罐底板声发射在线检测影响因素与评价可靠性
发布日期：2017-01-05 11:23 浏览次数：次
石化行业大量应用地面立式金属储罐盛载各种化工原料和产品。金属储罐常年在自然环境下工作，经受不同内含物的侵蚀，不可避免地受到不同程度的腐蚀。储罐的维护与检测对企业的安全生产非常重要。目前，我国地面立式储罐底板检测的常用手段是定期离线无损检测，这种检测方式存在成本高、检测时间长等不足。为此，工业界通过应用新技术来提高储罐运行管理的效率并节约维护成本，声发射（acousticemission，AE）技术[1] 就是其中之一。
声发射技术应用于常压金属储罐底板腐蚀检测的研究始于20 世纪80 年代[2]，由于其在线、动态、快速的特点，受到石化行业的青睐。现对罐底声发射在线检测技术应用中的重要影响因素进行探讨，并结合40座大型储罐的检测实践，提出一种新的罐底腐蚀数据采集方法。同时，基于国内外研究成果，分析该技术在储罐底板检测评价中的可靠性问题，为石化行业科学地应用该技术提供借鉴。
1 罐底板声发射检测原理与步骤
1.1 检测原理
储罐经受载荷变化、由罐底板腐蚀减薄区变形而引起的腐蚀层脱落与开裂以及罐内介质泄漏产生的湍流声等都会产生声发射。通过以一定阵列布置在储罐外壁上的换能器（传感器）接收来自罐底板“声源”的信号，应用专门的软硬件对这些信息进行数据采集与分析处理，即可判断罐底板的腐蚀情况，并对储罐是否存在泄漏做出判断。
图 1 罐底声发射在线检测原理示意图
1.2 检测步骤
罐底板声发射检测通常包括4 个步骤[3-4]：①充液至最高设计液位的50％～80％，关闭油罐所有进出管阀门和其他干扰装置，保持液位稳定3～6 h；②在储罐外壁距底板0.2～0.5 m 处，安装一定数量的传感器，并对传感器进行标定；③监测2 h，在检测过程中实时记录检测数据；④检测结束后，对存储的数据进行后处理和分析，并出具检测报告。
2 主要影响因素
在罐底板腐蚀声发射在线检测过程中，声发射源产生的声信号以弹性波的形式向四周传播，由于扩散损失使声波衰减，频率越高衰减越严重，同时声发射波碰到界面时会被反射，并产生波形变换，因此，到达传感器的声发射波实际上是经过多次反射后与不同模态的波叠加形成的复杂波形。外界干扰会对检测过程产生重要影响。因此，应对重要干扰因素进行分析，并制订解决措施。
2.1 供电系统
在实际检测过程中，仪器的供电系统必须接地良好，否则将因基准参照电位的缺失，引起声发射信号波形出现异常。由没有接地时的信号波形（图2）可知，这种波形的典型特征为波形幅值变化剧烈，信号的数量多，波形变化无规律。
图 2 声发射检测仪器未接地时的波形
2.2 太阳照射
储罐在太阳的直接照射下将产生大量热噪声信号，对于带保温层的储罐，这种影响尤为突出。储罐的保温铁皮在太阳的照射下会发出声响，产生上升时间和持续时间短的高幅值信号（图3），类似于机械撞击产生的信号。避免太阳照射影响的最好方式是在夜间进行检测。
图 3 太阳照射下储罐保温层对声发射检测的影响
2.3 罐顶滴液
对于存储易挥发介质的拱顶储罐，由于昼夜温差的变化，在一定条件下，介质会在罐顶形成液滴，液滴坠落到介质液面时将对声源产生干扰。这种情况下各通道接收到的声发射信号急剧增加，且定位事件多集中在储罐中心区域（图4）。对于罐顶滴液的影响，建议采用护卫传感器减缓干扰[5]。
图 4 罐顶滴液影响下的罐底声发射检测定位图
2.4 加热盘管
原油储罐往往设有加热盘管。蒸汽或热水在加热盘管中流动会产生额外的噪声干扰，为此，进行声发射检测前必须关闭加热盘管。
2.5 传感器磁座
磁座是固定声发射传感器的常用装置，检测过程中，磁座内部缓冲垫片的厚度和磁铁的松动（特别是用胶水固定磁铁的磁座）均将对声发射信号的采集产生影响。为了避免此类干扰，最好的方法是更换磁座。
2.6 雨雪天气
检测过程中如遇雨雪天气，声发射信号和定位事件数量将急剧增加（图5）。因此，不能在雨雪天气进行声发射检测。
图 5 雨雪天气对声发射检测的影响
3 腐蚀数据的采集方法
基于大型立式储罐声发射检测的研究成果和对40 座大型储罐的检测经验，提出了将短期监测（10 h以上）与多次检测（连续2～4 次）相结合进行罐底板检测的数据采集方式。这种方式避免了偶然因素对检测结果的影响，更容易捕捉腐蚀过程中的规律性现象，提高数据采集的可靠性。
对某储罐底板进行15 h 监测，信号采集开始约4×104 s 之后，信号量逐渐增多（图6），这与环境中的噪声有关；在夜间采集的11 h 内，信号数量变化平稳，干扰相对较少。对同一储罐连续监测46 h，其声发射信号撞击与时间的统计图上存在两个明显的低谷区（图7），均对应夜间的时间段。
图 6 对某储罐底板监测15 h 撞击与时间统计图
图 7 对某储罐底板监测46 h 撞击与时间统计图
可见，连续监测能够全面捕获储罐的腐蚀状态信息，避免偶然因素的影响；多次检测可以实现检测数据的择优选用。这两种方法提高了数据采集的可靠性，为后续的数据处理提供了保障。
4 评价的可靠性
利用声发射技术对罐底板进行腐蚀评价，主要依据罐底板的声源级别进行定性评价[6]，并非完全可靠。
将AE 评价结果分为5 个等级[7]：A 级为腐蚀微量，不需要维护；B 级为腐蚀少，不需要维护；C 级为腐蚀中等，需要一定量维护；D 级为腐蚀活跃，在维护计划中给予优先考虑；E 级为腐蚀非常活跃，在维护计划中给予高度优先考虑。将实际采取的维修分为4 个等级：FU1 为没有损坏，不需要维护；FU2 为少量损坏，不需要维护；FU3 为损坏，需要一定量维护；FU4 为严重损坏，需要大修或更换罐底板。以下通过3 个案例说明应用声发射技术进行罐底板腐蚀评价的可靠性。
4.1 美国PAC 公司的检测结果[2]
美国PAC 公司采用声发射技术对157 座储罐进行腐蚀检测，并将检测结果与开罐检测结果进行对比（图8）。
图 8 美国PAC 公司对储罐腐蚀行为的声发射检测结果
4.2 法国石油协会的检测结果[2]
法国石油协会采用声发射技术对690 座储罐的腐蚀行为进行检测，并对其中78 座储罐进行开罐检测（图9），以验证声发射检测结果。
图 9 法国石油协会对储罐腐蚀行为的声发射检测结果
4.3 中国石油管道公司的检测结果
中国石油管道公司采用声发射技术对40 座储罐（7 座为新建储罐，33 座为运行6～7 a 的储罐）的腐蚀情况进行检测，评价结果：A 级罐10 座，B 级罐21 座，C 级罐9 座，未发现D 级与E 级罐。对33 座非新建储罐中的22 座储罐除采用声发射技术进行检测外，还实施了开罐常规无损检测。声发射检测评价结果：A级1 座，B 级12 座，C 级9 座。开罐检测结果：21 座罐底板状态良好，可继续使用；1 座B 级储罐的罐底板局部腐蚀严重；9 座C 级储罐中的6 座储罐底板涂层存在破损，其余3 座储罐的加热盘管涂层存在问题。
综上可见，声发射技术在评价实际腐蚀较轻（A级、B 级）和较严重（D 级、E 级）两种状态的储罐时，结果较精确；对处于中等腐蚀状态的储罐，评价的可靠性相对较低；声发射检测的重要作用是对储罐的开罐检测进行优先级排序，使得腐蚀严重的储罐得到及时检测，同时避免对腐蚀不严重的储罐进行开罐大修，节约大量的维修成本[7-8]。
参考文献：
［1］Grosse Christian U，Ohtsu Masayasu. Acoustic emission testing [M]. Berlin Heidelberg：Springer-Verlag，2008.
［2］Cole P T，Gautrey S N. Development history of the Tankpac AE tank fl oor corrosion test[J]. NDT net， 2002，7（9）：1-12.
［3］丛蕊，戴光，张颖，等. 立式油罐底板腐蚀的声发射在线检测技术及应用[J]. 化工机械，2008，35（1）：43-45.
［4］徐彦廷，刘富君，王亚东，等. 以声发射技术为主的大型立式储罐现代综合检测技术展望[C]. 杭州：中国第十一届声发射学术研讨会，2006：36-42.
［5］林明春，康叶伟，王维斌，等. 护卫传感器在拱顶储罐罐底声发射检测中的应用[J]. 无损检测，2010，32（8）：620- 622.
［6］中国机械工业联合会. JB/T 10764－2007 无损检测——常压金属储罐声发射检测及评价方法[S]. 北京：机械工业出版社，2008.
［7］Van De Loo P J，Herrmann B. How reliable is acoustic emission（AE） tank testing? The quantified results of an AE usergroup correlation study![C]. Proceedings of 7th ECNDT，Copenhagen，Denmark，May 1998.
［8］Lackner Gerald，Tscheliesnig Peter. Field testing of flat bottomedstorage tanks with acoustic emission-a review on the gained experience[C]. 26th European Conference on Acoustic Emission Testing，Berlin，Germany，September 15-17，2004：201-209.
作者简介：康叶伟，工程师，1977 年生，2007 年博士毕业于南开大学计算机应用技术专业，现主要从事智能机器人和大型储罐在线检测技术研究。
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