斷出鐵磁性工件的損傷情況或應力狀態[6-7]。為鐵磁性材料早期損傷的評估提供了新的研究思路。磁記憶技術與常規無損檢測方法相比，其具有無可比擬的優勢，如圖1所示。

本文基于探討磁記憶技術在大型原油儲罐罐壁檢測中發現的典型應力集中現象，對罐壁應力集中和可能存在的早期損傷特性進行了研究和分析。

2 檢驗過程及結果

2.1 采用儀器

檢驗采用俄羅斯動力診斷公司的金屬磁記憶檢測專用儀器，型號為TSC-3M-12。該儀器配備新型雙分量傳感器，多個鐵磁探測式轉換器放置成雙分量，同時檢測磁場的法向分量(Hpy)和切向分量(Hpx)，找出結構的薄弱部位，探頭速度最大可達0.5m/s。

2.2 檢驗對象

為衡量儲罐日常使用過程中，罐壁是否存在應力集中或者早期損傷現象，從而對儲罐進行磁記憶掃描檢測，對于檢測到的應力異常集中區域進行擴大比例重點復驗檢測。被檢儲罐的基本資料見表1，由表1可以看出，該儲罐是原油儲罐，且從投入使用至今10年未曾開罐檢驗。

表1 儲罐參數

圖2為儲罐示意圖，該儲罐共九層，根據儲罐受力情況，本次檢驗的磁記憶應力集中檢測部位為第一層壁板焊縫100%檢測，主要包括第一層拼板之間的縱焊縫以及第一層及第二層之間的環焊縫。

圖2 儲罐示意圖及參數

2.3 檢驗結果

實際檢測過程中，針對被檢儲罐的檢測部位，18臺儲罐均出現了相同的磁記憶信號突變現象：儲罐第一層罐壁所有28條縱向焊縫（垂直焊縫）在距離罐底550～650mm范圍內出現明顯的信號突變現象。設備檢測門檻值dH值設置為10A/m，實際檢測中信號突變處的磁場強度達到接近100A/m，信號突變非常強，如圖3所示。

圖3 縱向焊縫信號突變處

針對檢測到的磁記憶信號突變區域進行擴大比例重點復驗檢測，檢測距底板同等距離的母材處(550～650mm)的應力狀態，結果同樣發現相同的信號突變現象，如圖4所示。

2.4 信號突變區域的復驗

從磁記憶檢測結果可以看出，由于信號突變區域集中出現在儲罐第一層壁板距底板(550～650mm)母材及縱焊縫處，呈整圈出現，且強度較高。這說明儲罐在這一區域可能出現了宏觀缺陷或者存在應力集中早期損傷現象，針對這種情況，選擇相關無損檢測方法進行表面和內部缺陷復驗檢測：

圖4 母材信號突變處

1）磁粉檢驗復驗：對信號突變部位進行磁粉復驗，檢驗結果同樣未發現缺陷。排除了表面缺陷。

2）超聲波測厚復驗：針對信號突變區域重點進行了超聲波多點測厚，測厚結果與其他信號正常區域進行了對比，未發現明顯腐蝕減薄現象。部分測厚數據見表2。

表2 信號突變處測厚數據

3）超聲波復驗：對信號突變部位進行超聲波復驗，檢驗結果顯示未發現缺陷。排除了埋藏的宏觀缺陷。

3 應力集中成因分析

通過對信號突變區域復驗，可以排除宏觀及微觀缺陷的存在。因此判定是由于應力集中引起的信號突變，對缺陷的分布位置分析可以看出，應力集中主要位于儲罐第一層壁板距底板一定距離的母材及縱焊縫處，且呈整圈出現，如圖5所示。

圖5 壁板展開及掃描示意圖

3.1 罐壁受力狀態分析

通過有限元計算，儲罐罐壁的應力分布并不是沿液位高度方向逐漸減小的線性過程（見圖6），實際情況下在距離罐底一定高度的罐壁其應力會有一個快速增加的現象，從而導致應力梯度出現了明顯的增加，因此就會造成在距離底板(550～650mm)的母材及縱焊縫處的應力集中現象。

圖6 罐壁應力狀態有限元計算結果

3.2 儲存介質特性分析

儲罐介質為原油，經調研，儲罐底部油污沉積均在450～600mm左右，沉積物含有硫化氫、氯化物等電解質雜質，并夾雜著大量水分，在罐底形成含沉積水的油污層。而應力集中區域正好位于油污層的分界處。在固液分界面會造成電位差的差異會加劇腐蝕，從而引起應力集中現象。如圖7所示。

圖7 油污中影響應力集中的元素

1）Cl-影響：儲罐底部沉積物中氯化物溶解到水中形成陰離子Cl-，在固液交界面，導致罐壁在腐蝕過程中的鈍化膜的損壞，以及修復動平衡狀態的能力受到破壞，溶解占優勢，形成微電偶腐蝕電池，繼而形成應集聚區域[8]。

2）氧濃差影響：儲罐底部存在大量的污泥、腐蝕產物等，這些污垢與油液形成固液分界面，而固液分界面存在氧濃度的差異，形成氧濃度差電池，造成油污和腐蝕產物下垢下腐蝕，形成應力集中區域[8]。

3）硫酸鹽還原菌的影響：原油儲罐沉積物中存在多種細菌，腐蝕最為嚴重的是由硫酸鹽還原菌，它能在缺少氧氣條件下還原硫酸鹽生成硫化氫的細菌，能使罐壁腐蝕電極陰極去極化，加速固液分界面的金屬腐蝕形成應力集中[8]。

4）硫離子的影響：在含水和硫化物的底部沉淀物環境中，硫離子S2-能催化陽極反應，使溶液中的亞鐵離子濃度降低，使腐蝕電流顯著增加，在原油罐底固液分界面形成濕硫化氫腐蝕。結合罐壁表面的應力分布的特點，在罐壁的特定部位形成應力腐蝕條件，最終導致固液分界面應力腐蝕[8]。

4 后續處理

針對罐壁出現特定區域整圈應力集中現象，且處于較強的腐蝕環境中，它會引起罐壁應力腐蝕的早期損傷，應加以重視。在后續的檢驗和日常維護管理中，這些部位應該是重點關注的區域，其安全風險相對于罐體其他部分也應該更高。對應力集中區域應采取如下措施：

1）應力監測：在日常維護管理中，對應力集中區域，應定期進行應力監測，一旦發現應力急劇增加現象，可能出現了宏觀缺陷，應及時采取措施，防止事故。

2）涂層防護法：針對原油儲罐油污沉淀層的腐蝕特性，在開罐時應重點有針對性的做好應力集中區域的涂層內部防護 。

3）犧牲陽極保護法：應根據使用環境及介質特點，合理選用犧牲陽極的材料。

4）定期檢驗及日常維護：在后續的日常維護管理中，這些部位應該是重點關注的區域，其安全風險相對于罐體其他部分也應該更高，應定期檢驗。