基于不同傳感器布置的常壓儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由底板腐蝕穿孔和泄漏引起的儲(chǔ)罐事故占事故比例的80%，底板腐蝕穿孔已嚴(yán)重威脅到儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全。傳統(tǒng)常壓儲(chǔ)罐底板的檢測(cè)方式為開罐檢測(cè)，如：利用漏磁、測(cè)厚等無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行檢測(cè)。但這種停工開罐的傳統(tǒng)檢測(cè)方法會(huì)造成大量人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在所開罐中僅有9%的儲(chǔ)罐確實(shí)存在嚴(yán)重的腐蝕或泄漏。目前，面對(duì)開罐檢測(cè)費(fèi)用高、儲(chǔ)罐超期嚴(yán)重及低油價(jià)進(jìn)口原油腐蝕儲(chǔ)罐等問(wèn)題，需要一種快速的在線檢測(cè)方法對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)。隨著聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的常壓儲(chǔ)罐開始實(shí)施聲發(fā)射在線檢測(cè)，該方法克服了傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)需要停工置換、清理罐底、逐點(diǎn)掃描檢查造成的費(fèi)時(shí)、費(fèi)力等不足[1-2]。

聲發(fā)射是材料中局域源快速釋放能量而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射或微振動(dòng)活動(dòng)。從聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播到材料的表面，引起可以用聲發(fā)射傳感器探測(cè)的表面位移，探測(cè)器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、處理和記錄，并根據(jù)采集的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析與推斷，以了解材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)制，這個(gè)過(guò)程稱為聲發(fā)射檢測(cè)。目前，該技術(shù)已在金屬材料、復(fù)合材料、巖石、大型鋼結(jié)構(gòu)、承壓設(shè)備、常壓儲(chǔ)罐等領(lǐng)域開展了廣泛應(yīng)用[3]。美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)于20世紀(jì)80年代編制了聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容包括術(shù)語(yǔ)、檢測(cè)儀性能測(cè)試和檢測(cè)方法等，從而加速了聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10764-2007《無(wú)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》部分參考了ASTM E1930-2《液態(tài)低壓和常壓金屬儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法》標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)增加了底板腐蝕檢測(cè)方法及結(jié)果評(píng)價(jià)等內(nèi)容。目前，對(duì)于聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)傳感器的布置方式，國(guó)際上并沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。歐盟一般采用兩層布置的方式，低層布置距離底板高1 m，高層布置距離底板高3～5 m；日本標(biāo)準(zhǔn)給出的布置為距離底板高1～2 m；JB/T 10764-2007標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，底板腐蝕檢測(cè)傳感器布置在距離底板高0.1～0.5 m范圍內(nèi)的壁板上，且應(yīng)高于儲(chǔ)罐內(nèi)固體沉積物的高度。同時(shí)，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將傳感器的布置高度提高到0.6 m。針對(duì)以上國(guó)內(nèi)常用的兩種傳感器布置高度，筆者分別在距離底板300 mm和600 mm處布置了聲發(fā)射傳感器，通過(guò)不同傳感器高度下的標(biāo)定試驗(yàn)和儲(chǔ)罐底板腐蝕檢測(cè)試驗(yàn)，研究傳感器布置高度對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果的影響。

1 檢測(cè)對(duì)象與儀器

1.1 檢測(cè)對(duì)象

檢測(cè)所選儲(chǔ)罐為一臺(tái)服役10 a的常壓原油儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐基本信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)用常壓原油儲(chǔ)罐基本信息

1.2 主要檢測(cè)儀器

主要檢測(cè)儀器為：① 聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)(SAMOS)；② DP3I低頻傳感器(頻率范圍為20 kHz～100 kHz)；③ 數(shù)據(jù)連接線；④ 同軸電纜；⑤ 直徑為0.5 mm的HB鉛芯；⑥ 標(biāo)準(zhǔn)斷鉛裝備。

2 對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)，傳感器布置高度分別為距離底板高300 mm和600 mm，試驗(yàn)過(guò)程如下所述。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)搭建

分別將24個(gè)傳感器均勻地分布在被檢儲(chǔ)罐壁板上，具體位置及編號(hào)如圖1所示，各傳感器通過(guò)同軸電纜及數(shù)據(jù)連接線與聲發(fā)射主機(jī)相連，儀器接地線及電源線連接到位，打開主機(jī)預(yù)熱10 min，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面，根據(jù)被檢對(duì)象及環(huán)境噪聲設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再開始采集信號(hào)。

圖1 傳感器距離底板不同高度時(shí)的斷鉛標(biāo)定定位圖

圖2 傳感器布置不同高度下的斷鉛標(biāo)定位置圖

2.2 斷鉛標(biāo)定

選擇14～19號(hào)傳感器用于斷鉛標(biāo)定測(cè)試，在距離傳感器30 mm范圍內(nèi)，采用標(biāo)準(zhǔn)斷鉛裝備實(shí)施斷鉛標(biāo)定，采集標(biāo)定信號(hào)。

2.3 儲(chǔ)罐腐蝕檢測(cè)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10764-2007的有關(guān)規(guī)定，對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行聲發(fā)射在線檢測(cè)，兩組試驗(yàn)各采集1 h，記錄相應(yīng)的采集數(shù)據(jù)。

3 檢驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 斷鉛標(biāo)定數(shù)據(jù)與分析

圖1為兩組試驗(yàn)的斷鉛標(biāo)定結(jié)果，再提取不同傳感器布置高度下斷鉛標(biāo)定定位點(diǎn)的詳細(xì)信息(見圖2)，同一位號(hào)傳感器兩次標(biāo)定定位誤差如表2所示。由表2可知，兩組試驗(yàn)標(biāo)定位置誤差最大為226.8 mm，最小為13.3 mm，分別為儲(chǔ)罐直徑D的0.28%和0.017%，該誤差在工程檢測(cè)中可忽略不計(jì)。

表2 同一位號(hào)傳感器兩次標(biāo)定定位誤差 mm

3.2 腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析

圖3～6為兩組聲發(fā)射檢測(cè)定位事件數(shù)的平面定位圖與立體定位圖，由圖中數(shù)據(jù)可知：兩組檢測(cè)結(jié)果均評(píng)為Ⅰ級(jí)，屬于無(wú)腐蝕跡象級(jí)別；所劃分的源區(qū)中心位置(如圖3和圖5中的方框)相距1 118 mm(1.4%D)，小于工程檢驗(yàn)規(guī)定5%的誤差范圍，可認(rèn)為屬于同一個(gè)源區(qū)。

圖3 傳感器距離底板300 mm高度時(shí)的定位事件平面圖

圖4 傳感器距離底板300 mm高度時(shí)的定位立體圖

圖5 傳感器距離底板600 mm高度時(shí)的定位事件平面圖

圖6 傳感器距離底板600 mm高度時(shí)的定位立體圖

3.3 整體檢測(cè)定位事件數(shù)與通道撞擊數(shù)比對(duì)分析

表3為傳感器不同布置高度下的檢測(cè)結(jié)果，由表中數(shù)據(jù)可以看出，第1種布置方式形成的定位事件數(shù)少于第2種布置方式形成的定位事件數(shù)，而第1種布置方式采集的撞擊數(shù)高于第2種布置方式采集的撞擊數(shù)。這是因?yàn)樵趥鞲衅鞑贾酶叨容^低時(shí)，罐底結(jié)構(gòu)及介質(zhì)的多樣性使得信號(hào)的模態(tài)轉(zhuǎn)變頻率增高，信號(hào)衰減增大。此現(xiàn)象一方面不利于形成有效定位，另一方面會(huì)由于采集大量的、多樣的聲發(fā)射信號(hào)，撞擊數(shù)增多。

表3 傳感器不同布置高度下檢測(cè)結(jié)果

3.4 整體檢測(cè)持續(xù)時(shí)間與上升時(shí)間關(guān)聯(lián)分析

圖7為距離底板不同高度處的持繼時(shí)間與上升時(shí)間關(guān)聯(lián)圖，由圖中信息可知，兩種布置方式下的整體檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯差異，但在以下方面略顯不同：① 傳感器距離底板300 mm高度時(shí)信號(hào)的上升時(shí)間略高于傳感器距離底板600 mm時(shí)信號(hào)的上升時(shí)間(如圖7中的S1區(qū))；②傳感器距離底板600 mm高度時(shí)的信號(hào)持續(xù)時(shí)間略高于傳感器距離底板300 mm高度時(shí)的信號(hào)持續(xù)時(shí)間。由此可見，傳感器位置較低時(shí)接收到的聲發(fā)射信號(hào)衰減程度高于傳感器位置較高時(shí)接收到的腐蝕信號(hào)。

圖7 距離底板不同高度處的持繼時(shí)間與上升時(shí)間關(guān)聯(lián)圖

4 結(jié)論

(1) 由斷鉛標(biāo)定及實(shí)際檢測(cè)結(jié)果可知，傳感器布置在距離底板300 mm和600mm高度時(shí)，檢測(cè)結(jié)果基本一致，均滿足實(shí)際工程檢測(cè)要求。

(2) 所采集信號(hào)的衰減程度與傳感器布置位置有關(guān)，傳感器布置位置較高時(shí)容易采集衰減程度低的信號(hào)，有利于遠(yuǎn)距離檢測(cè)；傳感器布置位置較低時(shí)更易采集衰減明顯的信號(hào)。

(3) 如具備開罐條件，可通過(guò)開罐檢測(cè)方法對(duì)聲發(fā)射源區(qū)的定位精度及腐蝕等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證。