濱海電廠露天儲罐腐蝕損傷檢測與結構安全評定

王 俊，孫永亮，呂 峰，鄭顯崇

(蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

國內濱海電廠露天儲罐大多選用碳鋼材料，內外壁采用涂層防護。在儲罐內介質和儲罐外海洋大氣及雨水的多重腐蝕介質作用下，儲罐部件尤其是底板面臨著嚴峻的腐蝕風險[1]。根據國內濱海電廠的運營經驗，一般電廠運行10 a前后，露天儲罐的腐蝕問題開始顯現。在運行1525 a期間，將迎來腐蝕問題的集中爆發，主要表現為涂層大面積老化失效和金屬基體腐蝕減薄甚至穿孔。

目前，國內濱海電廠對于露天儲罐普遍采用預防性檢修的管理方式，檢測手段以目視檢測為主，在目視檢測發現涂層及金屬基體缺陷時，根據維修預案進行處理。然而，目視檢測存在較大的局限性，一方面目視檢測無法識別底板下表面的腐蝕，導致檢查和管理存在盲區，只能被動等待底板發生穿孔；另一方面，目視檢測無法測量腐蝕缺陷深度，也不易獲取基體腐蝕損傷程度超出設計腐蝕裕量的情況。

國內某濱海電廠露天儲罐經長時間服役后，內壁涂層出現大面積鼓泡，為了準確掌握儲罐腐蝕狀態，電廠開展了儲罐的腐蝕損傷檢測與計算評價工作，并提出了相應的改進行動建議。

1 技術方案與原理

1.1 儲罐基礎信息

該廠露天儲罐材料為碳鋼(牌號為20G)，內外壁表面涂裝厚度約0.5 mm的涂層。儲罐直徑為8 m，高度為11.9 m，設計容量為500 m3，最高運行溫度為60 ℃。罐壁與罐頂設計厚度為7 mm，罐底設計厚度為8 mm，腐蝕裕量為1.6 mm。罐壁由4塊鋼板對接焊接組成，罐底由10塊鋼板搭接焊組成，罐頂由10塊扇形鋼板搭接焊接組成。該罐近年目視檢測發現儲罐底板涂層出現大面積鼓泡，局部有銹點，罐壁和罐頂涂層局部破損，基體腐蝕損傷程度未知，底板下表面腐蝕狀況未知。

1.2 檢測方案

通過對儲罐內外部環境的腐蝕性進行分析，結合儲罐內外壁歷史檢查結果，確定腐蝕敏感部位為儲罐底板、罐壁3 m(平均液位線附近)以下區域、罐壁3 m以上局部涂層破損區域以及罐頂局部涂層破損區域。具體檢測方案如下。

(1) 針對罐頂，在罐外采用相控陣超聲檢測儀進行檢測。

(2) 針對罐壁大面積無遮擋部位，采用搭載水浸式超聲探頭的自動爬行機器人進行C掃描，省去了搭設腳手架的成本與實施風險，對于罐壁底部、人孔門、豎梯附近機器人等不可達部位，采用相控陣超聲檢測儀進行補充檢測。

(3) 針對罐底，在罐內采用漏磁檢測儀進行檢測，對檢測出的異常部位采用相控陣超聲檢測儀進行復驗。

1.2.1 相控陣超聲檢測

當相控陣超聲探頭掃查區域出現腐蝕坑時，不同晶片激發的超聲波信號會因傳播距離的不同而在屏幕上呈現不同的回波顯示，其回波圖形顯示與腐蝕坑剖面形狀近似，從而可以快速、準確地識別出待測工件的腐蝕坑位置與尺寸。其檢測原理如圖1所示。

圖1 腐蝕坑相控陣檢測原理示意

1.2.2 智能機器人超聲C掃描

搭載水浸式超聲探頭的智能C掃描機器人是一種利用超聲波的聲學特性并結合運動編碼信息，通過電腦集成系統對超聲信號進行處理分析，以獲得缺陷在不同深度層面上的二維聲學圖像的一種先進檢測設備。其采用多元線陣探頭實現水平面上x，y方向的綜合掃描。從所顯示的二維圖像上可以直觀地看到一定深度層面上缺陷的形狀、位置、分布及取向。利用計算機圖像處理技術將不同深度層面上的C掃描圖像進行疊加，便可以得到缺陷的立體圖像、三維尺寸和空間分布[2]。

智能C掃描機器人采用回波差值法去除涂層對測試結果的影響，具體做法為，在回波信號中設置兩個閘門，第一個閘門設置在一次回波處，第二個閘門設置在第二個回波處，利用閘門間差值方法計算母材厚度。智能C掃描機器人檢測無需去除涂層，節省了大量的腳手架搭設的成本和打磨去除涂層的工作量，降低了作業風險。

1.2.3 漏磁檢測

漏磁檢測的原理是通過外加磁場對鐵磁性鋼板進行磁化，如果被磁化的鋼板表面或內部存在不連續或缺陷，則會有一部分磁力線從缺陷位置附近溢出，通過使用檢測傳感器(如霍爾元件)接收溢出的磁力線，來判斷缺陷是否存在，并對缺陷大小進行定量分析[3]。其檢測原理如圖2所示。

圖2 漏磁檢測原理示意

考慮到該儲罐底板表面存在密集的涂層鼓泡，漏磁檢測儀在行進過程中可能產生顛簸，導致接收到的磁通量發生波動，從而帶來檢測誤差。為了解決上述問題，考慮在檢測實施前對底板整體鋪設具有一定強度和厚度的透明塑料板，塑料板厚度為1 mm，鋪設后對漏磁檢測儀進行重新標定以消除塑料板對檢測精度帶來的影響。

2 檢測結果

2.1 罐頂相控陣超聲檢測結果

選用型號為Mentor UT的相控陣超聲檢測儀對罐頂進行相控陣超聲檢測，探頭型號為115-100-020，晶片組數為32，頻率為5.0 MHz，超聲波類型選擇縱波，聲速為5 900 m·s-1，增益為39 dB。

在罐外對罐頂局部涂層破損區域進行相控陣超聲檢測，檢測識別出一處腐蝕坑，減薄深度為1.75 mm，腐蝕坑直徑約15 mm。該腐蝕坑相控陣檢測結果如圖3所示，圖像凸起形狀即為腐蝕坑截面輪廓。

圖3 罐頂一處腐蝕坑相控陣超聲檢測結果

2.2 罐壁智能機器人超聲C掃描結果

選用搭載水浸式超聲探頭的智能爬行機器人，儀器型號為Tablet UT，對罐壁進行C掃描，掃描速度為120 mm·s-1，掃描寬度為260300 mm，每間隔5 mm取一次數據，步進間距為5 mm。

智能機器人超聲C掃描共分為60個區域，其中3 m以下分48個區域，3 m以上分12個區域，每個掃描區域寬度約為260300 mm。掃描共獲取壁厚數據142 431個，其中最大減薄點低于80%設計壁厚的區域有21個；最大減薄點低于70%設計壁厚的區域有5個，位于儲罐罐壁人孔門和罐壁最上部(第4層)，最大壁厚減薄為39%(減薄2.72 mm)。腐蝕坑C掃圖像及其軟件模擬的3D形貌如圖4所示，其位置對應內壁頂部一處涂層破損區域。

圖4 罐壁腐蝕坑C掃圖像及其3D形貌

除最小壁厚點之外，區域性的減薄同樣需要關注，此類區域可能是涂層老化失效的部位，金屬基體面臨著均勻腐蝕減薄。從機器人C掃圖像上看，存在較為明顯的區域性減薄的區域共計37處，分布于25個掃描區域中。

2.3 罐底漏磁檢測結果

選用型號為TMS-09的漏磁檢測儀(見圖5)對罐底進行漏磁檢測。漏磁檢測儀由磁橋、磁鐵和霍爾傳感器模塊、驅動馬達單元和電池箱、電子模塊控制單元以及可分離的工業計算機等組成。檢測儀采用永久磁鐵磁化;共30個通道;設置高靈敏度霍爾探頭60個;掃查寬度為260 mm；傳感器陣列間距為8 mm;位移編碼器掃查步進為2 mm；最大檢測速度可以達到0.7 m·s-1。

圖5 漏磁檢測儀實物

采用校準試板對檢測儀器各獨立通道進行功能測試。通過調節儀器的設定值和傳感器的高度，控制儀器精度為±10%板厚，定位誤差為±5 mm。校準試板由儲罐底板常用的8 mm厚鋼板制作(表面鋪設1 mm厚塑料板片)，試板的寬度為600 mm，試板的長度為1 600 mm。校準試板上有深為板厚的20%，40%，60%和80%的4個球型人工缺陷，缺陷之間的間距為200 mm。

底板漏磁檢測共識別缺陷45處，其中有37處缺陷減薄率為20%～30%，有8處缺陷減薄超過30%，其中最大減薄率為67%，該區域靠近排水管口。缺陷減薄率分布如圖6所示。

圖6 罐底缺陷減薄率區間分布示意

對識別出的45處缺陷選取其中7處進行驗證，鏟除涂層后發現上表面存在不同程度的腐蝕坑；為進一步確認上述區域下表面是否存在腐蝕減薄，采用相控陣超聲檢測儀進行驗證。經兩種檢測結果對比，同時結合外觀檢查結果推斷，上述7處缺陷區域的最大腐蝕減薄點均來自底板下表面。以其中一處缺陷為例，漏磁檢測顯示該區域減薄當量為39%，清理該區域涂層后發現上表面金屬基體完好未發生腐蝕；相控陣超聲檢測發現該區域存在腐蝕坑，深度約為2.56 mm，從而判斷該區域底板下表面存在腐蝕坑，該缺陷部位照片及其漏磁與相控陣超聲檢測結果如圖7所示。

圖7 缺陷部位照片及其漏磁與相控陣超聲檢測結果

3 計算與評價

3.1 設計最小壁厚

該電廠儲罐設計制造標準為EN 14015-2004，根據該標準8.2.3節，碳鋼材料采用搭接焊的儲罐底板名義厚度不小于6 mm；根據該標準10.3.3節，碳鋼材料儲罐頂板最小厚度不小于5 mm。

根據EN14015-2004標準9.2.2節，儲罐罐壁名義厚度不應小于式(1)的結果。

(1)

式中：ec為設計條件要求的殼體厚度；D為儲罐的直徑，取8 m；S為允許的設計應力，取2/3材料屈服強度(20G碳鋼材料屈服強度為245 MPa)，即163 MPa；W為存儲條件下所存儲液體的最大設計密度，取1 kg·l-1；Hc為底部到標準規定高度的距離，根據設計容量與直徑計算最高液位為9.95 m；p為設計壓力，常壓設計，取100 kPa；c為允許的腐蝕裕量，取1.6 mm。

將相關參數代入式(1),得ec=6.37 mm。綜合上述結果，得出儲罐罐壁最小厚度為6.37 mm。

根據上述檢測結果，頂板當前最小壁厚為5.25 mm，滿足設計要求；底板當前最小壁厚為2.64 mm，小于6 mm設計最小壁厚要求；罐壁當前最小壁厚為4.28 mm，小于6.37 mm設計最小壁厚要求。

3.2 結構安全評定

(1) 參數選擇與邊界條件

儲液罐材料牌號為A42CP，彈性模量為204 GPa，泊松比為0.3。儲罐外半徑為4 m，高度為11 m，容器壁厚為7 mm，底部壁厚為8 mm。儲罐罐壁下端存在一個腐蝕坑，深度為2.7 mm，直徑為40 mm，距離地面高度為180 mm。采用靜水壓力載荷，高度為10 m。

有限元及邊界條件：采用軸對稱模型，約束底部Y向位移。儲罐有限元模型如圖8所示。

圖8 儲罐ANSYS有限元模型

(2) 計算結果

ANSYS軟件計算結果顯示容器壁下端受力較大，最大應力強度約為95 MPa，腐蝕凹坑處最大應力強度約為75 MPa(見圖9)。

圖9 帶缺陷儲罐ANSYS軟件計算結果

在腐蝕凹坑處建立評定線，結果顯示Y向應力沿著壁厚方向分布為：內壁受壓外壁受拉，最大拉應力約為43 MPa。腐蝕凹坑處應力評定線如圖10所示。

圖10 儲罐腐蝕凹坑處應力評定線示意

從腐蝕坑最大應力強度和界面應力分布結果看，其應力強度遠低于該材料的許用強度，儲罐結構安全滿足要求。

5 結語

(1) 綜合采用底板漏磁檢測、罐壁智能機器人超聲C掃描檢測、罐頂相控陣超聲檢測等方法全面、準確地檢測儲罐整體腐蝕損傷狀態，為電廠儲罐運維管理提供技術支撐。智能機器人的使用省去了腳手架搭設的成本與實施風險，提高了效率與質量；底板表面塑料板的使用為在役儲罐漏磁檢測的實施提供了有益嘗試，在不影響檢測精度的同時避免了清除老化涂層的時間與成本。

(2) 針對該廠露天儲罐的當前腐蝕狀態，建議采取的措施如下：短期內，對存在腐蝕缺陷的部位進行維修補強；從中長期考慮，建議選擇合適的窗口期對底板進行整體更換，或者對整罐進行更換。

(3) 建議對濱海電廠露天儲罐預防性管理策略進行優化，以提升設備的可靠性水平。根據美國核電廠NUREG-1801報告結合國內多個濱海電廠露天儲罐歷史腐蝕檢查情況，以及坑蝕減薄速率統計情況(最大坑蝕減薄速率0.150.4 mm/a，中位值為0.20.25 mm/a)，建議國內濱海電廠每10 a開展一次露天儲罐全面腐蝕檢測評估(目視檢測加體積檢查)工作。