立式成品油儲(chǔ)罐底板缺陷的聲發(fā)射檢測(cè)

趙建華，廖柯熹，賈彥杰，古 麗，何國(guó)璽，何騰蛟

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院,成都 610500；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司技術(shù)中心,成都 610037)

立式成品油儲(chǔ)罐常見于各成品油銷售企業(yè)油庫和成品油輸送管線的首末站油庫。雖然成品油介質(zhì)比原油更潔凈，但儲(chǔ)罐長(zhǎng)期使用后罐底依然會(huì)沉積油泥和水等雜質(zhì)，并且油品中的溶解氧、硫酸鹽還原菌和氯離子等也會(huì)逐步沉積在罐底板上，加重罐底的腐蝕，因此需重點(diǎn)關(guān)注成品油罐底板的腐蝕速率[1-2]。此外，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)罐常采用倒裝法建設(shè)安裝，建設(shè)時(shí)先鋪設(shè)并焊接罐底板，再組裝焊接頂層壁板、包邊角鋼、儲(chǔ)罐拱頂?shù)葮?gòu)件，并自上而下依次組裝每層壁板直至底層壁板[3]。倒裝法施工作業(yè)集中在地面進(jìn)行，因此罐底板易出現(xiàn)施工損傷缺陷，包括金屬刮擦損傷和施工臨時(shí)焊瘤等。

最直接的儲(chǔ)罐檢測(cè)方式是開罐檢查，但開罐檢查存在施工費(fèi)用高、檢測(cè)周期長(zhǎng)和前期準(zhǔn)備繁瑣等問題，因此各油庫亟需能準(zhǔn)確檢測(cè)罐底板腐蝕情況的不開罐在線檢測(cè)方法。目前常見的儲(chǔ)罐不開罐檢查方法有聲發(fā)射檢測(cè)[4]和超聲導(dǎo)波檢測(cè)[5-6]。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在罐底板的檢測(cè)上應(yīng)用較少，國(guó)內(nèi)常用的是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)。但儲(chǔ)罐的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)難以被直接驗(yàn)證，文章結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果和開罐檢查結(jié)果，證明了聲發(fā)射檢測(cè)的有效性。

1 聲發(fā)射檢測(cè)原理與過程

1.1 聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射產(chǎn)生的聲波來源于鋼材內(nèi)部的應(yīng)變能突然釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波，如鋼材裂紋發(fā)展、腐蝕產(chǎn)物脫落和局部屈服變形等。產(chǎn)生的應(yīng)力波具有振幅小和頻率高(20～2 000 kHz)的特點(diǎn)，因此一般使用聲發(fā)射傳感器接收該彈性波信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而由聲發(fā)射信息系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理。

瞬態(tài)彈性波信號(hào)可在材料內(nèi)部和表面?zhèn)鞑ブ敝疗淠芰客耆p，固體、液體及氣體都能傳播彈性波，但不同材料具有不同的信號(hào)衰減率，罐底板腐蝕的彈性波可通過罐內(nèi)油品和底板傳播到壁板表面。一個(gè)聲發(fā)射源信號(hào)可同時(shí)被幾個(gè)聲發(fā)射傳感器接收到，從而可根據(jù)接收時(shí)差對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位并劃分其等級(jí)[7]。

1.2 總體檢測(cè)過程

聲發(fā)射檢測(cè)的程序包括：① 制定檢測(cè)方案，收集并檢查儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)和建造等數(shù)據(jù)；② 采用模擬源校準(zhǔn)各傳感器通道和處理器，提高聲發(fā)射檢測(cè)的定位精度；③ 通過加注成品油的方式為儲(chǔ)罐加壓，設(shè)置合理的儲(chǔ)罐加壓程序，開展聲發(fā)射檢測(cè)。聲發(fā)射檢測(cè)過程框圖如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)過程框圖

1.3 儲(chǔ)罐檢查

聲發(fā)射檢測(cè)前根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921-2017 《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》 先對(duì)儲(chǔ)罐壁板開展宏觀檢查，該儲(chǔ)罐的宏觀檢查結(jié)果如表1所示。經(jīng)過外觀檢查確定了儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)完好，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 儲(chǔ)罐宏觀檢查結(jié)果

1.4 聲發(fā)射傳感器布置

被檢儲(chǔ)罐容量為20 000 m3，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10764-2007 《無損檢測(cè)常壓金屬儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法》的規(guī)定，在儲(chǔ)罐壁板上均勻設(shè)置12個(gè)頻率為25～80 kHz的VS30-SIC-46dB型聲發(fā)射傳感器，相鄰傳感器間的夾角為30°(見圖2)。經(jīng)過校準(zhǔn)，傳感器的平均靈敏度為87.4 dB，12個(gè)傳感器的最大與最小靈敏度之差為0.9 dB，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2 dB要求，背景噪聲不大于40 dB，各傳感器靈敏度基本保持穩(wěn)定。

圖2 聲發(fā)射檢測(cè)裝置外觀及其在儲(chǔ)罐上的布置示意

對(duì)罐底板開展檢測(cè)時(shí)，傳感器應(yīng)統(tǒng)一布置在距罐底板0.1～0.5 m高度的壁板上，并保證高于罐內(nèi)沉積物，各傳感器間距保持一致，檢測(cè)時(shí)避開大開口部位和補(bǔ)償角焊縫，以盡量減少其對(duì)聲波信號(hào)的衰減作用。同時(shí)應(yīng)打磨除去表面的防銹漆、鐵銹和雜質(zhì)，均勻涂抹上真空脂等耦合劑并使傳感器表面直接接觸儲(chǔ)罐基體，確保傳感器與儲(chǔ)罐表面充分耦合。采用磁夾具固定傳感器，并將線纜固定在罐壁和地面上，防止其產(chǎn)生附加噪聲。

1.5 儲(chǔ)罐加壓與保壓

首先開展10 min的背景噪聲測(cè)試，當(dāng)確定了低水平的背景噪聲在許可范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行聲發(fā)射充壓檢測(cè)。儲(chǔ)罐從底部進(jìn)油以提供壓力，充壓到檢測(cè)壓力的85%時(shí)，保壓10 min，然后繼續(xù)進(jìn)油到檢測(cè)壓力的100%，并保壓30 min。如果第一次充壓檢測(cè)結(jié)果存在缺陷定位不準(zhǔn)確等問題，則重新進(jìn)行一次上述充壓和保壓檢測(cè)過程。壓力隨時(shí)間的變化過程如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)罐壓力隨時(shí)間的變化過程

1.6 數(shù)據(jù)采集

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)線、前置放大器、信號(hào)電纜、檢測(cè)儀等設(shè)備構(gòu)成。運(yùn)行聲發(fā)射檢測(cè)儀連續(xù)測(cè)量充壓和和保壓過程，并將數(shù)據(jù)存貯到計(jì)算機(jī)硬盤。在聲發(fā)射檢測(cè)過程中，檢測(cè)人員記錄檢測(cè)過程和結(jié)果，記錄的內(nèi)容包括但不限于：升壓與保壓過程壓力隨時(shí)間的變化、儲(chǔ)罐升壓時(shí)設(shè)置的操作參數(shù)和采集到的聲發(fā)射信號(hào)等。當(dāng)聲發(fā)射檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)泄漏引起的噪聲信號(hào)，需停止檢測(cè)并查找泄漏發(fā)生的位置。

1.7 聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

通過罐底板聲發(fā)射源的區(qū)域定位分析，確定源級(jí)別和評(píng)價(jià)區(qū)域的腐蝕狀態(tài)。計(jì)算出各獨(dú)立通道有效檢測(cè)時(shí)間內(nèi)每小時(shí)出現(xiàn)的搏擊數(shù)H，根據(jù)罐底板的區(qū)域定位情況，對(duì)每個(gè)通道區(qū)域的聲發(fā)射源信號(hào)按表2進(jìn)行分級(jí)，此處劃定的評(píng)價(jià)區(qū)域直徑為儲(chǔ)罐直徑的1/10(3.8 m)。

表2中的K值需通過采用相同的檢測(cè)儀器與工作參數(shù)，并對(duì)相同規(guī)格和運(yùn)行條件的儲(chǔ)罐進(jìn)行一定數(shù)量的檢測(cè)來獲得。根據(jù)儲(chǔ)罐底板腐蝕狀態(tài)等級(jí)制定被檢儲(chǔ)罐的維修計(jì)劃。維修計(jì)劃的優(yōu)先順序如表3所示。需開罐大修的儲(chǔ)罐底板，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921—2017要求，在完成油罐清洗和噴砂處理后，從人孔進(jìn)入罐體內(nèi)檢查罐底板的腐蝕狀態(tài)和腐蝕情況。

表2 儲(chǔ)罐底板基于區(qū)域定位分析的聲發(fā)射源分級(jí)

表3 儲(chǔ)罐維修優(yōu)先順序劃分

2 檢測(cè)結(jié)果

2.1 聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果

該成品油儲(chǔ)罐建于2008年，已平穩(wěn)運(yùn)行12 a，內(nèi)部介質(zhì)為92#汽油，儲(chǔ)罐材料為16MnR。儲(chǔ)罐容量為20 000 m3，直徑為38 m，高度為19 m。為掌握儲(chǔ)罐底板的腐蝕情況，在儲(chǔ)罐上均勻安裝了12個(gè)聲發(fā)射傳感器，采用AMSY-6型聲發(fā)射在線檢測(cè)儀采集儲(chǔ)罐底板的聲發(fā)射信號(hào)[8]。

檢測(cè)結(jié)果顯示，被檢測(cè)的罐底板共發(fā)現(xiàn)57處定位事件數(shù)較多的評(píng)定區(qū)域。其中有1處評(píng)定區(qū)域定位事件數(shù)大于10，8處評(píng)定區(qū)域定位事件數(shù)為5～10，這些區(qū)域存在明顯的局部腐蝕特征，其余48處評(píng)定區(qū)域存在輕微局部腐蝕。根據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果可知，儲(chǔ)罐中部的腐蝕最嚴(yán)重，大部分的腐蝕缺陷都位于中幅板，而邊緣板的腐蝕缺陷較少。最后判定該儲(chǔ)罐底板的腐蝕狀態(tài)等級(jí)為III級(jí)，維修建議是：考慮維修。

2.2 開罐檢查驗(yàn)證

開罐檢查前，排出罐內(nèi)的成品油并清除底部沉積的污油，使用防爆工具清洗罐內(nèi)所有金屬結(jié)構(gòu)的表面、焊縫、罐頂(浮頂)內(nèi)外表面和油罐的附件，保證清洗后罐內(nèi)達(dá)到動(dòng)火要求，表面無油污、積水及其他雜物。儲(chǔ)罐清洗完成后，對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部的壁板和底板開展了噴砂作業(yè)，以除去儲(chǔ)罐表面的腐蝕產(chǎn)物。該儲(chǔ)罐的中幅板和邊緣板的設(shè)計(jì)厚度分別為8 mm和12 mm，且建設(shè)時(shí)還留有至少0.5 mm的腐蝕余量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921-2017的要求，中幅板和邊緣板的點(diǎn)蝕深度不能超過設(shè)計(jì)壁厚的40%，否則需在缺陷部位開展局部補(bǔ)板或更換鋼板。開罐檢查確定底板缺陷的最大深度不超過1.5 mm，即不超過底板設(shè)計(jì)厚度的18.75%。

檢測(cè)人員進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部，根據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)定位的結(jié)果，在儲(chǔ)罐內(nèi)部采用皮尺測(cè)量對(duì)應(yīng)位置的腐蝕缺陷，發(fā)現(xiàn)了8處明顯的金屬損傷和點(diǎn)蝕缺陷(見圖4)，其余較輕的腐蝕缺陷未納入統(tǒng)計(jì)。各處缺陷的具體情況如表4所示。

圖4 儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射檢測(cè)與開罐檢查缺陷分布圖

表4 儲(chǔ)罐開罐檢查結(jié)果

對(duì)比上述開罐檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷位置與聲發(fā)射檢測(cè)確定的儲(chǔ)罐底板缺陷位置，發(fā)現(xiàn)上述8個(gè)缺陷位置全部與聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)，且開罐檢查發(fā)現(xiàn)的8個(gè)缺陷中有7個(gè)位于定位事件數(shù)大于5的區(qū)域內(nèi)。聲發(fā)射檢測(cè)定位坐標(biāo)與開罐檢查測(cè)量的坐標(biāo)有一定誤差，但誤差最大不超過0.5 m[9]。開罐檢查發(fā)現(xiàn)的腐蝕缺陷數(shù)量遠(yuǎn)少于聲發(fā)射檢測(cè)的數(shù)量，經(jīng)分析認(rèn)為存在如下原因：① 開罐后實(shí)施的底板清洗和噴砂等作業(yè)除去了罐底板較輕微的腐蝕產(chǎn)物和腐蝕痕跡；② 儲(chǔ)罐的聲源是多樣的，例如罐底板受油品靜壓后產(chǎn)生的變形也會(huì)產(chǎn)生聲波，但開罐檢查難以在對(duì)應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷；③ 開罐檢查發(fā)現(xiàn)的部分輕微腐蝕尚未被納入統(tǒng)計(jì)。

經(jīng)開罐檢查可知，罐底板在建設(shè)期作為施工平臺(tái)，會(huì)受硬物擠壓、刮擦和臨時(shí)焊接固定等因素的影響，加上缺陷會(huì)在運(yùn)行期內(nèi)進(jìn)一步發(fā)育，進(jìn)而造成罐底板腐蝕減薄。此外罐底板也會(huì)出現(xiàn)局部點(diǎn)蝕，特別是建設(shè)時(shí)缺陷的補(bǔ)焊位置由于補(bǔ)焊的材料與儲(chǔ)罐本體材料不同，容易形成電偶腐蝕[10-11]。

綜上所述可知，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確檢測(cè)出罐底板的主要腐蝕缺陷，適用于立式成品油儲(chǔ)罐檢測(cè)。儲(chǔ)罐底板部分缺陷的外觀如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)罐底板部分缺陷的外觀

3 結(jié)語

(1) 采用12個(gè)傳感器對(duì)儲(chǔ)罐底板缺陷進(jìn)行定位，經(jīng)開罐檢查驗(yàn)證，聲發(fā)射檢測(cè)定位的缺陷數(shù)量多于開罐檢查缺陷的數(shù)量，但開罐檢查結(jié)果基本位于聲發(fā)射定位事件數(shù)大于5的區(qū)域內(nèi)，證明了聲發(fā)射檢測(cè)定位的準(zhǔn)確性和適用性。

(2) 開罐檢查發(fā)現(xiàn)，罐底板缺陷主要來自于建設(shè)期的金屬損失和點(diǎn)蝕，罐底板的腐蝕缺陷多位于中幅板，腐蝕分布具有隨機(jī)性。

(3) 已發(fā)現(xiàn)的8個(gè)缺陷深度都較淺，最大深度不超過底板設(shè)計(jì)壁厚的18.75%，在標(biāo)準(zhǔn)許可的40%深度范圍內(nèi)，該成品油儲(chǔ)罐底板安全狀態(tài)較好。