本安型立式儲罐底板聲發射檢測系統設計

郭子航 趙翔 劉瑞

摘 ? ? ?要：在簡要分析儲罐底板聲發射檢測技術應用優勢和存在問題基礎上，針對儲油洞庫、覆土油罐等爆炸危險環境下的油罐底板缺陷檢測需求，提出了一種本安型聲發射檢測系統設計方案，以分布式獨立通道檢測模塊同步采樣方案和檢測儀防爆設計為重點，闡述了聲發射檢測單元、數據分析單元等主要組成部分的功能和結構。

關 ?鍵 ?詞：本安型;聲發射檢測;同步采樣;模塊

中圖分類號：TE988 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1723-06

Abstract： The application advantages and deficiencies of acoustic emission testing technology in storage tank floor detection were briefly analyzed. To meet the requirements of oil tank floor defect detection under explosion hazard circumstances such as underground oil storage caverns and buried oil tanks， a design scheme of intrinsically safe acoustic emission detection system for oil tank floor was put forward. Focusing on the synchronous sampling scheme of distributed independent channel detection module and explosion-proof design of detector， the structure and function of main components of the detection system were expounded， including acoustic emission testing unit and data analysis unit.

Key words： Intrinsically safe; Acoustic emission testing; Synchronous sampling; Module

作為石油化工儲運系統的核心組成部分之一，儲罐發揮著存儲原油、成品油、石化產品及原料的作用，被大量地建造和使用。立式鋼制儲罐具有容量大，存儲介質易燃易爆、易揮發、有毒性或腐蝕性等特點，加之其受力條件常年隨液位升降而變動，溫、濕度等自然環境復雜多變，板材不可避免地會出現腐蝕、劣化、穿孔等缺陷，一旦發生介質滲漏或泄漏，極易引發著火爆炸事故，嚴重威脅人民生命財產和生態環境安全[1]。

美國石油協會API575-2005《現役常壓和低壓儲罐的檢驗指南和方法》指出：鋼制儲罐及其附件等出現缺陷和失效的主要原因在于腐蝕，儲罐檢測的主要目的是查找腐蝕位置，確定腐蝕程度。儲罐的腐蝕可能出現在罐壁、罐頂或罐底等多個部位，其中發生在油罐底板部位的腐蝕缺陷最難發現、危害最大。相關資料一再表明，儲罐底板腐蝕是引發儲存介質泄漏事故的主要誘因。隨著近年來我國在安全生產和環境保護領域立法、監管和問責力度的不斷加大，如何安全、高效、準確地檢測和評估油罐運行狀態，確保工業生產和能源供應安全，受到了廣泛關注和深入研究[2]。

1 ?儲罐底板檢測技術研究現狀

當前國內外對立式常壓儲罐底板主要采取定期的開罐檢測方式，由于此類檢測方法需要停工停產、騰空油罐、開罐通風，且缺乏有效的技術手段提前確定罐底狀態以支持決策，存在作業成本高、安全風險大等缺點，因此儲油狀態下的油罐底板檢測技術成為國內外學者及工程技術人員致力研究的前沿課題[3-4]。目前常用的儲油狀態下油罐底板檢測方法主要有超聲導波罐外檢測、罐內機器人檢測、聲發射檢測等，而此類技術在工程上應用，尚需解決眾多難題，如靈敏度和準確性、可靠性、多種檢測環境適應性、可操控性、防爆安全性等。超聲導波技術雖然檢測效率高，但由于導波傳播距離有限，加上儲液對超聲能量的吸收，目前的檢測能力僅適合檢測罐底邊緣板;罐內機器人檢測由于其可靠性和環境適應性不強，尚未被任何國家列入有關油罐檢測的技術規范，國內也未見到相關應用的報道[4]。

聲發射（AE）檢測是基于材料中局域源能量（塑性形變、裂紋產生和擴展）快速釋放產生瞬態彈性波的現象，借助高靈敏度的聲波傳感器檢測物體發射的彈性應力波，并將振動信號轉換為電信號進行分析和處理，用以識別物體內部是否存在活性聲源[5]。作為一種動態無損檢測方法，相比于其他檢測技術，利用聲發射技術進行油罐底板檢測（檢測原理參見圖1）時，對罐底板的平整度沒有任何限制，能夠直接檢測焊縫、拐角等相對復雜的結構，并提供缺陷隨著壓力、時間等變化的連續信息。通過提取聲發射信號的特征參數，可以判斷油罐底板的缺陷狀況，為后續維修計劃的制定提供科學依據，并且大幅降低檢修成本，提高檢修效率。

目前國外只有美國物理聲學公司（PAC）和德國VALLEN公司推出了能在爆炸危險環境中使用的聲發射檢測系統[4]。兩家公司產品的組成和工作原理基本相同，以VALLEN公司的產品為例，其系統構成如圖2所示。

從圖2可以看出，VALLEN公司將檢測系統所在環境劃分成兩部分：危險區域和非危險區域，危險區域內只布置傳感器和傳輸線，傳統的多通道聲發射采集設備放置在非危險區域，檢測系統通過信號隔離安全柵為傳感器供電。考慮到危險區域到非危險區域有一定距離，傳統的傳感器信號直接輸出遠傳難以滿足需要，VALLEN公司為該系統配置了具有前置放大功能的本安型傳感器，以保證危險區域中的檢測安全。此類檢測系統可較好地應用于地面露天油罐檢測，但對于儲油洞庫和覆土油罐的檢測，仍存在以下問題：

1）現場設備展開范圍大，設備連接距離長，在有限空間內（罐室）安裝與撤收費時費力。

2）檢測線纜過長，每個通道線纜需要60～120 m才能將信號傳遞到安全區域，導致整套檢測系統龐大、過重，難于搬動。

3）檢測系統的連接端點過多，各單元之間過多的連接不僅帶來安全防爆問題和信號噪聲問題，頻繁的安裝與拆卸也容易導致接口部分損壞。

4）本安型傳感器信號最長傳輸距離為200 m。而國內大型儲油洞庫罐室到洞外非危險區域的平均距離遠超這一長度，因此這種聲發射檢測系統無法滿足洞庫油罐的檢測要求。

儲油洞庫和覆土油罐罐室和坑道均為1級爆炸危險區域，在此類區域中使用聲發射檢測設備進行檢測時，主要應考慮儀器的電氣參數是否達到防爆標準。針對傳統的多通道聲發射檢測系統功耗較大的特點，本文提出了本安型獨立通道聲發射檢測系統的設計思路。為確保時差定位檢測準確性，必須保證各獨立通道聲發射檢測儀檢測的同步性[6]，因此獨立通道聲發射檢測儀防爆設計和信號采集的同步性實現是本文研究的重點。

2本安型儲罐底板聲發射檢測系統構成

基于爆炸危險場所檢測作業安全性、便捷性和準確性的要求，本系統由聲發射檢測單元、數據分析單元和輔助器材三部分構成，其設備展開如圖3所示，可集裝為4個包裝箱，根據需要組合使用。

2.1 ?聲發射檢測單元

聲發射檢測單元用于油罐罐底缺陷狀況的檢測，主要包括獨立通道聲發射檢測儀、聲發射傳感器、高強度磁吸固定機構、同步電纜和附件等現場檢測所需設備，可獨立實現油罐罐底聲發射檢測功能，使用CF存儲卡存儲采集到的檢測數據，同時支持與數據分析單元主機間的USB通信功能。本單元作業均在爆炸危險環境下進行。

2.2 ?數據分析單元

數據分析單元主要由數據處理主機和軟件程序組成，可以通過讀卡器讀取存儲卡中保存的現場采集信號數據，也可通過USB接口直接讀取聲發射檢測儀中的數據。通過運行數據分析程序，對檢測數據進行管理、分析和顯示，分析評估油罐底板狀態，形成檢測結果。本單元作業均在非爆炸危險場所進行。

2.3 ?輔助器材

輔助器材主要指接地電阻測試儀，用于檢測油罐接地電阻，保證檢測作業正常開展。

3 ?系統主要技術指標

3.1 ?聲發射檢測儀配置數量

按照被檢油罐最大容量20 000 m?進行設計，其直徑一般為40 m，考慮到實際建設中可能出現一些“非標罐”，故確定被測油罐直徑不超過42 m。根據JB/T 10764—2007《無損檢測常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》規定，對罐底板進行檢測時，傳感器應沿油罐圓周均勻安裝在罐壁靠底部同一高度的位置上，間距不宜大于13 m，建議5 000 m?以下油罐安裝4～8個，5000～20 000 m?油罐安裝8～12個（參見表1）。一般情況下每間隔10 m設置1臺獨立通道聲發射檢測儀，則最多需要12臺檢測儀同時工作[7]。考慮檢測和攜帶的方便，可將4臺獨立通道聲發射檢測儀及與其配套的聲發射傳感器、高強度磁吸固定機構、同步電纜和附件等設為1組裝箱，因此，聲發射檢測單元配備12臺獨立通道聲發射檢測儀及配套設備，分裝在3套聲發射檢測箱內。

3.2 ?聲發射檢測單元防爆等級

依據GB 3836.1—2000《爆炸性氣體環境用電氣設備》有關規定，地面油罐區防火堤內為1級和2級爆炸危險場所，覆土油罐罐室、洞庫坑道和罐室均為1級爆炸危險場所，1級爆炸危險場所電氣設備可選用本安型（ib）和隔爆型（d），油罐中儲存油品以汽油的爆炸危險性最大，屬IIA類T3組，根據相關規范，考慮防爆電氣設備的結構、重量和操作使用的方便性，確定在檢測現場作業的聲發射檢測儀、傳感器等儀表的防爆等級不低于Ex ib IIA T3。

3.3 ?單罐檢測作業時間

單罐聲發射檢測作業時間包括展開（檢測儀布置、傳感器測試）時間、測量時間和撤收時間[8]。通常情況下，展開約需3 h左右，測量1～2 h，撤收1 h，故單罐聲發射檢測時間確定為不大于6 h。當多罐測量時，可以并行操作以縮短時間。

3.4 ?缺陷狀態評估能力

依據JB/T 10764—2007《無損檢測常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》，采取聲發射源的時差定位分析和分級方法，評估油罐底板腐蝕狀態等級，并提出相應的維修處理建議。

3.5 ?自然環境適應性

檢測儀器的工作環境除地面油罐在露天外，覆土油罐和洞庫油罐均在油罐罐室內，檢測作業可依據自然環境擇機進行。因此，裝置的環境適應性主要考慮裝置自身的工作溫度、濕度、防塵和防水要求，確定本裝置的防護等級為IP54，工作溫度為5～35 ℃，濕度為5%～80%。

4 ?聲發射檢測單元總體設計

4.1 ?聲發射檢測儀

基于DSP嵌入式系統設計聲發射檢測儀，實現同步采集和本安型防爆功能。檢測儀以1 MHz頻率進行連續采樣，但只保存超過預設閾值的聲波信號。

4.1.1 ?檢測儀同步采樣解決方案

聲發射檢測儀的采樣率為1 Msps，并以1MHz頻率進行實時采樣。考慮到洞庫和覆土油罐罐室內難以接收GPS信號，無線通信手段在爆炸危險環境下受到嚴格限制的實際特點，本文采取有線通信方式實現分布式采集模塊同步采樣。如圖4所示，系統中每臺聲發射檢測儀都內置有頻率為1 MHz的晶體振蕩器，檢測過程中，可設置任意1臺檢測儀為主設備，只有主設備才能向同步電纜輸出1 MHz的時鐘信號，所有聲發射檢測儀共用一個1 MHz采集時鐘，主、從設備A/D采樣時鐘都從同步電纜獲取，同時1 MHz同步信號還用來協助各聲發射檢測儀的系統計時，保證各檢測儀計時的一致性。此方案同步誤差可控制在數十微秒，可滿足聲發射源的時差定位要求[6]。

4.1.2 ?檢測儀硬件設計

聲發射檢測儀的基本電路結構如圖5所示，主要由信號預處理模塊、數據處理及A/D轉換模塊、電池及供電保護模塊、人機交互界面模塊和USB通信模塊5個部分組成。

1）信號預處理模塊

主要包括放大電路和濾波電路，其中前置放大增益為26 dB，可程控選擇啟用/禁用;信號濾波頻帶寬度為3～100 kHz。

2）數據處理及A/D轉換模塊

采用數字信號處理器作為核心控制器，DSP型號采用TMS320VC5509A音頻專用處理器。A/D轉換模塊選用高精度高可靠性芯片AD7622，單通道采樣率為1 Msps，采樣精度為16位。

3）電池及供電保護模塊

內置鋰電池組選用福州福瑞特電子有限公司生產的IAFB186502S01型防爆電池，其標稱電壓7.4 V，標稱容量2 200 mA，最大持續放電電流1 000 mA，可通過穩壓電路輸出3.3 V工作電壓，并設計有充電電路，充滿電后可支持檢測儀器單次連續工作2 h以上。

采用電源保護板實現限流、限壓等輸出保護功能，可達到本安防爆要求（詳見本文4.1.4節）。

4）人機交互界面模塊

檢測儀提供LED顯示器和按鍵作為人機交互界面，方便用戶操作。

a.輸出：采用4位數碼管顯示數值或字母，能顯示清楚當前設備工作狀態（包括主/從機模式、采集/休息模式、當前1 s所采集信號最高dB值、采集時間、故障類型等），其中第1位顯示模式類型，第2-4位顯示具體數據。

b.輸入：設置3個按鍵，第1個選擇模式，第2個選擇參數，第3個啟停，能完成下列基本任務：選擇主/從機模式，設置工作參數，啟動/停止/暫停采集等。

c.開關：單設電源開關按鈕。

5）USB通信模塊

數字信號處理器TMS320VC5509A含有全速USB2.0接口，采用Cypress公司生產的CY7C68013單片機實現高速USB2.0通信接口。

4.1.3 ?檢測儀固化程序

聲發射檢測儀固化程序由主控程序、數據采集存儲程序和通信程序三部分構成。主控程序能接收按鍵輸入，按要求完成檢測儀的初始化，采樣頻率、采樣長度、電壓閾值、撞擊閉鎖時間等參數的設置，啟停采集任務，并在儀器故障或數據溢出時提供顯示告警。數據采集存儲程序在同步采集時鐘作用下，采集超過預置閾值的聲發射信號，采集過程中顯示當前1s最強信號的dB值，并通過小波分析和FFT等算法，對信號進行降噪和波形參數提取，之后分幀保存在CF存儲卡中，同時保存采樣時間信息。通信程序通過USB接口實現與數據處理單元主機的數據聯通。

4.1.4 ?檢測儀防爆設計

1）電池模塊防爆設計

電池模塊包含由2個18 650聚合物鋰離子電芯構成的鋰電池組，單個電芯標稱電壓3.7 V，總體電壓7.4 V，過充電狀態下最高電壓Umax=8.55 V。聚合物鋰離子電芯在發生過熱故障時會膨脹而不爆炸。電池組通過防爆保護控制電路（以下簡稱保護板）向主電路板供電。保護板使用多重保護電路。

串聯1 A保險絲限制持續輸出電流，保險絲澆封厚度1 mm，滿足本安型防爆要求。

c.DC-DC變換器輸出端：分別并聯2個3 W （5.6±5%）V穩壓二極管進行電壓限制，防止因DC-DC故障導致輸出過高電壓。

2）主電路板防爆設計

電路板按照GB3836.4—2010提供的點燃曲線和數據表[9]進行防爆設計。

主電路板電路總電容約160 μF，總電感約674 μH，電路最大功率2 W，電池組最高電壓8.55 V，根據上述規范，IIA類設備安全系數取1.5，在8.55 V下最大允許電容取1 000μF，電路總電容滿足本安型防爆要求。

IIA類設備在24 V電壓下700 μH電感最小點燃電流為0.8 A，取1.5倍安全系數為0.53 A，檢測儀的最大工作電流為0.23 A，滿足本安型防爆要求。

晶體振蕩器電壓3.3 V，時鐘頻率1 MHz，最大工作電流為20 mA，在輸出端串聯5.1 Ω電阻限制其輸出能量。

主電路板刷三防漆，以提高絕緣效能。

4.2 ?聲發射傳感器

傳感器選用聲華興業公司生產的的SR40M型聲發射傳感器（參見圖6），并采取設計加裝鋼制隔爆外殼的方法使其滿足防爆性能要求。傳感器參數詳見表2。

5 ?數據分析單元總體設計

數據分析單元在非危險場所工作，主要實現以下功能：

1）檢測工程管理

為每個油庫建立檢測工程，對被檢油罐的基本參數、檢測數據、檢測結果進行綜合管理。

2）聲發射檢測評估

讀取、收集和匯總各聲發射檢測儀采集的檢測數據，進行波形、特征參數和源定位分析，并采用SVM分級和時差定位相結合的綜合評價方法，評估油罐底板聲發射源活動度[10]。

3）檢測報告生成

根據JB/T 10764—2007.《無損檢測常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》規定的要素內容，生成《聲發射檢測報告》， 報告上載明油罐底板腐蝕狀態等級和維修處理建議（詳見表3），同時可根據用戶需要生成波形和特征參數圖表文檔，以便進行進一步的分析研究。

針對上述功能要求，本系統采用MATLAB和C混合編程開發基于windows10操作系統的數據分析程序，主要包括3大功能模塊：用戶登錄模塊、數據分析模塊和文檔生成模塊，其中數據分析模塊內含信號定位分析、波形分析、特征參數分析等3個子模塊（詳見圖7），用以向用戶展示罐底板二維平面上的聲發射事件定位圖，各通道檢測信號的時域、頻域波形圖，上升時間、振鈴計數、能量計數、持續時間、幅值等參數隨時間變化歷程圖，以及各類參數相關關系圖等，以便用戶進行分析[10，11]。

6 ?結束語

本文設計的本安型油罐底板檢測系統在充分借鑒吸收國內外研究成果的基礎上，創造性地提出了獨立通道分布采集模塊同步采樣解決方案，并且有針對性地進行了防爆設計，能夠滿足地面露天油罐、洞庫和覆土油罐等多種應用場景檢測需求，在技術上屬于國內外首創，具有系統集成度高、檢測安全高效、作業成本低等優勢，應用前景十分廣闊。

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