石化行業(yè)大量應用地面立式金屬儲罐盛載各種化工原料和產品。金屬儲罐常年在自然環(huán)境下工作,經受不同內含物的侵蝕,不可避免地受到不同程度的腐蝕。儲罐的維護與檢測對企業(yè)的安全生產非常重要。目前,我國地面立式儲罐底板檢測的常用手段是定期離線無損檢測,這種檢測方式存在成本高、檢測時間長等不足。為此,工業(yè)界通過應用新技術來提高儲罐運行管理的效率并節(jié)約維護成本,聲發(fā)射(acousticemission,ae)技術[1] 就是其中之一。
聲發(fā)射技術應用于常壓金屬儲罐底板腐蝕檢測的研究始于20 世紀80 年代[2],由于其在線、動態(tài)、快速的特點,受到石化行業(yè)的青睞。現對罐底聲發(fā)射在線檢測技術應用中的重要影響因素進行探討,并結合40座大型儲罐的檢測實踐,提出一種新的罐底腐蝕數據采集方法。同時,基于國內外研究成果,分析該技術在儲罐底板檢測評價中的可靠性問題,為石化行業(yè)科學地應用該技術提供借鑒。
1 罐底板聲發(fā)射檢測原理與步驟
1.1 檢測原理
儲罐經受載荷變化、由罐底板腐蝕減薄區(qū)變形而引起的腐蝕層脫落與開裂以及罐內介質泄漏產生的湍流聲等都會產生聲發(fā)射。通過以一定陣列布置在儲罐外壁上的換能器(傳感器)接收來自罐底板“聲源”的信號,應用專門的軟硬件對這些信息進行數據采集與分析處理,即可判斷罐底板的腐蝕情況,并對儲罐是否存在泄漏做出判斷。
圖 1 罐底聲發(fā)射在線檢測原理示意圖
1.2 檢測步驟
罐底板聲發(fā)射檢測通常包括4 個步驟[3-4]:①充液至設計液位的50%~80%,關閉油罐所有進出管閥門和其他干擾裝置,保持液位穩(wěn)定3~6 h;②在儲罐外壁距底板0.2~0.5 m 處,安裝一定數量的傳感器,并對傳感器進行標定;③監(jiān)測2 h,在檢測過程中實時記錄檢測數據;④檢測結束后,對存儲的數據進行后處理和分析,并出具檢測報告。
2 主要影響因素
在罐底板腐蝕聲發(fā)射在線檢測過程中,聲發(fā)射源產生的聲信號以彈性波的形式向四周傳播,由于擴散損失使聲波衰減,頻率越高衰減越嚴重,同時聲發(fā)射波碰到界面時會被反射,并產生波形變換,因此,到達傳感器的聲發(fā)射波實際上是經過多次反射后與不同模態(tài)的波疊加形成的復雜波形。外界干擾會對檢測過程產生重要影響。因此,應對重要干擾因素進行分析,并制訂解決措施。
2.1 供電系統(tǒng)
在實際檢測過程中,儀器的供電系統(tǒng)必須接地良好,否則將因基準參照電位的缺失,引起聲發(fā)射信號波形出現異常。由沒有接地時的信號波形(圖2)可知,這種波形的典型特征為波形幅值變化劇烈,信號的數量多,波形變化無規(guī)律。
圖 2 聲發(fā)射檢測儀器未接地時的波形
2.2 太陽照射
儲罐在太陽的直接照射下將產生大量熱噪聲信號,對于帶保溫層的儲罐,這種影響尤為突出。儲罐的保溫鐵皮在太陽的照射下會發(fā)出聲響,產生上升時間和持續(xù)時間短的高幅值信號(圖3),類似于機械撞擊產生的信號。避免太陽照射影響的方式是在夜間進行檢測。
圖 3 太陽照射下儲罐保溫層對聲發(fā)射檢測的影響
2.3 罐頂滴液
對于存儲易揮發(fā)介質的拱頂儲罐,由于晝夜溫差的變化,在一定條件下,介質會在罐頂形成液滴,液滴墜落到介質液面時將對聲源產生干擾。這種情況下各通道接收到的聲發(fā)射信號急劇增加,且定位事件多集中在儲罐中心區(qū)域(圖4)。對于罐頂滴液的影響,建議采用護衛(wèi)傳感器減緩干擾[5]。
圖 4 罐頂滴液影響下的罐底聲發(fā)射檢測定位圖
2.4 加熱盤管
原油儲罐往往設有加熱盤管。蒸汽或熱水在加熱盤管中流動會產生額外的噪聲干擾,為此,進行聲發(fā)射檢測前必須關閉加熱盤管。
2.5 傳感器磁座
磁座是固定聲發(fā)射傳感器的常用裝置,檢測過程中,磁座內部緩沖墊片的厚度和磁鐵的松動(特別是用膠水固定磁鐵的磁座)均將對聲發(fā)射信號的采集產生影響。為了避免此類干擾,方法是更換磁座。
2.6 雨雪天氣
檢測過程中如遇雨雪天氣,聲發(fā)射信號和定位事件數量將急劇增加(圖5)。因此,不能在雨雪天氣進行聲發(fā)射檢測。
圖 5 雨雪天氣對聲發(fā)射檢測的影響
3 腐蝕數據的采集方法
基于大型立式儲罐聲發(fā)射檢測的研究成果和對40 座大型儲罐的檢測經驗,提出了將短期監(jiān)測(10 h以上)與多次檢測(連續(xù)2~4 次)相結合進行罐底板檢測的數據采集方式。這種方式避免了偶然因素對檢測結果的影響,更容易捕捉腐蝕過程中的規(guī)律性現象,提高數據采集的可靠性。
對某儲罐底板進行15 h 監(jiān)測,信號采集開始約4×104 s 之后,信號量逐漸增多(圖6),這與環(huán)境中的噪聲有關;在夜間采集的11 h 內,信號數量變化平穩(wěn),干擾相對較少。對同一儲罐連續(xù)監(jiān)測46 h,其聲發(fā)射信號撞擊與時間的統(tǒng)計圖上存在兩個明顯的低谷區(qū)(圖7),均對應夜間的時間段。
圖 6 對某儲罐底板監(jiān)測15 h 撞擊與時間統(tǒng)計圖
圖 7 對某儲罐底板監(jiān)測46 h 撞擊與時間統(tǒng)計圖
可見,連續(xù)監(jiān)測能夠全面捕獲儲罐的腐蝕狀態(tài)信息,避免偶然因素的影響;多次檢測可以實現檢測數據的擇優(yōu)選用。這兩種方法提高了數據采集的可靠性,為后續(xù)的數據處理提供了保障。
4 評價的可靠性
利用聲發(fā)射技術對罐底板進行腐蝕評價,主要依據罐底板的聲源級別進行定性評價[6],并非可靠。
將ae 評價結果分為5 個等級[7]:為腐蝕微量,不需要維護;b 級為腐蝕少,不需要維護;c 級為腐蝕中等,需要一定量維護;d 級為腐蝕活躍,在維護計劃中給予優(yōu)先考慮;e 級為腐蝕非?;钴S,在維護計劃中給予高度優(yōu)先考慮。將實際采取的維修分為4 個等級:fu1 為沒有損壞,不需要維護;fu2 為少量損壞,不需要維護;fu3 為損壞,需要一定量維護;fu4 為嚴重損壞,需要大修或更換罐底板。以下通過3 個案例說明應用聲發(fā)射技術進行罐底板腐蝕評價的可靠性。
4.1 美國pac 公司的檢測結果[2]
美國pac 公司采用聲發(fā)射技術對157 座儲罐進行腐蝕檢測,并將檢測結果與開罐檢測結果進行對比(圖8)。
圖 8 美國pac 公司對儲罐腐蝕行為的聲發(fā)射檢測結果
4.2 法國石油協(xié)會的檢測結果[2]
法國石油協(xié)會采用聲發(fā)射技術對690 座儲罐的腐蝕行為進行檢測,并對其中78 座儲罐進行開罐檢測(圖9),以驗證聲發(fā)射檢測結果。
圖 9 法國石油協(xié)會對儲罐腐蝕行為的聲發(fā)射檢測結果
4.3 中國石油管道公司的檢測結果
中國石油管道公司采用聲發(fā)射技術對40 座儲罐(7 座為新建儲罐,33 座為運行6~7 a 的儲罐)的腐蝕情況進行檢測,評價結果:罐10 座,b 級罐21 座,c 級罐9 座,未發(fā)現d 級與e 級罐。對33 座非新建儲罐中的22 座儲罐除采用聲發(fā)射技術進行檢測外,還實施了開罐常規(guī)無損檢測。聲發(fā)射檢測評價結果:1 座,b 級12 座,c 級9 座。開罐檢測結果:21 座罐底板狀態(tài)良好,可繼續(xù)使用;1 座b 級儲罐的罐底板局部腐蝕嚴重;9 座c 級儲罐中的6 座儲罐底板涂層存在破損,其余3 座儲罐的加熱盤管涂層存在問題。
綜上可見,聲發(fā)射技術在評價實際腐蝕較輕(、b 級)和較嚴重(d 級、e 級)兩種狀態(tài)的儲罐時,結果較精確;對處于中等腐蝕狀態(tài)的儲罐,評價的可靠性相對較低;聲發(fā)射檢測的重要作用是對儲罐的開罐檢測進行優(yōu)先級排序,使得腐蝕嚴重的儲罐得到及時檢測,同時避免對腐蝕不嚴重的儲罐進行開罐大修,節(jié)約大量的維修成本[7-8]。
參考文獻:
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作者簡介:康葉偉,工程師,1977 年生,2007 年博士畢業(yè)于南開大學計算機應用技術專業(yè),現主要從事智能機器人和大型儲罐在線檢測技術研究。