聲發(fā)射技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐監(jiān)測中的應(yīng)用可行性探索

張銳,豐學(xué)工,張文慶,王艷杰

1.中國石油華北油田分公司技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)處 （河北 任丘 062552)

2.中國石油華北油田分公司第二采油廠生產(chǎn)運(yùn)行科 （河北 霸州 065700）

0 引言

隨著國家能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)的調(diào)整，液化天然氣（LNG）在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。LNG儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存LNG的重要裝置，安裝、使用過程中的任何不當(dāng)操作，都有可能導(dǎo)致超壓、變形、甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，造成嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失[4]。

LNG儲(chǔ)罐是由外殼和內(nèi)殼組成的雙層結(jié)構(gòu)，中間充填隔熱物質(zhì)，外殼的檢測可通過常規(guī)無損檢測方法進(jìn)行，但通常需要停產(chǎn)且成本高。內(nèi)殼完全封閉在隔熱層內(nèi)，使用常規(guī)的檢測手段無法進(jìn)行檢測，日常的維護(hù)手段主要是真空度檢測，對內(nèi)殼損傷檢測或者監(jiān)測目前仍處于空白。聲發(fā)射技術(shù)作為一種在役、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)方法，能夠有效監(jiān)測缺陷的產(chǎn)生及擴(kuò)展過程，有利于早期識(shí)別缺陷，并采取相應(yīng)的維護(hù)策略，避免事故的發(fā)生。

1 LNG儲(chǔ)罐損傷與失效模式

LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)長時(shí)間存儲(chǔ)過程中，受外部熱源的侵?jǐn)_，會(huì)發(fā)生物理揮發(fā)，導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高。LNG外殼處于壓應(yīng)力狀態(tài)，承受真空壓力，主要失效模式為應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的泄漏[5]。

LNG內(nèi)殼的結(jié)構(gòu)形式為不銹鋼外殼纏繞復(fù)合材料，內(nèi)殼在運(yùn)行過程中不斷地承受載荷和應(yīng)力循環(huán)作用，這些應(yīng)力引發(fā)缺陷的擴(kuò)展（如裂紋的擴(kuò)展）或結(jié)構(gòu)疲勞失效易導(dǎo)致泄漏[6]。其損傷類型包括以下幾種：①不銹鋼本體腐蝕，低溫應(yīng)力腐蝕；②內(nèi)殼焊縫焊接缺陷與殘余應(yīng)力在低溫作用下的低溫應(yīng)力開裂；③纏繞層復(fù)合材料的分層、脫黏、機(jī)體開裂，纖維斷裂。

2 聲發(fā)射技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐監(jiān)測中的理論可行性分析

2.1 聲發(fā)射的原理及優(yōu)勢分析

聲發(fā)射監(jiān)測的原理如圖1所示，當(dāng)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部的微裂紋在承載條件下發(fā)生泄漏時(shí)，會(huì)以應(yīng)力波（聲發(fā)射）的形式釋放能量，應(yīng)力波最終傳播到儲(chǔ)罐表面，引起表面位移。這些探測器將接收到的機(jī)械振動(dòng)（表面位移）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過信號(hào)采集處理系統(tǒng)，將電信號(hào)放大、處理和記錄。

圖1 聲發(fā)射檢測原理示意圖

與常規(guī)無損檢測技術(shù)相比，聲發(fā)射技術(shù)用于LNG儲(chǔ)罐監(jiān)測有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）聲發(fā)射檢測時(shí)不需要停產(chǎn)，能降低檢修成本。

2）聲發(fā)射能夠?qū)NG儲(chǔ)罐中早期的塑性變形或微觀破壞進(jìn)行監(jiān)測，起到預(yù)防事故的作用。

3）聲發(fā)射適用于檢測形狀復(fù)雜構(gòu)件，由于LNG的內(nèi)殼完全包覆在外殼中，常規(guī)的檢測方法無法對內(nèi)殼進(jìn)行檢測，而聲發(fā)射能夠通過與外殼連接的接管對內(nèi)殼進(jìn)行檢測。

2.2 聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測及判定

聲發(fā)射技術(shù)的關(guān)鍵是對聲發(fā)射信號(hào)的監(jiān)測、識(shí)別與判定，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的特征識(shí)別缺陷存在以及缺陷的活性和強(qiáng)度，再結(jié)合斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)，對其安全狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1）聲發(fā)射信號(hào)的監(jiān)測。LNG儲(chǔ)罐中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)包括損傷信號(hào)和失效信號(hào)。損傷的擴(kuò)展釋放過程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，其中包含了應(yīng)力波的機(jī)械能，表現(xiàn)為機(jī)械波。這種機(jī)械波可以激發(fā)聲發(fā)射傳感器產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。LNG的主要失效形式為泄漏，泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生流體介質(zhì)與金屬壁的沖擊與摩擦，該過程產(chǎn)生的波動(dòng)信號(hào)會(huì)被聲發(fā)射傳感器接收到。根據(jù)接收到的信號(hào)特征判斷是否存在泄漏，并根據(jù)不同傳感器響應(yīng)幅度的關(guān)系判斷泄漏源特性。

2）缺陷信號(hào)的識(shí)別與判定。聲發(fā)射監(jiān)測過程中由于機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾等會(huì)產(chǎn)生非缺陷信號(hào)，因此需要對采集到的信號(hào)進(jìn)行判定。對LNG儲(chǔ)罐的監(jiān)測，可通過2次加載過程的信號(hào)對比判斷是否來自于缺陷，其加載過程如圖2所示。由于二次加載載荷小于一次加載載荷，根據(jù)凱瑟爾效應(yīng)，完好構(gòu)件在二次加載時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，缺陷信號(hào)由于應(yīng)力集中以及裂紋尖端附近的材料力學(xué)特性弱于完好構(gòu)件，在外力加載過程中會(huì)出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射信號(hào)。

3 聲發(fā)射技術(shù)在儲(chǔ)罐監(jiān)測中的應(yīng)用

為進(jìn)一步驗(yàn)證聲發(fā)射技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐監(jiān)測中的應(yīng)用可行性，分別對新制的和在役的LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行了模擬和實(shí)際檢測。由于LNG儲(chǔ)罐主要的損傷失效信號(hào)為裂紋信號(hào)和泄漏信號(hào)，因此分別對這兩種信號(hào)的聲發(fā)射檢測過程進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，并選擇相同條件的兩臺(tái)LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)際檢測。

圖2 LNG聲發(fā)射檢測加載程序

3.1 新制LNG儲(chǔ)罐的模擬信號(hào)源檢測

1）裂紋信號(hào)模擬測試。裂紋信號(hào)屬于突發(fā)型信號(hào)，通過斷鉛的方式進(jìn)行模擬，對渤海裝備制造有限公司組裝完成的LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行測試，沿儲(chǔ)罐的軸向方向在不同的位置進(jìn)行斷鉛，產(chǎn)生應(yīng)力波，表征該處出現(xiàn)了微小的裂紋開裂，觀察傳感器是否可以有效接收到不同位置的開裂信號(hào)，以及接收信號(hào)幅度的程度，從而判斷檢測過程的有效性和可行性。

圖3為傳感器接收到的斷鉛模擬信號(hào)幅度圖，測試結(jié)果表明，模擬信號(hào)源發(fā)出突發(fā)型信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)絺鞲衅?，即使在最遠(yuǎn)端的封頭中部依然可以有效接收到近70 dB的信號(hào)，即聲發(fā)射傳感器可以有效檢測到LNG各個(gè)部位處的模擬信號(hào)，表明聲發(fā)射檢測裂紋信號(hào)的可行性。

圖3 斷鉛時(shí)傳感器接收到的信號(hào)幅度圖

2）泄漏信號(hào)模擬測試。泄漏信號(hào)屬于連續(xù)型信號(hào)，通過摩擦的方式進(jìn)行模擬。利用鉛芯在LNG儲(chǔ)罐表面進(jìn)行連續(xù)摩擦，模擬不同強(qiáng)度的連續(xù)信號(hào)，在不同的距離進(jìn)行連續(xù)激勵(lì)，表征該處出現(xiàn)了泄漏，觀察傳感器是否可以有效接收到不同位置的泄漏信號(hào)。圖4為傳感器接收到的摩擦模擬信號(hào)幅度圖，測試結(jié)果表明，模擬信號(hào)源發(fā)出的連續(xù)信號(hào)可以被傳感器有效接收到，表明聲發(fā)射對于檢測LNG儲(chǔ)罐泄漏信號(hào)具有可行性。

3.2 在役LNG儲(chǔ)罐的聲發(fā)射檢測

分別選擇對中國石油華港燃?xì)庥邢薰?#和2#兩臺(tái)參數(shù)完全一致的LNG儲(chǔ)罐進(jìn)行泄漏檢測，其中1#儲(chǔ)罐在使用過程中發(fā)生了泄漏。為便于對比驗(yàn)證，將傳感器布置在兩臺(tái)儲(chǔ)罐相同位置，檢測示意圖如圖5所示，其中1通道、2通道分別位于1#、2#儲(chǔ)罐液相進(jìn)出口所在封頭端部，3通道、4通道分別位于1#、2#儲(chǔ)罐尾端封頭抽真空接口下部。圖6、圖7分別表征了1#、2#LNG儲(chǔ)罐在相同位置接收到的聲發(fā)射信號(hào)。

圖4 摩擦?xí)r傳感器接收到的信號(hào)幅度圖

圖5 LNG儲(chǔ)罐現(xiàn)場泄漏檢測圖

圖6 1#LNG儲(chǔ)罐聲發(fā)射信號(hào)幅度圖

圖7 2#LNG儲(chǔ)罐聲發(fā)射信號(hào)幅度圖

分析結(jié)果顯示位于液相進(jìn)出口處1通道、3通道350 s內(nèi)接收到的撞擊數(shù)分別為978次和980次，在相同條件下由于液位的波動(dòng)產(chǎn)生相同特征的聲發(fā)射信號(hào)。位于尾端封頭抽真空接口處的2通道、4通道350 s內(nèi)接收到的撞擊數(shù)分別為991次和10次，據(jù)此判定2通道處，即1#儲(chǔ)罐真空測試口處可能產(chǎn)生泄漏，這與真空度測試的結(jié)果一致，證實(shí)了聲發(fā)射檢測在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

4 結(jié)論

通過對LNG儲(chǔ)罐的失效模式進(jìn)行分析，結(jié)合聲發(fā)射檢測的技術(shù)原理，對聲發(fā)射技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐監(jiān)測中的可行性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下主要結(jié)論。

1）理論分析表明，聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)NG內(nèi)外殼運(yùn)行過程中的微損傷信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測，為LNG儲(chǔ)罐的在線監(jiān)測提供了新的手段。

2）現(xiàn)場測試表明，采用聲發(fā)射技術(shù)可以有效監(jiān)測到LNG儲(chǔ)罐的裂紋或泄漏信號(hào)，因此可有效地應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐的監(jiān)測和評(píng)價(jià)。