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利用AE检测技术对使用中的罐底部腐蚀损耗情况 进行检测的最新情

发布日期:2005-03-01 10:03    浏览次数:

千代田化工建设 铃木 裕晶

  1. 绪论

通常情况下,对于大型筒状垂直储罐,为了防止填充物泄漏,都会定期对储罐底部厚度进行超声波测量,但这种开放式检测对于用户来说,从成本和运营角度都造成了较大的影响,因此非开放式的检测手段为大家所推崇。

储罐底部变薄的主要原因在于其底部的腐蚀。随着时间的积累储罐底部会出现锈迹,锈迹本身膨胀渐渐从底部剥离,储罐底部由此变薄。当锈迹剥离时会产生AE信号,可由安装在储罐外围的AE传感器检测到,并进行分析评估,进而掌握储罐底部的腐蚀情况。这种检测手段是非开放式的,可以在储罐使用过程中进行检测,既减轻了客户的经济负担,从预测腐蚀情况的角度也提高了检测的安全性。

利用AE检测法对使用中的储罐底部腐蚀情况进行检测是始于欧美,随后日本的多数大学、研究机构、团体等也进行了相关的科研开发。本文将对该技术的研究历程和最新动向进行简要介绍。

 

  1. 利用AE检测法对使用中的储罐底部腐蚀情况进行检测

该技术从1990年前后由欧美的石油大亨、多家大型化工单位组成的AE用户集团开始

研发讨论。日本对该技术的研究比欧美大概晚十年,日本的政府机构、大学、业界团体在欧美研究的基础上,进行技术改良等探讨。在2005年由日本高压力技术保安协会(HPI)出版发行了《利用AE检测法对石油储罐底部的腐蚀情况进行评估的技术指南》(HPIS G 110 TR2005)。此外,为了解决HPIS遗留的难题,(一财)石油能源技术中心(JPEC)在2012年制定了《针对室外油罐底部腐蚀损伤的全方位声发射诊断方法指南》(JPEC-2011TS-3)。

本文将该技术分为三代,第一代(以后简称欧美法),第二代称为HPIS(以后简称HPI法),第三代称为JPEC指南(以后简称JPEC法),并对其进行简要介绍。

 

2-1  第一代(欧美法)

检测原理如图1所示,由于储罐底部腐蚀造成锈迹剥离时会产生AE信号,等距安装在储罐外围的AE传感器可以检测到由液体填充物传播出来的AE信号并进行评估。传感器的安装高度为距地面1.5m,安装数量由储罐直径来决定。进行1小时的AE检测,将测得数据

图片1

图1 第一代(欧美法)、第二代(HPI法)的传感器排列

与开放检测时的腐蚀损伤情况进行对照,将腐蚀情况分为4等级并进行风险评估。在欧美已经构建了数百个储罐的AE数据库,并对数千个储罐进行了AE检测,欧洲的一些国家也已经开始利用该技术并延长了储罐开放周期。

但是具体的评估方法只对AE用户集团开放,日本无法沿用。另外,日本消防厅使用欧美法对105个储罐进行评估,并与实际检测到的底部厚度数据进行对比,发现被认定“腐蚀情况良好(较少)”的76个储罐中有24个的厚度减少量超过20%。另外,被认定为“腐蚀情况严重”的7个储罐中有1个的厚度减少量不足10%,因此对于欧美法的有效性还有待商榷。

 

2-2 第二代(日本HPI法)

如上文所述,欧美法还遗留了一些问题,而且由于储罐的相关法规不同,日本也无法直接引用该技术。因此就有必要开发出一种测量方法与欧美法相同,但分析评估手段不同的方法。由日本高压力技术保安协会开发的HPI法的评价方法流程如图2所示。

图片2

图2 第二代(HPI法)的评估方法概要

HPI法的目标是构建一套腐蚀损伤评估系统,其效果要等同于通过实际板厚度测量的离散数据得出的评估结果。首先在储罐周围安装AE传感器(如图1),用1小时内测出的AE撞击数除以AE传感器数量得出AE活跃度。然后,完成AE检测后对储罐进行开放式检查,使用UT厚度测量计对定点底板厚度进行测量(底板1m 间距,环状板30cm网格),通过定点底板厚度测量得出的数据来求得半定量的腐蚀风险参数(以后简称为CRP)。最后,横坐标设为CRP,纵坐标设为AE活跃度,通过数据库的关联性得出标准曲线图。利用该标准曲线图就可以免去开发检查直接通过AE活跃度来求得CRP,再将CRP值乘以12得出管理预定腐蚀速度。但是HPI法还遗留了以下课题。

l 仅仅在储罐侧面安装AE传感器,很难去除从储罐顶部滴落的液滴的噪声。

l 虽然推荐振幅分布(分形)分析用作去噪分析,但分形分析在有些情况下并不适用于AE的去噪处理。

l 仅在侧面安装传感器,很难对腐蚀位置定位。

l 基于定点底板厚度测量数据得出的CRP精度比较低。

l 由于是半定量的CRP,从用户角度看并不实用。

出于以上遗留课题,即使对大量的储罐进行检测,也不一定能得出合理的结果。因此还需要进一步改进。

 

2-3 第三代(日本JPEC法)

JPEC法延续了第一代、第二代的优势,以解决遗留课题,提高实用性为目标。从2008年开始作为经济产业省的辅助事业,由石油能源技术中心牵头开展了名为“安全基础关联调查:储罐底板健全管理技术开发”的工作。2009年12月的内阁规制改革会议上提出,本着贯彻储罐开放检查性能规范化的方针,“通过监测储罐腐蚀情况,把握腐蚀进度,实现延长开放检查周期”,另外“在采用新技术确保安全性的前提下,延长开放周期实现规范合理化”,使得AE检测法的确立提上了日程。

JPEC法与欧美法、HPI法相比,检测方法和评价方法都有很大不同。如图3所示,在储罐侧面等距安装AE传感器的同时,在储罐环状板突出部分也等距安装了AE传感器。

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图3 第三代(JPEC法)的传感器布局

 

该技术有两大特点。第一个特点在于通过两种方式安装传感器提高了AE活跃度的去噪精度,结合1mm 间距的详细连续底板厚度测量得出的“平均最大腐蚀速度”的相关数据库,可以从AE活跃度导出平均最大腐蚀速度。AE活跃度和平均最大腐蚀速度的定义如下。

l AE活跃度:去噪处理后用全部的侧面AE传感器持续测量1小时,将测得的AE撞击数除以AE传感器数量得出的值。

l 平均最大腐蚀速度:根据连续底板厚度测量法,将测量底板厚度和设计厚度差的最大值(最大腐蚀深度)除以储罐的使用年份得出的值。该值为使用期限内平均最大腐蚀速度,并不是使用期限内瞬时的最大腐蚀速度。

另一个特点在于可以利用AE信号到达环状AE传感器的时间差,来提高AE信号源定位

的精准度。JPEC法数据评估流程如图4所示。该技术为解决第二代(HPI法)的遗留课题进行了3项措施,具体介绍如下。

改善①:提高去噪精度

将AE检测视为与噪声的一场战斗并不为过,该技术利用侧板AE传感器和环状AE传感器共同检测,试图提高去噪精度。

随着近年分析用计算机的飞速进步,现代AE技术与10年前相比精度有了很大程度的提高。计算机处理速度的高速化、硬盘的大容量化/低成本化,实现了基于大量现场测量的AE数据的AE波形分析。本开发中利用了最新的分析仪器,可以通过波形模块分析对储罐底部腐蚀产生的AE波和噪声信号进行区分。

图片4

图4 第三代(JPEC法)的评估方法概要

 

事先对实物模型储罐进行加速度腐蚀试验中测得的锈迹脱落产生的AE波形,和在开放检修时采用的对底板进行AE检测试验测得的AE波,将两者作为信号模块(教师信号),存储在分析装置内部,并自动抽取AE信号。 一次测量得到的AE信号数量有可能达到成千上万个,但是通过模块分析可以在合理的时间内完成信号分析。图5中的(a)和(b)为侧板AE传感器测量出的锈迹剥落产生的AE波。通常被检测出的AE信号,由于信号发生源在钢板上,回音以及钢板另一端的信号反射会造成振幅呈不规则状。

另一方面,噪声源中还存在风雨、电气噪声、连接配管振动等,对于屋顶固定式储罐,去除因结露而产生的滴液下落噪声是非常关键的。去除滴液噪声时,用三维定位法比较有效。即在测得的滴液噪声中,将底部附近以外的信号视为滴液噪声并去除。典型的滴液噪声如图5(c)所示。由于滴液噪声时发生在液面上,因此不会产生回音噪声呈脉冲状,振幅也呈正负振动比较有规律。另外,电气噪声如图5(d)所示,电子噪声的持续时间非常短,并形成振幅大的尖锐脉冲状,如图5(d)中有连续发生和单独发生的情况。关于其他噪声信号,也可通过波形模块存储在AE装置内部并自动去除掉。

通过以上彻底的去噪处理后,就提高了AE活跃度的精度。

改善点②:导入平均最大腐蚀速度

第二代中通过定点底板厚度测量数据求得CRP,并与AE活跃度相关后对腐蚀损伤情况进行评估。即通过底板1m pitch,环状板30cm千鸟测得的CRP,有可能会漏掉纵摇等局部腐蚀的情况,另外以CRP这种定性参数评估的方法对于用户来说并不实用。因此,近年来流行的连续底板厚度测量可以检测到局部腐蚀并求出底部全面的最大削减深度,进而得出平均最大腐蚀速度。在连续底板厚度测量中,底板、环状板都可以进行1mm间距详细的UT厚度测量。

在JPEC法的指南中,对于实施了AE检测的全部储罐,再进行连续底板厚度测量,构筑平均最大腐蚀速度和AE活跃度的数据库,通过数据相关从而得出如图6所示的标准曲线。即可以通过该技术的标准曲线,从AE活跃度推算出平均最大腐蚀速度获得定量值,这对于用户来说非常实用。另外,图6中的标准曲线中,当平均最大腐蚀速度超过0.14mm/year时,看上去并不怎么符合AE活跃度的实际数值。这个原因目前还不清楚,附记为基于本公司测量的评价最大腐蚀速度0.200mm/year以上的数据得出的标准曲线。

图片5

图5 腐蚀产生的AE噪声与模块的识别

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图6  AE活跃度和平均最大腐蚀速度的相关图

改善③:提高腐蚀定位精度

使用8个通道的AE传感器,AE波形到达侧板AE传感器和环状AE传感器的差异如图7所示。图1中显示的侧板AE传感器检测到的AE波是以直线性的轨迹在液体中传播,实际上传播的模式种类繁多,比如在底板传播后转向后侧壁的撞击波,从底板传播后转向液体中的泄漏波,以及在液体中传播的纵波并在液面反射回来的反射波,根据传播路径传播速度会大不相同。即图7中用椭圆标记的大量脉冲波形,并且各传感器之间到达的时间差有很多组合,以这种方式定位AE源会存在很大误差。

另一方面,环状方式AE传感器中,如图7(b)所示撞击波So模式(椭圆部)和之后的大型Ao模式非常明了。这些信号由多数传感器检测出,并按顺序抵达。在现场测量中,根据Ao模式的到达时间和2500~2900m/s(底板厚度依存)的传播速度可以大幅度提高定位精度。

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图7 侧板AE传感器和环状AE传感器定位的区别

 

  1. 结束

本文就利用AE检测使用中的罐底部腐蚀损耗的技术,从1990年开发初期的第一代

到近年的第三代,纵观了该技术的发展历程。利用最新的第三代(JPEC法)对室外储罐底部腐蚀情况评估的话,可以通过AE测量得出定量的平均最大腐蚀速度和腐蚀位置等信息。对于特定的储罐(1000kL以上),利用JPEC法可以提高开放检修工程的规划精度,可以事先准备修补材料以及做好官方申请的准备。另外,对于准特定储罐,可以作为是否进行开放检修的判断基准。

AE检测技术在设备健全诊断的应用已经超过了40年。即使作为全能检测技术问世,但也有一段时期由于无法满足应用要求使得用户对其失去信心。其主要原因在于AE数据分析时PC的处理能力有局限性。AE实验中由于PC无法存储大量的AE信号数据,仅将E波形特征作为数值参数进行分析,就难免出现去噪精度不高的情况。但如今高性能的计算机甚至可以满足现场利用JPEC法那种详尽的AE波形分析。对于常年使用的设备、基础设施等,AE检测法可以提供健康监测,在无损检测领域发挥着举足轻重的作用。

 

谢辞

本文提到的JPEC法是经石油能源技术中心委托,由我公司开发出的检测技术,对于研发过程中给予帮助的石油企业特在此鸣谢。