在役原油儲罐的在線檢測技術應用現狀

韓文禮，蔣林林，劉 苒，蘇碧煌，王志濤

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團石油管工程重點實驗室- 涂層材料與保溫結構研究室，天津 300451

儲罐作為儲存原油的一種專用設備，已廣泛應用于石油石化行業。目前，我國已建成各類儲罐總庫容4 592 萬m3。由于原油具有易燃、易爆特性，所以大型儲罐一旦發生腐蝕泄漏，就可能引發嚴重災害和環境污染，造成巨大的經濟損失。為了確保儲罐的安全運行，在實際運營過程中，需要對儲罐進行定期停產檢修[1]。在我國，石油行業標準SY/T 5921—2017[2]規定：油罐的檢修周期一般為6 ～9 年，新建油罐第一次修理周期不宜超過10 年；SHS 01012—2004[3]規定：儲罐的檢修周期一般為3 ～6 年。API 653：2014[4]規定：從投產運行到初次內部檢測之間的時間間隔不應超過10年，采取不同防護設施的儲罐，初次內部檢測與投產運行時間間隔不應超過12 ～25 年。歐洲工程材料應用協會標準EEMUA 159[5]則規定：最長檢修周期為 8 ～ 10 年。

1 儲罐檢測

儲罐檢測可分為開罐檢測和在線檢測。開罐檢測需要停產、清罐，由檢測人員安全進入罐中進行檢測，檢查時通常采用傳統的無損檢測方法，包括超聲測厚、漏磁掃查、磁粉檢測和滲透檢測。開罐檢測工期長、成本高，影響生產，因此合理確定儲罐的檢修周期非常重要，過長和過短的檢修周期都是不合理的。周期過長，儲罐因得不到及時檢修而處于高風險之中；而檢修周期過短，會造成不必要的檢修損失，增加生產成本。而由于生產原因，儲罐的檢修周期又往往得不到保證，導致儲罐隱患不能及時發現，影響儲罐的安全運行。

API RP 575[6]指出：腐蝕是導致鋼制儲罐及其附件損壞的主要原因，因此泄漏情況和評估腐蝕程度是儲罐檢測的重要內容，腐蝕檢測在儲罐檢測中顯得尤為重要[7]。統計資料顯示，在役儲罐的罐底板是腐蝕最為嚴重的區域[8]。在所有已知儲罐的事故中，罐底板腐蝕泄漏導致的事故占20%以上，是儲罐事故的首要原因，因此加強儲罐底板腐蝕檢測是提高儲罐安全性的重要手段[9]，應把儲罐腐蝕檢測、維修的重點放在罐底板上[10]。

儲罐在線檢測可以在不開罐、不停產的情況下實現儲罐底板的安全評估，作為罐底板腐蝕狀況普查和初篩的方法，具有一定的預測性。通過在線檢測定性評估罐底板的腐蝕程度和泄漏情況，對底板結構進行完整性分類，列出維修計劃，使企業可以合理調配有限的維修資源，延長“好罐”的檢測周期，同時及時發現和維修“壞罐”，減少和避免因泄漏造成的環境污染，降低運維成本，避免誘發事故造成的損失。

2 在線（不開罐） 檢測技術

目前，國際上罐底板腐蝕狀況在線檢測技術主要有聲發射、導波以及機器人三種技術[8,11-12]。

2.1 聲發射檢測技術

材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象稱為聲發射（Acoustic Emission，簡稱AE），有時也稱為應力波發射[13]。

常壓儲罐聲發射檢測技術主要用于罐底板腐蝕、泄漏狀態評估。罐底板存在腐蝕缺陷時，強度降低，在液位壓力作用下產生局部微小變形，導致腐蝕產物的剝離和脫落，產生聲發射信號。發生泄漏時，介質流動也會產生連續的聲發射信號。聲發射在線檢測儀通過安裝在罐外壁下部的傳感器陣列來接收底板由于腐蝕和泄漏產生的聲發射信號，通過分析信號對罐底結構進行腐蝕狀況評價[14]。檢測原理如圖1 所示，聲發射傳感器等距離耦合在儲罐罐壁周圍，被動接收因罐底板腐蝕、泄漏產生的聲發射信號。通過傳感器接收到的聲發射信號的時間間隔來定位聲源，通過分析處理采集到的聲發射信號來確定罐底板的腐蝕狀況，對罐底板的完整性及安全性進行評估。

圖1 聲發射檢測原理

聲發射檢測是動態檢測方法，可以實現對缺陷的實時監控，檢測對象是正在發生的缺陷，無法檢測已經形成的缺陷。特點是無需停產、開罐、倒罐、清罐，只需在檢測前關閉閥門、泵等部件12～24 h，采集2 h 的有效數據，檢測完成后儲罐可繼續投入使用；檢測和評價工作相對方便快捷，通過陣列布置的傳感器，即可獲得罐底板腐蝕聲源的活動信息；傳感器安裝部位的涂層需要清除（保溫儲罐需割開少許保溫層），但不會損傷罐壁。

在檢測過程中，罐底板的聲發射檢測評價結果的準確性受到諸多因素的影響，包括電磁噪聲、機械噪聲、環境噪聲（溫度變化、風沙、雨雪天氣）、儲罐罐壁和罐頂聲源的干擾。此外，傳感器與罐壁的耦合狀況、檢測人員對檢測過程的觀察和記錄的準確性、后期的數據處理等都會影響到聲發射檢測評價結果的準確性[15]。

2.2 超聲導波檢測技術

超聲導波是沿著結構長度傳播并被結構幾何邊界導向約束的彈性波，常用于板中缺陷檢測和結構狀態評估[16-17]。在厚度與波長相當的板材中傳播的波，稱為板波（又稱平板導波），它主要采用Lamb 波進行檢測，具有傳播距離遠、快速便捷、檢測精度不受罐內介質影響等特點，適合于罐底板和壁板的在線檢測[18-19]。罐底板超聲導波檢測的原理如圖2 所示。安裝在罐底外露邊緣板上的探頭激發Lamb 波，并接收底板缺陷返回的反射波，通過分析處理反射波獲得罐底板的腐蝕狀況[20]。沿罐底邊緣板一周改變探頭的位置，逐點檢測，獲取多個方向的檢測數據，最后通過計算機完成數據處理，得到整個罐底板的缺陷分布圖像，從而對罐底板的腐蝕狀況進行評價。

圖2 罐底板超聲導波檢測原理示意

2.3 機器人檢測技術

機器人檢測技術集成了現代控制理論、防爆隔離技術、可視化技術、罐底板檢測的超聲技術、漏磁技術等多種技術手段，可視為傳統無損檢測技術的自動化作業，可根據不同的檢測項目配置不同的檢測單元，對罐底、內部罐壁或其他部位進行檢測，是其他檢測技術難以實現的[8,11]。罐底板機器人在線檢測的原理如圖3 所示，將機器人通過罐頂人孔放到罐內，由罐外機器人控制車進行操作，通過遙控方式進行罐底板檢測，目前機器人還是采用臍帶纜繩與控制車實現通訊。

圖3 機器人系統在線檢測原理示意

國外已經推出數個型號的機器人產品（如Maverick、OTIS 機器人） 用于儲罐的在線檢測，節省開罐、清罐所耗費的成本，檢測效率高，經濟效益明顯。但也存在以下不足：對罐內介質有要求，不適合檢測淤積層較厚的原油儲罐；對罐內結構有要求，內浮頂類型儲罐投放機器人比較困難，內部有加熱盤管的儲罐，為避免臍帶纏繞盤管，檢測范圍大為受限；機器人內部的電路系統，用于原油、成品油儲罐檢測，安全風險較大。罐底板機器人檢測技術在國外多家知名石化公司得到驗證并成功應用，1998 年得到API 653《儲罐檢驗、維修、改造和重建》的認可[21]。目前國內尚無該技術的應用先例。

3 在線檢測技術應用現狀

超聲導波技術應用很少，機器人在線檢測系統在國內還是空白，聲發射檢測是目前儲罐底板在線檢測中應用最為廣泛的一種檢測技術[22]。

常壓儲罐底板聲發射在線檢測技術在美國、英國、法國、澳大利亞和日本等國家已得到大量應用，國內已開始研究推廣。美國物理聲學公司（PAC） 先后對8 000 多臺儲罐開展了聲發射在線檢測，對其中1 000 多臺儲罐進行了開罐驗證，研發了TANKPACTM 大型常壓金屬儲罐底板檢測專家系統，用于罐底板腐蝕和泄漏狀況的在線檢測評價[8]，聲發射評價結果為A 類的儲罐與好罐具有100%的對應關系[23]。法國石油協會對690 臺儲罐進行了罐底板聲發射檢測，對其中78 臺進行了開罐檢測，對應關系良好。

國內東北石油大學開展了1 028 臺常壓儲罐底板的聲發射檢測，A、B 級占62%，D、E 級占11%，對不同評價等級的102 臺儲罐進行了開罐檢測，聲發射檢測評價結果與開罐檢測結果具有很好的對應關系。中石油管道科技研究中心對80 多臺完成罐底板聲發射檢測的儲罐進行開罐驗證，準確率達到93%。中石化管道儲運公司對81 臺儲罐開展了聲發射檢測結果與開罐檢測結果的對比，其中65 臺儲罐聲發射檢測結果基本能反應罐底板的腐蝕狀況，16 臺儲罐兩種檢測結果的相關度較低。

中國石油集團工程技術研究有限公司對原油儲罐罐底板腐蝕在線檢測評價技術開展了研究，重點在聲發射檢測技術，包括在線檢測技術影響因素研究、噪聲干擾及降噪技術研究、信號模式識別和采集技術研究，罐底板腐蝕狀況評價及聲發射在線檢測評價可靠性研究，形成了儲罐底板腐蝕狀況聲發射檢測評價技術，在線檢測給出的罐底結構完整性分級、聲發射源集中度區域劃分與開罐檢測的結果具有很好的符合性。

從國內外儲罐底板聲發射在線檢測評價結果的驗證情況來看，該技術可以對儲罐底板腐蝕狀態進行快速評價，定性反映儲罐的腐蝕狀況，為合理安排檢修周期提供參考，減少盲目開罐造成的環境污染及經濟損失，具有良好的社會及經濟效益。

4 結束語

在線檢測技術不需要開罐，檢測效率高，成本低，可對罐底板腐蝕狀況進行普查和初篩，為儲罐合理安排開罐檢修周期提供科學依據，在我國大型儲罐日益增多、管理任務日趨繁重的情況下，在線檢測技術在提高儲罐安全管理、保證儲罐安全運行方面必將發揮重要的作用，隨著在線檢測技術的日益成熟，其也必將得到更廣泛的推廣應用。