原油儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射在線檢測(cè)及驗(yàn)證

張庶鑫，孫冰冰，羅小武，周會(huì)萍，翁 祥，朱永斌, 羅金恒

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2. 中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司 新疆 烏魯木齊 830013；3.新疆油田公司油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

儲(chǔ)罐作為重要的原油轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存、調(diào)峰設(shè)備，在油田站場(chǎng)有著廣泛應(yīng)用。由于原油可能含硫含水含氧，具有一定腐蝕性，儲(chǔ)罐底板易發(fā)生腐蝕穿孔，威脅設(shè)備的完整性。儲(chǔ)罐底板一旦腐蝕泄漏，會(huì)造成環(huán)境污染，甚至油氣揮發(fā)遇明火引發(fā)爆炸造成人員傷亡[1]，因而國(guó)內(nèi)外均通過(guò)法律或標(biāo)準(zhǔn)要求儲(chǔ)罐運(yùn)行管理單位定期進(jìn)行檢測(cè)以保證其完整性[2-4]。目前常采用開罐的方式進(jìn)行檢修，主要檢測(cè)方法有底板漏磁、超聲測(cè)厚、磁粉探傷、焊縫真空檢測(cè)等。開罐檢測(cè)需要停產(chǎn)、倒罐、清罐、置換，不僅影響正常生產(chǎn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還存在污染環(huán)境的可能性[5]。因此，開發(fā)在線檢測(cè)技術(shù)意義重大。

原油儲(chǔ)罐底板的在線檢測(cè)技術(shù)主要有聲發(fā)射、機(jī)器人漏磁、底板導(dǎo)波檢測(cè)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)發(fā)展歷史悠久，最早在航空領(lǐng)域、承壓儲(chǔ)罐上應(yīng)用，得到很好的效果。20世紀(jì)90年代，美國(guó)PAC聲學(xué)公司應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)了大量?jī)?chǔ)罐后，形成了罐底腐蝕監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng)。Jeong-Rock Kwon等人采用聲發(fā)射、射線技術(shù)對(duì)甲苯儲(chǔ)罐的壁板焊縫進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)比兩種檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)與焊縫缺陷具有一定的相關(guān)性[6]。90年代初，我國(guó)聲發(fā)射研究開始起步，中國(guó)特檢院在國(guó)內(nèi)煉化企業(yè)、國(guó)家儲(chǔ)備庫(kù)進(jìn)行了大量?jī)?chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)，形成了儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，并制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。然而，煉化和國(guó)儲(chǔ)儲(chǔ)罐通常油品介質(zhì)較好，不含油泥，標(biāo)準(zhǔn)在原油儲(chǔ)罐上適用性待進(jìn)一步研究。因此本次選擇服役34 a的2萬(wàn)方原油儲(chǔ)罐作為研究對(duì)象，首先進(jìn)行在線聲發(fā)射檢測(cè)，在清罐后，進(jìn)行漏磁檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比二者結(jié)果，驗(yàn)證聲發(fā)射檢測(cè)在含油泥原油儲(chǔ)罐上的適用性。

1 檢驗(yàn)過(guò)程

本研究選擇2萬(wàn)方浮頂型儲(chǔ)罐作為研究對(duì)象，整體外觀如圖1所示。

圖1 待檢儲(chǔ)罐整體概況

該罐于1985 年8月投用， 2013年清罐檢測(cè)一次，根據(jù)運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，油泥約厚1 m，儲(chǔ)罐底板共計(jì)180塊，其中中幅板160塊，邊緣板20塊，原板設(shè)計(jì)厚度6 mm。

1.1 檢測(cè)設(shè)備

采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)開發(fā)的PAC MicroSAMOS聲發(fā)射檢測(cè)儀進(jìn)行聲發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，該設(shè)備具有32個(gè)聲發(fā)射(AE)輸入通道，輸入阻抗為50 Ω，每個(gè)通道的頻率響應(yīng)：1～400 kHz，采用傳感器型號(hào)為DP3I，頻率范圍1～50 kHz，前置放大器型號(hào)為1224D。

清罐后，采用英國(guó)Silver Wing公司生產(chǎn)的Floormap VS和Floormap VS2i漏磁掃描儀進(jìn)行儲(chǔ)罐底板檢測(cè)。檢測(cè)參數(shù)為:有效掃描寬度為250 mm，最大有效檢測(cè)厚度為12.5 mm，掃描速度為0.5 m/s。

1.2 檢測(cè)流程

參考標(biāo)準(zhǔn)QSY GD 0211—2011《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射在線檢測(cè)及評(píng)價(jià)》、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》進(jìn)行儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)。共安裝12個(gè)傳感器，等間距布置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的油泥深度數(shù)據(jù)，在稍高于油泥深度的罐壁上布設(shè)傳感器。將儲(chǔ)罐充液至其最高操作液位的85%；關(guān)閉可能產(chǎn)生干擾信號(hào)的儲(chǔ)罐附屬設(shè)備，包括加熱盤管進(jìn)出管、攪拌器等；達(dá)到要求后，保持液位靜置穩(wěn)定12 h。

檢測(cè)前，進(jìn)行靈敏度測(cè)試。將前置放大器設(shè)為40 dB，門檻值設(shè)為80 dB。每個(gè)通道進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)5次，通過(guò)調(diào)整增益，使每個(gè)傳感器靈敏度達(dá)到90 dB。

檢測(cè)共進(jìn)行兩次，主要采集的信號(hào)有上升時(shí)間、計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間、幅值、峰值頻率等，對(duì)比采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)，選擇受外界干擾影響較小的檢測(cè)數(shù)據(jù)用于分析及評(píng)級(jí)。

2 聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QSY GD 0211—2011，對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)儲(chǔ)罐底板腐蝕程度進(jìn)行評(píng)級(jí)，步驟如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)12個(gè)通道采集到的撞擊，如圖3所示。采用濾波，時(shí)差定位得到罐底板的事件統(tǒng)計(jì)圖，如圖4所示。由圖4可以看出，儲(chǔ)罐底板事件定位較疏，因而判定，泄漏可能性等級(jí)為II級(jí)，即某一區(qū)域間斷出現(xiàn)較疏定位群，認(rèn)為罐底不存在泄漏跡象；在儲(chǔ)罐罐底6#傳感器、7#傳感器附近的區(qū)域事件數(shù)較密集，推斷該處存在腐蝕。

圖3 不同通道接收的撞擊統(tǒng)計(jì)圖

圖4 罐底板的事件統(tǒng)計(jì)圖(紅色數(shù)字代表傳感器安裝位置)

提取聲發(fā)射檢測(cè)的撞擊、能量、事件，統(tǒng)計(jì)見表1，得到單位時(shí)間事件數(shù)為1 104個(gè)/h，事件平均能量為1 215能量計(jì)數(shù)/事件， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)被檢儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)、尺寸、介質(zhì)、所處環(huán)境以及設(shè)備設(shè)置參數(shù)等因素，結(jié)合聲源活度級(jí)別劃分方法，得到儲(chǔ)罐罐底板聲發(fā)射事件的活度為V級(jí)。

由罐底板泄漏可能性級(jí)別和聲源活度可得，儲(chǔ)罐罐底板腐蝕程度評(píng)價(jià)級(jí)別為D級(jí)，建議盡快制定檢修計(jì)劃或監(jiān)控使用(≤1 a)。

表1 聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果

3 開罐漏磁檢測(cè)結(jié)果

清罐后，漏磁檢測(cè)顯示底板上表面存在單點(diǎn)腐蝕86處，測(cè)量腐蝕深度在1.6～6.0 mm之間，其中2處穿孔，如圖5所示。圖中，星號(hào)代表該中幅板含有腐蝕缺陷，中幅板148#、112#腐蝕量分別達(dá)到95%、90%，中幅板141#存在穿孔兩處，如圖6所示。中幅板122#、111#、108#、86#和邊緣板7#壁厚腐蝕量在80%～90%之間。

圖5 罐底板漏磁檢測(cè)結(jié)果

圖6 中幅板141#穿孔2處

4 結(jié)果對(duì)比與討論

聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果顯示，罐底板泄漏可能性級(jí)別為II級(jí)，泄漏可能性較低，聲源活度為V級(jí)，由此得到腐蝕程度評(píng)價(jià)級(jí)別為D級(jí)，表明儲(chǔ)罐底板存在嚴(yán)重腐蝕，建議盡快制定檢修計(jì)劃或監(jiān)控使用(≤1 a)。經(jīng)開罐后，發(fā)現(xiàn)油泥約1 m深。漏磁結(jié)果顯示，儲(chǔ)罐底板上表面腐蝕量在26%～100%，其中存在兩處穿孔。由于儲(chǔ)罐底板覆蓋厚厚的油泥，并未發(fā)生泄漏。由此可見，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)基本上能定性的反映儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況，與實(shí)際相比，檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果較為保守。

目前的標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用范圍是液體儲(chǔ)罐，主要是基于成品油、水罐、煉化廠儲(chǔ)罐的研究形成的，此類儲(chǔ)罐不含油泥[7]。原油儲(chǔ)罐里的介質(zhì)中一般含有無(wú)機(jī)物及瀝青質(zhì)、石蠟等重油性組份，在重力作用下自然沉降，積累在罐底，形成膠狀油泥，其會(huì)掩蓋腐蝕信號(hào)[8-9]。因此，針對(duì)含油泥原油儲(chǔ)罐的聲發(fā)射評(píng)級(jí)結(jié)果應(yīng)修正。

為了進(jìn)一步研究聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)腐蝕缺陷的定位能力，將傳感器接收到的撞擊統(tǒng)計(jì)結(jié)果、事件定位結(jié)果與漏磁結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖3為聲發(fā)射傳感器接收到的撞擊統(tǒng)計(jì)圖，其中1#傳感器接收到的撞擊最多，相鄰區(qū)域的12#、11#傳感器接收信號(hào)較多；6#、8#區(qū)域傳感器接收到的撞擊較多。1#傳感器覆蓋區(qū)域有進(jìn)出油管線和排水管線，推斷該處存在擾動(dòng)，造成聲發(fā)射信號(hào)升高。儲(chǔ)罐實(shí)際為3#～9#傳感器覆蓋區(qū)域腐蝕較嚴(yán)重，因此，可知傳感器收到的撞擊統(tǒng)計(jì)與實(shí)際覆蓋區(qū)域的腐蝕程度相關(guān)度低。

圖4為底板的事件定位統(tǒng)計(jì)圖，3#～9#傳感器一側(cè)的事件定位明顯較另一側(cè)多，與漏磁結(jié)果一致，可見，罐底板的事件定位統(tǒng)計(jì)圖與腐蝕程度相關(guān)程度較高。

撞擊是指超過(guò)門檻并引起一個(gè)系統(tǒng)通道采集數(shù)據(jù)的任何信號(hào)，反映聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度，用于聲源活度評(píng)價(jià)。而事件數(shù)為產(chǎn)生聲發(fā)射的一次材料局部變化稱之為一個(gè)聲發(fā)射事件，一個(gè)或幾個(gè)撞擊對(duì)應(yīng)一個(gè)事件，事件數(shù)與腐蝕程度相關(guān)程度較高。在檢測(cè)過(guò)程中，風(fēng)、振動(dòng)、人員走動(dòng)、保溫鐵皮膨脹、罐頂液滴都會(huì)產(chǎn)生干擾撞擊信號(hào)，被傳感器接收。事件是通過(guò)多個(gè)撞擊信號(hào)通過(guò)三角定位得到[10]，會(huì)過(guò)濾一部分干擾信號(hào)，因此，撞擊統(tǒng)計(jì)與實(shí)際腐蝕相關(guān)度低，而事件定位與實(shí)際腐蝕相關(guān)度相對(duì)較高。

5 結(jié) 論

1)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種有效的在線檢測(cè)技術(shù)，能定性的反映原油儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況，與實(shí)際相比，檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果較為保守。

2)應(yīng)針對(duì)含油泥原油儲(chǔ)罐的聲發(fā)射評(píng)級(jí)結(jié)果進(jìn)行修正。

3)聲發(fā)射傳感器接收到的撞擊統(tǒng)計(jì)與實(shí)際覆蓋區(qū)域的腐蝕程度相關(guān)度低，事件定位結(jié)果與實(shí)際腐蝕程度相關(guān)度較高。