磁記憶技術(shù)在儲罐罐壁應(yīng)力集中檢測中的應(yīng)用

徐中原

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院 南通 226011）

經(jīng)濟的高速發(fā)展，使我國能源需求飛速增長，儲罐在石油儲備中具有越來越重要的地位[1]。它一般具有大型化、集中放置、介質(zhì)易燃易爆、有毒等特點，一旦發(fā)生問題，將會給社會和國家經(jīng)濟造成重大的影響，因此，對儲罐的早期損傷檢測與評估，對保證儲罐安全使用及正常運行具有重大意義[2-3]。

傳統(tǒng)的儲罐全面檢驗方法主要為宏觀檢查、測厚、表面檢測、真空測漏、超聲或射線探傷、底板聲發(fā)射等，這種常規(guī)無損檢測方法一般只能檢測出宏觀缺陷或大部分微觀缺陷，但對早期損傷和應(yīng)力集中不能全面、準(zhǔn)確地預(yù)測和處理[1]。磁記憶檢測技術(shù)，可以相對準(zhǔn)確的檢測早期應(yīng)力集中、隱性微觀缺陷，預(yù)報可能產(chǎn)生破壞的區(qū)域，從而及時采取預(yù)防措施，避免突發(fā)性的事故發(fā)生，因此磁記憶檢測技術(shù)具有很大的應(yīng)用價值[4-5]。

1 磁記憶檢測技術(shù)應(yīng)用

磁記憶檢測的原理是鐵磁性材料的金屬構(gòu)件，在地磁場的環(huán)境中受到長期應(yīng)力載荷的作用，使鐵磁性材料的應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)部的磁疇取向結(jié)構(gòu)發(fā)生的畸變，形成漏磁場，根據(jù)對漏磁場的檢測結(jié)果可判斷出鐵磁性工件的損傷情況或應(yīng)力狀態(tài)[6-7]。為鐵磁性材料早期損傷的評估提供了新的研究思路。磁記憶技術(shù)與常規(guī)無損檢測方法相比，其具有無可比擬的優(yōu)勢，如圖1所示。

本文基于探討磁記憶技術(shù)在大型原油儲罐罐壁檢測中發(fā)現(xiàn)的典型應(yīng)力集中現(xiàn)象，對罐壁應(yīng)力集中和可能存在的早期損傷特性進行了研究和分析。

2 檢驗過程及結(jié)果

2.1 采用儀器

檢驗采用俄羅斯動力診斷公司的金屬磁記憶檢測專用儀器，型號為TSC-3M-12。該儀器配備新型雙分量傳感器，多個鐵磁探測式轉(zhuǎn)換器放置成雙分量，同時檢測磁場的法向分量(Hpy)和切向分量(Hpx)，找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位，探頭速度最大可達0.5m/s。

2.2 檢驗對象

為衡量儲罐日常使用過程中，罐壁是否存在應(yīng)力集中或者早期損傷現(xiàn)象，從而對儲罐進行磁記憶掃描檢測，對于檢測到的應(yīng)力異常集中區(qū)域進行擴大比例重點復(fù)驗檢測。被檢儲罐的基本資料見表1，由表1可以看出，該儲罐是原油儲罐，且從投入使用至今10年未曾開罐檢驗。

表1 儲罐參數(shù)

圖2為儲罐示意圖，該儲罐共九層，根據(jù)儲罐受力情況，本次檢驗的磁記憶應(yīng)力集中檢測部位為第一層壁板焊縫100%檢測，主要包括第一層拼板之間的縱焊縫以及第一層及第二層之間的環(huán)焊縫。

圖2 儲罐示意圖及參數(shù)

2.3 檢驗結(jié)果

實際檢測過程中，針對被檢儲罐的檢測部位，18臺儲罐均出現(xiàn)了相同的磁記憶信號突變現(xiàn)象：儲罐第一層罐壁所有28條縱向焊縫（垂直焊縫）在距離罐底550～650mm范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的信號突變現(xiàn)象。設(shè)備檢測門檻值dH值設(shè)置為10A/m，實際檢測中信號突變處的磁場強度達到接近100A/m，信號突變非常強，如圖3所示。

圖3 縱向焊縫信號突變處

針對檢測到的磁記憶信號突變區(qū)域進行擴大比例重點復(fù)驗檢測，檢測距底板同等距離的母材處(550～650mm)的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)相同的信號突變現(xiàn)象，如圖4所示。

2.4 信號突變區(qū)域的復(fù)驗

從磁記憶檢測結(jié)果可以看出，由于信號突變區(qū)域集中出現(xiàn)在儲罐第一層壁板距底板(550～650mm)母材及縱焊縫處，呈整圈出現(xiàn)，且強度較高。這說明儲罐在這一區(qū)域可能出現(xiàn)了宏觀缺陷或者存在應(yīng)力集中早期損傷現(xiàn)象，針對這種情況，選擇相關(guān)無損檢測方法進行表面和內(nèi)部缺陷復(fù)驗檢測：

圖4 母材信號突變處

1）磁粉檢驗復(fù)驗：對信號突變部位進行磁粉復(fù)驗，檢驗結(jié)果同樣未發(fā)現(xiàn)缺陷。排除了表面缺陷。

2）超聲波測厚復(fù)驗：針對信號突變區(qū)域重點進行了超聲波多點測厚，測厚結(jié)果與其他信號正常區(qū)域進行了對比，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕減薄現(xiàn)象。部分測厚數(shù)據(jù)見表2。

表2 信號突變處測厚數(shù)據(jù)

3）超聲波復(fù)驗：對信號突變部位進行超聲波復(fù)驗，檢驗結(jié)果顯示未發(fā)現(xiàn)缺陷。排除了埋藏的宏觀缺陷。

3 應(yīng)力集中成因分析

通過對信號突變區(qū)域復(fù)驗，可以排除宏觀及微觀缺陷的存在。因此判定是由于應(yīng)力集中引起的信號突變，對缺陷的分布位置分析可以看出，應(yīng)力集中主要位于儲罐第一層壁板距底板一定距離的母材及縱焊縫處，且呈整圈出現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 壁板展開及掃描示意圖

3.1 罐壁受力狀態(tài)分析

通過有限元計算，儲罐罐壁的應(yīng)力分布并不是沿液位高度方向逐漸減小的線性過程（見圖6），實際情況下在距離罐底一定高度的罐壁其應(yīng)力會有一個快速增加的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致應(yīng)力梯度出現(xiàn)了明顯的增加，因此就會造成在距離底板(550～650mm)的母材及縱焊縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 罐壁應(yīng)力狀態(tài)有限元計算結(jié)果

3.2 儲存介質(zhì)特性分析

儲罐介質(zhì)為原油，經(jīng)調(diào)研，儲罐底部油污沉積均在450～600mm左右，沉積物含有硫化氫、氯化物等電解質(zhì)雜質(zhì)，并夾雜著大量水分，在罐底形成含沉積水的油污層。而應(yīng)力集中區(qū)域正好位于油污層的分界處。在固液分界面會造成電位差的差異會加劇腐蝕，從而引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。如圖7所示。

圖7 油污中影響應(yīng)力集中的元素

1）Cl-影響：儲罐底部沉積物中氯化物溶解到水中形成陰離子Cl-，在固液交界面，導(dǎo)致罐壁在腐蝕過程中的鈍化膜的損壞，以及修復(fù)動平衡狀態(tài)的能力受到破壞，溶解占優(yōu)勢，形成微電偶腐蝕電池，繼而形成應(yīng)集聚區(qū)域[8]。

2）氧濃差影響：儲罐底部存在大量的污泥、腐蝕產(chǎn)物等，這些污垢與油液形成固液分界面，而固液分界面存在氧濃度的差異，形成氧濃度差電池，造成油污和腐蝕產(chǎn)物下垢下腐蝕，形成應(yīng)力集中區(qū)域[8]。

3）硫酸鹽還原菌的影響：原油儲罐沉積物中存在多種細菌，腐蝕最為嚴(yán)重的是由硫酸鹽還原菌，它能在缺少氧氣條件下還原硫酸鹽生成硫化氫的細菌，能使罐壁腐蝕電極陰極去極化，加速固液分界面的金屬腐蝕形成應(yīng)力集中[8]。

4）硫離子的影響：在含水和硫化物的底部沉淀物環(huán)境中，硫離子S2-能催化陽極反應(yīng)，使溶液中的亞鐵離子濃度降低，使腐蝕電流顯著增加，在原油罐底固液分界面形成濕硫化氫腐蝕。結(jié)合罐壁表面的應(yīng)力分布的特點，在罐壁的特定部位形成應(yīng)力腐蝕條件，最終導(dǎo)致固液分界面應(yīng)力腐蝕[8]。

4 后續(xù)處理

針對罐壁出現(xiàn)特定區(qū)域整圈應(yīng)力集中現(xiàn)象，且處于較強的腐蝕環(huán)境中，它會引起罐壁應(yīng)力腐蝕的早期損傷，應(yīng)加以重視。在后續(xù)的檢驗和日常維護管理中，這些部位應(yīng)該是重點關(guān)注的區(qū)域，其安全風(fēng)險相對于罐體其他部分也應(yīng)該更高。對應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)采取如下措施：

1）應(yīng)力監(jiān)測：在日常維護管理中，對應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)定期進行應(yīng)力監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)應(yīng)力急劇增加現(xiàn)象，可能出現(xiàn)了宏觀缺陷，應(yīng)及時采取措施，防止事故。

2）涂層防護法：針對原油儲罐油污沉淀層的腐蝕特性，在開罐時應(yīng)重點有針對性的做好應(yīng)力集中區(qū)域的涂層內(nèi)部防護 。

3）犧牲陽極保護法：應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境及介質(zhì)特點，合理選用犧牲陽極的材料。

4）定期檢驗及日常維護：在后續(xù)的日常維護管理中，這些部位應(yīng)該是重點關(guān)注的區(qū)域，其安全風(fēng)險相對于罐體其他部分也應(yīng)該更高，應(yīng)定期檢驗。