声发射技术在大型立式储罐全面检测中的应用

声发射技术在大型立式储罐检测中的应用谈平庆董绍平（中国石化镇海炼油化工股份有限公司，浙江省宁波市，315207）摘要简要分析了石化行业大型立式储罐检测技术的现状，介绍了声发射技术的技术原理，以及应用于大型立式储罐的全面检验实例，并提出了推荐的储罐现代综合检测与评价技术的流程。同时，也对新技术应用的前景和效益做了分析。关键词声发射在线检测技术储罐腐蚀泄漏1前言随着国民经济的快速发展，原油消耗逐年增加，据海关总署提供的数据，2004年我国累计进口原油12000万吨，2005年中国原油进口量为12682万吨，作为贮存及周转之用，大型立式储罐的应用也越来越广泛。镇海炼化公司具有1800万吨/年原油综合加工能力，是国内最大的进口含硫原油加工基地。公司现有各类储罐253台，总容量273万立方米。进口含硫原油的加工在降低原油成本和提高经济效益方面起到了重要作用。但是，大量加工含硫原油也使立式储罐等设备的腐蚀日趋严重，近几年我公司已发生数起（包括两起原油）储罐底板因腐蚀穿孔而导致漏油的事件。因此，如何确保大型立式储罐安全长周期运行的问题就摆在了我们面前。传统的储罐全面检验方法一般都是离线检测，需要停工置换，清理罐底，其方法主要包括局部超声波测厚、表面检测（磁粉或渗透）、真空测漏点等。尽管这些定期例行检测方法可以避免一些腐蚀引起的泄漏事故，但检测的有效性和经济性一直不理想。经验表明，在例行开罐检查的储罐中，约有一半以上的罐底板是不需要立即维修的“好”罐，这就意味着在人力、物力和生产时间上造成了浪费。另一方面，某些储罐可能会由于未及时发现严重腐蚀而已导致泄漏，而错过了最佳检修时机，污染了环境，甚至可能导致更严重的后果。针对石化行业在大型立式储罐检测技术十分落后的实际情况，本文借鉴国际上一些已经成熟或基本成熟的先进技术，以及结合近年来我国对这些技术的某些应用情况，对储罐底板的声发射在线检测技术做简要介绍，并提出一套符合我国国情的储罐现代综合检测与评价方法和做法，以供参考。2储罐底板的声发射在线检测技术2．1技术原理及特点声发射（AcousticEmission）是一种常见的物理现象，是来自于材料内部由于突然释放应变能而形成的一种弹性应力波。大多数材料变形和断裂时有声发射发生。利用仪器探测、记录、分析声发射信号，进而推断声发射源、对被检测对象的活性缺陷情况评价的技术称为声发射检测技术。相对于常规无损检测技术，声发射技术是一门较新的技术。声发射检测方法独有的一些优点，如动态检验、对线性缺陷较为敏感、快速、一次性整体探测、可在线检测、早期或临近破坏预报，吸引了各行各业的许多研究人员进行大量的研究和应用。目前声发射技术作为一种较成熟的无损检测方法，在发达国家已被广泛应用于许多领域，如石油化工工业、电力工业、材料试验、航天和航空工业、金属加工、民用工程、交通运输业等。我国在声发射技术的研究和应用起步均较晚，但近年来也有了长足进展，并颁布了国家标准GB/T18182-2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》。在借鉴国外先进技术和仪器的基础上也制造出了数字式多功能仪器，应用水平不断提高，应用领域也不断扩大。但应当指出，与工业发达国家相比，我国声发射技术应用的整体水平还有一定的差距。与传统的储罐罐底腐蚀检测方法相比，声发射检测方法则是一种在线、高效、经济的方法，克服了传统技术费时、费力、检测费用高和有漏检现象的缺点，不仅能节省相当可观的检修费用，更能大大地缩短检修时间，使检修对生产的影响降到最小程度，因而具有非常有价值的应用前景。但该项技术在我国刚刚起步，检验与评价方法需要在不断的研究和实际应用中不断完善。2．2检测过程储罐底板的声发射在线检测是在不倒罐的条件下，通过在储罐罐底附近（根据罐底沉积物的估计厚度，一般距罐底200～500mm）的筒体外壁沿圆周方向布置一定数目（取决于直径的大小）的传感器，在一定的载荷（一般要求80%以上的液位）作用下，通常需要关闭所有的进出口阀门、泵和加热装置等可能产生干扰信号的设备，且需要稳定一定的时间。实际的检测时间一般为2个小时左右，可以对罐底是否存在泄漏以及腐蚀损伤情况做出判断，并能够对泄漏的位置和严重腐蚀的区域进行定位，最终对储罐的安全性等级做出评价。储罐罐底的声发射检测过程非常简单和方便，主要包括如下几个步骤：1）充操作介质至最大试验液位，并使储罐稳定一定时间（该过程可在夜间完成）；2）在罐的外壁上安装传感器并由电缆线连到声发射仪上（约1小时）；3）监测2小时，在检测过程中可实时显示检测结果；4）检测结束后也可对存储的数据进行事后处理和分析，并出具检测报告。显然，上述过程不需要倒罐及清罐，只是在检测前需关闭阀门和泵几小时（最多24小时）。检测完成后，储罐罐可立即投入使用。此外，由于它也非常省时省力，比超声、磁粉等离线检测方法更节省费用。如果把倒罐、清罐、检测、重新充罐以及停产等所有因素都考虑进去，这种方法经济高效的特点是显而易见的。根据罐底腐蚀情况将储罐分为A﹣E的5个级别。每个等级都有相应的维修处理方法，见表1。2．3高温下罐底板的声发射在线检测对于操作温度较高（如高于80℃时）的储罐，可以借助于波导杆技术，仍使用常温的传感器来完成监测。波导杆的结构设计原则为：结构较简单，易于制造和安装，成本较低，对声波的传播影响较小。通常可以将波导杆长期焊接在储罐上，下次检测时不但方便，而且可以对比检测结果。图1为我们曾经设计和使用过的一种波导杆。该波导杆垂直于筒体表面，且要求焊透、牢固、尽量无气孔和夹渣。波导杆的伸出端穿过磁座的安装圆盘，且处于同一平面，这样可以保证声波的传播效果最好。波导杆的材料一般可选用普通的碳钢圆钢。波导杆的直径和长度是考虑了传感器的尺寸和降温效果而确定的，其长度可根据储罐的实际操作温度和保温层的厚度选取合适的值。表1基于腐蚀状况的级别及维修优先建议等级腐蚀状况维修/处理方法A非常微少没有维修必要B少量没有立即维修必要C中等考虑维修D动态维修计划中优先考虑E高动态在维修计划中最优先考虑罐壁焊缝约φ30点焊或全焊2-3φ100300100＜φ10圆盘图1用于高温储罐声发射检测的一种波导杆结构2．4检测仪器美国PAC的DiSP-56声发射工作站。传感器型号：R3I－AST；频率范围：30－60kHz。2．5储罐的现场检测2．5．1G503#的基本情况G503#材料为Q235；尺寸为φ22000×13600mm，底板厚度8mm；容积为5000M3；拱顶罐；操作介质为柴油，1978年投用。2004年6月发现底板处出现微量的渗漏，决定进行声发射监测，以确定泄漏的位置。2．5．2G503柴油罐的声发射监测2004年6月在发现G503罐底板出现了微量渗漏后，决定进行声发射在线监测，以确定泄漏的大致位置，指导即将进行的开罐维修工作。由于已出现渗漏，仅在当时的液位下监测，监测完成后立即倒罐。共采集了两段数据，在线监测的分析结果见图2、图3。可以看出，主要出现了2处集中定位声源。其中位于中部偏西区域的声源S1面积较大且较集中，而位于6#传感器附近的S2声源有一定的显示（这也是外观发现微小渗漏的位置，形似一小气孔），但相对中部要弱，认为中心区域为薄弱区。经开罐检修发现，在中心偏西1米处存在1处腐蚀穿孔，而且中部区域的底板下表面确实存在较多的湖状（麻坑）腐蚀，某些腐蚀坑的深度已达璧厚的一半以上，底板变形很大。同时也找到了声源S2处的微漏点。该罐进行更换底板后重新投入使用。事实证明，这次声发射检测与罐底板的实际状况符合得很好。(a)二维声源定位图(b)三维声源定位图图2第一阶段在线监测结果穿孔处S1S2S1S2(a)二维声源定位图(b)三维声源定位图图3第二阶段在线监测结果2．5．3510#罐的基本情况材料为Q235；尺寸为φ11000×12600mm，底板厚度8mm；容积为1000M3；内浮顶罐；操作介质为精制油，1992年7月投用。底板的边缘板由于腐蚀严重，在以前的检修中已经进行了全部贴板处理。2004年5月计划大修后进油，发现人孔处基础有少量油往外渗出，于2004年11月再次安排检修。由于未查到漏点，决定进行充水试验条件下的声发射监测，结合真空测漏方法，最终在边缘板上找到了1处漏点，并做了修复。投用后不久又出泄漏，清罐后于2005年7月再次进行充水试验条件下的声发射监测，结合真空测漏方法，最终找到了2处撕裂性泄漏点和几处冒泡点。检修后投用正常。2．5．4两次充水条件下的声发射检测（2004.11，2005.5）两次检测均采用8个R3I－AST传感器，在距罐底板200mm的罐壁外表面圆周线上均布，且传感器的位置及参数设置也完全相同。检测前在距各传感器100mm处进行铅笔芯折断信号的标定。由两个进水管同时进水。试验液位曲线见图4。为了获得较全面的检测数据，第一次检测基本进行了全程的监测。第一次检测时的部分声源定位情况见图5、图6。第二次检测主要加载阶段的声源定位情况见图7。2．5．5510#罐两次声发射监测的结果分析第一次声发射检测共出现了7处声源，对其中相对较活跃的2处（1＃－2＃）声源区域进行了重点真空查漏，最终找到了底板焊缝泄漏点，并进行了修补。第二次声发射监测过程中仍然未出现可见泄漏。但检测到3处声源位置。通过真空查漏最终发现2处由于撕裂破坏而造成的泄漏点，泄漏点与较活跃的声源仅相差约1米。从两次检测的结果看，声源定位结果与实际查到的泄漏位置大部分基本符合（有1处未显示），但存在不同程度的误差。某些声源较强（如2#等），本次虽然未发现存在泄漏，但由于也未对这些区域的下表面腐蚀情况进行常规方法的复验，因此对这些部位也应引起一定的注意。需要指出的是，由于实际的原因，本次检测不是在线检测，试验介质（常温水）的渗透力不如操作介质（精制油），监测过程中也确实未出现可见泄漏，因此，这增加了检测的难度。另外，由于底板的边缘板为双层板（经过贴板处理），不但结构复杂了，而且出现泄漏时位于上层板的漏点与下层板的实际漏点也不一定一致，因为介质可在两层板间流动，所以这又增加了检测的难度。尽管如此，本次检测还是得到了比较满意的效果。此外，从510#罐的全程监测结果看，不同液位阶段的定位情况并不完全重复，稳定时间的长短也对监测有一定影响。参数的正确选择对于检测结果的可靠性很关键。不同尺寸和介质的储罐，其波速取值对定位有较大影响。因此，需要不断研究和积累检测经验，以确定合适的检测条件、检测参数设置和时机等。液位m5.5m8.8m10m（第一次检测）时间（h）8.5h4h6.5h0液位m6m9m11m（第二次检测）时间（h）2h2h3h0图4试验液位曲线(a)二维声源定位图(b)三维声源定位图图58.8m液位保持阶段的罐底板声源定位图（8.5-10.5小时）(a)二维声源定位图(b)三维声源定位图图610m液位保持阶段的罐底板声源定位图(6小时)(a)二维声源定位图(b)三维声源定位图图711m液位保持阶段的罐底板声源定位图（3小时）3对大型立式储罐声发射检测的几点认识（1）罐底板的声源定位精度问题①②我们认为，从技术和实用价值的综合角度来说，罐底板声发射检测的定位精度若在10～20%内应该是比较理想的。当然，定位精度还直接与罐直径、介质等因素有关。对于一台5000立方米的储罐，直径约22米，按照10～20%的定位精度，实际的腐蚀或泄漏位置应该在显示位置的约3～4米范围内。（2）罐底板声发射检测可达到的效果一般来说，经声发射检测后评价为“好”的罐（如A、B级），正确率可达95%以上；评价为“坏”的罐（如D、E级）当中可能存在一定数量（10～20%）的“好”罐，因为某些原因（如检测时机不好，稳定时间不够，结构变形，外来噪声等）可能会产生干扰信号。例如，支撑连接处就容易产生变形信号，但同时此处也容易产生腐蚀。根据经验，“好”罐（即A、B级）通常为达到定期检验的储罐总量的50%左右，且评价的正确率较高，即漏检“坏”罐的可能性很小。据此，约50%的罐不必立即开罐检修而继续运行。对用户来说，直接的经济效益主要产生于此。总之，声发射在线检测罐底板