大型立式储罐在线声发射检测与安全性评估

发布时间：2007年01月19日
作者：中国安全评估网
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关卫和，沈纯厚，陶元宏，陈颖峰
1．国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，合肥通用机械研究所，安徽合肥230031；
2．福建炼化公司，福建泉州362100
1 引言
大型立式金属储罐具有容积大，分布集中，储存易燃、易爆、有毒介质等特点，一旦发生泄漏或爆炸事故往往造成灾难性后果及严重的环境污染，给社会经济、生产和人民生活带来巨大损失和危害。
随着世界石油工业的迅速增长和能源需求的不断增加，原油和成品油的储备受到了各国的普遍关注，对各类油库储备能力的要求也越来越高，因而各类储罐的数量剧增。目前，10万m3储罐已成为我国石油化工行业原油储罐建设的主要结构。由于各种原因，常压立式储罐事故频繁，经济损失巨大。储罐事故的主要原因是腐蚀和泄漏引起，外腐蚀主要是油罐底板外壁的土壤腐蚀和潮湿的大气腐蚀；内腐蚀主要为罐底、罐壁、罐顶腐蚀，在上述腐蚀状态中，最难以处理的是罐底板的腐蚀。
解决罐底腐蚀问题、防止泄漏事故的手段有两种：一是在储罐建造期间加强防腐措施，防患于未然；二是使用期间加强监测、监控，提早发现问题，安排检修计划。对于第二种手段，长期以来，我国主要国石油化工行业原油储罐建设的主要结构。由于各种原因，常压立式储罐事故频繁，经济损失巨大。储罐事故的主要原因是腐蚀和泄漏引起，外腐蚀主要是油罐底板外壁的土壤腐蚀和潮湿的大气腐蚀；内腐蚀主要为罐底、罐壁、罐顶腐蚀，在上述腐蚀状态中，最难以处理的是罐底板的腐蚀。
解决罐底腐蚀问题、防止泄漏事故的手段有两种：一是在储罐建造期间加强防腐措施，防患于未然；二是使用期间加强监测、监控，提早发现问题，安排检修计划。对于第二种手段，长期以来，我国主要采取定期开罐检查的方法评价储罐的强度和安全性，这种方法需要停工、倒罐、清罐和置换后才能检测，费时费力，检测费用高，且可能引起一定的环境污染。由于生产需要等原因，许多储罐不能得到及时检查。此外定期开罐普查时仅发现少量储罐存在问题，造成大量浪费。
20世纪80年代国外开始采用声发射技术对大型常压地面储罐进行在线检测研究和应用，近年来国内也对泄漏源的声发射检测机理及现场应用进行了研究。主要是利用载荷变化时，泄漏产生的湍流流动噪声，腐蚀减薄区产生一定的变形或由此引起的腐蚀层脱落与开裂产生的声发射信号，对罐底是否存在泄漏源(或潜在泄漏源— —局部或均匀腐蚀)做出判断，并确定其位置，从而对罐底的整体腐蚀状态做出实时初步判断，结合罐壁或罐顶的局部超声波测厚结果，最终对储罐的完整性做出综合的安全性评估。
我国的储油设施以地面油罐为主，且以金属结构居多。因此，本文主要介绍大型立式金属储罐在线声发射检测与安全性评估技术。
2 储罐概况
2．1 金属储罐的分类
储油罐按其所处位置可分为地上油罐、半地上油罐和地下油罐；按罐内所装油品可分为原油罐、燃料油罐、润滑油罐；按用途则可分为生产油罐和存储油罐。金属油罐分为卧式油罐和立式油罐，其中立式油罐绝大多数为圆筒形，主要由罐底、罐壁、罐顶构成。按罐顶的结构又可分为无力矩顶油罐、拱顶油罐、锥顶油罐、浮顶油罐和内浮顶油罐等。目前，拱顶油罐及浮顶油罐应用最为广泛，按罐容量有大型和小型之分，所谓大型油罐是指公称容积100～30000 m3平底、固定顶和1000—10000 m3的浮顶油罐。小型油罐大多是公称容积小于100 m3的油罐，一般为卧式油罐_8 J。我国常用的立式储油罐的直径为~8ooo～80000 mm；容积为500～1000~ m3。
2．2 立式金属储罐的结构
分布在我国中石化、中石油企业的立式储罐主要为拱顶和浮顶两种。罐底由多块薄钢板(即中幅板和边缘板)拼装而成，其中边缘板分为条型板和弓型板，主要依据储罐的直径、储量及与底板相焊接的第一节壁板的材质而定。焊接型式为搭接拼焊或对接焊(由日本引进的均采用对接焊缝)。储罐的附件有进出接合管、排污孔和清扫孔、加热装置等。
3 模拟立式储罐罐底泄漏、腐蚀试验
3．1 试验概况
试验系统如图1所示。主要包括模拟立式储罐和声发射检测系统。

3．2 试验结果
通过对模拟立式储罐泄漏、腐蚀坑的声发射检测试验可知，罐底泄漏和液位变化的情况下腐蚀坑确实可以产生大量的声发射信号，并可形成声发射定位源集团。用来评价泄漏和腐蚀坑严重程度的声发射信号，以泄漏和腐蚀坑变形中产生的声发射定位源信号为主。声发射信号特征参量主要有：幅度、计数、能量、持续时间和上升时间。分析声源信号的特征参量的取值范围及变化趋势，可以为常压立式储罐声发射在线检测技术的应用提供依据，对现场立式储罐声发射检测中仪器参数设置及数据分析具有一定的指导作用。模拟立式储罐泄漏、腐蚀底板的声发射检测定位图见图3。
3．3 应注意的问题
(1)声速的设置
模拟储罐在空罐和注水后，参数中声速设置是不同的。因为声源所发出的应力波在罐中传播途径很复杂，这就决定了储罐中有无介质以及介质的种类，甚至介质的液位高度都影响了声速的设置。而声速又是个十分重要的参量，故而在实际检测中应根据现场标定的情况，在满足定位精度的情况下设置合适的声速值。
(2)检测时机的选择
对储罐的检测需要在罐内介质的液面处于相对静止的情况下才能进行。在试验中可以看出，刚注完水的过程中检测，由于液位还有波动，所以检测到的定位点较多且分散，对这些数据的分析和评价相当困难。故而在实际检测中，需要罐内介质的液面处于相对静止的情况下才能进行。

(3)检测时注意孤立的高幅度、计数、能量的声发射源
在各检测的时间段中均出现了几个幅度较高的定位信号，这些信号有着共同的特征，表现在幅度、计数、能量、持续时间及上升时间这几个特征参量均较大。
通过对所有定位信号数据的进一步分析，可以看出，参与形成高幅度信号的每个传感器所接收到的声发射信号特征参量均表现较高，尤其在幅度、能量、持续时间几个参量上更是如此。可以认为这些高幅度信号是由底板的腐蚀坑引起的。

4 在线声发射检测及安全性评估
4．1 声发射检测前准备
根据常压储罐的结构、容积、储存介质、介质温度，制定不同的声发射检测方案。罐侧壁距底板上方500～1000mm处沿周向均布声发射传感器，放置点间隔6～12 m，最大不超过15m，对于非常温储罐应用波导杆，每个放置点150mm直径范围内打磨光滑露出金属光泽。
声发射检测前，将储罐液位升高到．印％～80％最高液位，静置4～24小时。声发射检测采集数据前，首先检测背景噪音情况，尽量避免或屏蔽大的电磁干扰信号及机械噪音。如泵、压缩机等需停止运转，关闭蒸汽阀门以及减少人员走动等。根据背景噪音情况，设置适当的门槛电平。
标定和设置声发射仪器参数。根据储存介质的不同，如原油、催化重整料及重柴油、溶剂及轻质油，声发射检测设置的声速及门槛不同，这要根据试验确定。设置合适的声速及门槛，对检测结果的准确性具有重要意义。不同规格(容积或直径不同)的立式储罐，其定位标定方法不同。试验表明，对于传感器问距小于7 m的声发射检测系统各阵列，可选用仪器本身“AST”功能与铅笔芯折断和人工模拟源方法进行定位标定，且可获得定位准确的标定结果；对于传感器问距大于7 m的声发射检测系统各阵列，只能选用仪器本身“AST”功能与人工模拟源方法进行标定，标定结果相对于铅芯折断重复性差，但定位精度能够满足工程检测要求。
4．2 立式储油罐的在线声发射检测
通过30余台储罐现场在线声发射检测和部分储罐的开罐验证，积累了大量的试验数据，为制定和完善常压立式储罐声发射检测方法及评价标准提供了可靠的依据。典型声发射检测储油罐底板的定位图见图4。

4．3 在线声发射检测几个应注意问题的讨论
(1)非常温的立式储罐声发射检测
对于非常温(60—150℃)的常压储罐，由于声发射传感器在较高温度下无法使用，因此，需设计特制的波导杆以解决声传播问题。对一些储存原油、催化原料、燃料油等有较高温度的储罐，采用特制的波导杆，能够得到满意的检测结果。
(2)立式储罐声发射检测时液位的确定
压力容器的声发射检测是在设备受压时进行的，而常压储罐不能给储罐加压，因此只能利用储罐介质本身的高液位，声发射检测时液位达到60％ -80％最高液位为宜，检测2 3小时。有条件的话，可选2 3个液位进行检测，这样会得到更加满意的结果。
(3)立式储罐声发射检测和开罐验证如图4(a)所示，在线声发射检测发现了一些集中定位源，经开罐验证，罐底发现了局部腐蚀及焊接外观缺陷，而图4(b)出现的规则集中定位源在开罐验证时，未发现腐蚀存在，而是由于罐底加热管路通蒸汽引起，对于这种声源在评级时应予剔除，或在检测时设法排除。
4．4 立式金属储罐罐底完垫性评估
(1)储罐罐底声源级别的划分
对常压立式储罐而言，液位恒定时的检测数据应作为重点分析对象，增加或减少液位时的检测数据作为参考。在各液位检测定位图上定位点代表着声发射源的位置，其密集的程度与罐底板的腐蚀(泄漏)情况有关。这样可以设置一定范围的Cluster(集中源)对定位点进行区域划分，并且认为作为一有效声源应不少于5个事件。对于碳钢储罐，当容积在5000—10000 m3范围时，推荐Cluster范围为2 m X 2m ，其它范围可根据现场试验和试验研究结果确定。将声源级别(性质)划分为五档：工级：罐底不存在腐蚀、泄漏迹象；Ⅱ级：罐底存在不确定的腐蚀迹象；m级：罐底存在可能的腐蚀迹象；IV级：罐底存在较大的腐蚀迹象；V级：罐底存在严重的腐蚀迹象。
(2)储罐罐底声源活动度的划分工级：无声发射活动；Ⅱ级：轻微声发射活动；Ⅲ级：有一定的声发射活动；IV级：较多的声发射活动；V级：严重的声发射活动。
声发射活动度主要表示金属壳体受腐蚀后随载荷的变形引起的声源活动性，其级别分别表示整体腐蚀状态：工级—— 很好；Ⅱ级——较好(轻微腐蚀)；m级——一般(一定腐蚀)；Ⅳ级—— 较差(腐蚀明显)；v级——很差(腐蚀严重)。
(3)储罐罐底声源完整性评价
对罐底声发射信号的活动性进行整体分析，即根据检测到的声发射数据和储罐有关参数，按照定位信号表现出的幅度、能量、计数等并考虑孤立的高幅度高能量事件，综合对罐底整体的声发射活动性进行判断。在试验室研究和参考国外文献的基础上，将整体的声发射活动度划分如下：
根据罐底声源的级别和事件活动度，确定罐底的完整性评价等级，如表1所示。

4．5 立式储罐完整性评估
在声发射在线检测的基础上，对罐底的整体腐蚀状态做出实时初步判断，结合罐壁或罐顶的局部超声波测厚结果，最终可以对储罐的完整性做出综合的安全性评估。
5 结语
声发射在线监测立式储罐的技术是制定维修计划的一个重要内容，它不能代替内部检验和维修，仅能根据声发射的活动程度更有效地列出一个检修计划。但是，声发射在线检测立式储罐的优点也是非常明显的，它可以帮助管理者确定储罐是否需要维修，确定所要维修储罐的优先权，优化维修资源，适合于风险检验计划。
通过试验室模拟立式储罐底板泄漏与腐蚀声发射检测试验研究和现场常压立式金属储罐的在线声发射检测，积累了试验数据，为我国大型立式金属储罐的在线声发射检测技术的推广应用提供了可靠的依据。