聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)在常壓油料儲(chǔ)罐運(yùn)行中的應(yīng)用研究

馬曉剛

（中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司吉林省分公司， 吉林 長(zhǎng)春 130504）

1 當(dāng)前金屬儲(chǔ)罐檢測(cè)的現(xiàn)狀

為了保證儲(chǔ)罐的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，則必須儲(chǔ)罐進(jìn)行定期檢測(cè)，聲發(fā)射在線檢測(cè)技術(shù)作為一種在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在保障原油儲(chǔ)備庫(kù)和罐區(qū)等石油運(yùn)輸設(shè)備的安全運(yùn)行起到了非常積極的作用。由于罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)條件的不同，常壓儲(chǔ)罐罐底板的定期檢測(cè)方法十分有限。長(zhǎng)期以來(lái)，只有儲(chǔ)罐停用，并將其中的儲(chǔ)質(zhì)排空，然后由相關(guān)的檢測(cè)人員在特定的儲(chǔ)罐檢測(cè)期進(jìn)入罐內(nèi)采用常規(guī)無(wú)損傷的方法對(duì)其底板進(jìn)行檢測(cè)，例如超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)等。而這些方法主要是罐底離線檢測(cè)技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)大型常壓金屬儲(chǔ)罐底板大多采用聲發(fā)射在線檢測(cè)的方法[1]。

2 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的基本原理

作為導(dǎo)波的獨(dú)特性質(zhì)之一，導(dǎo)波可以通過包含了相速度、群速度、波數(shù)等參數(shù)的頻散曲線來(lái)表示，其中相速度和群速度是頻散曲線中兩個(gè)重要的參數(shù)和概念。聲發(fā)射實(shí)際是有具有相似頻率的一組波形疊加的結(jié)果，并且不同的諧波的傳播速度稱之為波的相速度，而群速度是由不同的諧波疊加得來(lái)的。其中波的相速度可以用公式表示為：

式中：cp為相速度；ω為角速度；k為波數(shù)。

其中頻率十分相同的一組聲波的傳播速度為群速度。英國(guó)著名物理學(xué)家瑞利勛爵，經(jīng)常利用式（1）來(lái)講表示群速度的概念，如果一個(gè)靜止平面上的一些波，常見的波群速度要遠(yuǎn)小于其所包含的所有子波速度，而這部分子波將會(huì)通過波群持續(xù)向前涌動(dòng)，直至極限才會(huì)消失。用公式來(lái)表示如下：

式中：Cg為群速度。

下述式（3）可以用來(lái)表示簡(jiǎn)單的波群能量傳遞和群速度之間的關(guān)系。

定義能量密度為：

將公式（4）內(nèi)的幾個(gè)周期的時(shí)間進(jìn)行平均，對(duì)無(wú)損介質(zhì)：

式（5）表示為平均時(shí)間內(nèi)的能量密度傳播速度：

通常所說(shuō)的群速度就是能量的傳播速度。經(jīng)常會(huì)用頻譜的方法對(duì)群速度和相速度進(jìn)行研究，將群速度標(biāo)記在頻譜上每個(gè)點(diǎn)的斜率座標(biāo)上，可分三種情況考慮。

1）cp＞cg正常的在波群的后面產(chǎn)生，并且向前移動(dòng)直至消失。

2）cp＝cg無(wú)頻散。

3）cp＜cg異常的頻散在波群的前面開始，然后不斷向后移動(dòng)直至最后消失。

選擇合適的相速度和頻率進(jìn)行檢測(cè)，在工程應(yīng)用中顯得十分重要。群速度是在相似的頻率處所采集到的一組波，群速度即波的傳播速度。相對(duì)于相速度，兩者的不同點(diǎn)在于在頻率變化時(shí)，群速度沿著每一個(gè)模式移動(dòng)時(shí)有著非常劇烈的變動(dòng)。群速度曲線與相速度曲線相關(guān)，且相速度值與相速度頻散曲線與其也相關(guān)。盡管如此，導(dǎo)波是由縱波、橫波等各種基本類型的超聲波所組成，并且導(dǎo)波以其群速度向前傳播。在特殊的頻率點(diǎn)上導(dǎo)波的群速度值較小，并且會(huì)相應(yīng)的提高相速度。

3 聲發(fā)射方法在儲(chǔ)罐檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究

試驗(yàn)儲(chǔ)罐尺寸：直徑1.2 m，高度2.2 m，壁厚為0.008 m,儲(chǔ)罐材料為Q235。在不同的位置設(shè)置不同的缺陷，以便后續(xù)進(jìn)行開罐進(jìn)行對(duì)照。將適量的水放入實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐中，如圖1位置放置6個(gè)聲發(fā)射傳感器，傳感器為美國(guó)物理聲學(xué)公司的DP3I，工作頻率范圍為20～220 kHz。通過設(shè)置聲發(fā)射采集系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過運(yùn)行速度較快的計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的分析、記錄和顯示。

圖1 傳感器位置圖（單位：mm）

模擬儲(chǔ)罐內(nèi)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)步驟如下。

1）將實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐的傳感器分別進(jìn)行靈敏度測(cè)試，然后在每個(gè)傳感器旁邊斷鉛，并且對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行設(shè)置，使其能夠接收到的信號(hào)最大值超過95 dB，若沒有超過，需要重新進(jìn)行設(shè)置。

2）先對(duì)1號(hào)傳感器進(jìn)行5次及以上的斷鉛，并將剩余5個(gè)傳感器所接受的數(shù)值進(jìn)行記錄。

3）其次將6號(hào)傳感器進(jìn)行5次及以上的斷鉛，將剩余5個(gè)傳感器所接受到的數(shù)值進(jìn)行記錄，以便對(duì)聲發(fā)射波在罐底的傳播速度進(jìn)行計(jì)算[3]。

4）接著向?qū)嶒?yàn)儲(chǔ)罐中加水，當(dāng)液位分別達(dá)到0.6 m，1.2 m，1.8 m時(shí)重復(fù)第2）步和第3）步的內(nèi)容。

5）將實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐中聲發(fā)射波的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

當(dāng)1號(hào)傳感器在實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐沒水時(shí)進(jìn)行斷鉛，傳感器所接受的數(shù)據(jù)為表1所示。根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以推算出聲發(fā)射波在金屬儲(chǔ)罐內(nèi)的傳播速度為：

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，隨著傳播時(shí)間和傳播距離的不斷增加，聲發(fā)射波在金屬儲(chǔ)罐中的能量值和幅值在不斷的衰減。同時(shí)，衰減程度也隨著時(shí)間的不斷增加而減小。

表1 金屬儲(chǔ)罐的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論與展望

通過以上的實(shí)驗(yàn)中對(duì)聲發(fā)射波在金屬結(jié)構(gòu)件中的傳播特性進(jìn)行的研究，能夠得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1）對(duì)金屬薄板中聲發(fā)射波的傳播過程觀察可得，聲發(fā)射波的傳播軌跡在金屬板的表面進(jìn)行，且衰減率較慢；并且與在金屬厚板中聲發(fā)射波的衰減率相比，由于聲發(fā)射波在介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行傳播，因此聲發(fā)射波在金屬薄板中的衰減率遠(yuǎn)小于前者。

2）隨著角度的變化，聲發(fā)射波的能量也在發(fā)生變化，當(dāng)聲發(fā)射波與發(fā)射平面恰好處于90°時(shí)，聲發(fā)射波的能量達(dá)到最大。

3）與在固體中傳播的衰減程度相比，聲發(fā)射波在液體中傳播時(shí)的衰減程度要小，但是頻率相對(duì)較高的信號(hào)衰減的速度要遠(yuǎn)大于頻率相對(duì)較低的信號(hào)。

4）通過對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕信號(hào)在儲(chǔ)罐內(nèi)的液體介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行傳播。

航空業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，作為保證航空業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障之一的航空煤油儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行成為了較為關(guān)鍵的問題。在這樣的情況下，為了實(shí)現(xiàn)航空煤油儲(chǔ)罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，可以將上述試驗(yàn)研究應(yīng)用到航空煤油儲(chǔ)罐的運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)上。

[1]陳健飛,盛華,仇東泉,等.聲發(fā)射在油田常壓儲(chǔ)罐檢測(cè)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011，37（19）：28-31.

[2]《電磁場(chǎng)的多尺度變換理論及其應(yīng)用》出版[J].咸陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（6）：115.

[3]沈功田，張萬(wàn)嶺.壓力容器無(wú)損檢測(cè)技術(shù)綜述[J].無(wú)損檢測(cè)，2004（1）：37-40.