大型立式儲罐在線聲發射檢測與安全性評估

1 引言 大型立式金屬儲罐具有容積大，分布集中，儲存易燃、易爆、有毒介質等特點，一旦發生泄漏或爆炸 02manbetx.com 往往造成災難性後果及嚴重的環境汙染，給社會經濟、生產和人民生活帶來巨大損失和危害。 隨著世界石油工業的迅速增長和能源需求的不斷增加，原油和成品油的儲備受到了各國的普遍關注，對各類油庫儲備能力的要求也越來越高，因而各類儲罐的數量劇增。目前，10萬m3儲罐已成為我國石油化工行業原油儲罐建設的主要結構。由於各種原因，常壓立式儲罐 02manbetx.com 頻繁，經濟損失巨大。儲罐 02manbetx.com 的主要原因是腐蝕和泄漏引起，外腐蝕主要是油罐底板外壁的土壤腐蝕和潮濕的大氣腐蝕；內腐蝕主要為罐底、罐壁、罐頂腐蝕，在上述腐蝕狀態中，最難以處理的是罐底板的腐蝕。 解決罐底腐蝕問題、防止泄漏 02manbetx.com 的手段有兩種：一是在儲罐建造期間加強防腐 措施，防患於未然；二是使用期間加強監測、監控，提早發現問題，安排檢修 計劃。對於第二種手段，長期以來，我國主要國石油化工行業原油儲罐建設的主要結構。由於各種原因，常壓立式儲罐事故頻繁，經濟損失巨大。儲罐事故的主要原因是腐蝕和泄漏引起，外腐蝕主要是油罐底板外壁的土壤腐蝕和潮濕的大氣腐蝕；內腐蝕主要為罐底、罐壁、罐頂腐蝕，在上述腐蝕狀態中，最難以處理的是罐底板的腐蝕。 解決罐底腐蝕問題、防止泄漏事故的手段有兩種：一是在儲罐建造期間加強防腐 措施，防患於未然；二是使用期間加強監測、監控，提早發現問題，安排檢修 計劃。對於第二種手段，長期以來，我國主要采取定期開罐檢查的方法 評價儲罐的強度和 安全性，這種方法需要停工、倒罐、清罐和置換後才能檢測，費時費力，檢測費用高，且可能引起一定的環境汙染。由於生產需要等原因，許多儲罐不能得到及時檢查。此外定期開罐普查時僅發現少量儲罐存在問題，造成大量浪費。 20世紀80年代國外開始采用聲發射技術對大型常壓地麵儲罐進行在線檢測研究和應用，近年來國內也對泄漏源的聲發射檢測機理及現場應用進行了研究。主要是利用載荷變化時，泄漏產生的湍流流動噪聲，腐蝕減薄區產生一定的變形或由此引起的腐蝕層脫落與開裂產生的聲發射信號，對罐底是否存在泄漏源(或潛在泄漏源— —局部或均勻腐蝕)做出判斷，並確定其位置，從而對罐底的整體腐蝕狀態做出實時初步判斷，結合罐壁或罐頂的局部超聲波測厚結果，最終對儲罐的完整性做出綜合的 安全性評估。 我國的儲油設施以地麵油罐為主，且以金屬結構居多。因此，本文主要介紹大型立式金屬儲罐在線聲發射檢測與 安全性評估技術。 2 儲罐概況 2．1 金屬儲罐的分類 儲油罐按其所處位置可分為地上油罐、半地上油罐和地下油罐；按罐內所裝油品可分為原油罐、燃料油罐、潤滑油罐；按用途則可分為生產油罐和存儲油罐。金屬油罐分為臥式油罐和立式油罐，其中立式油罐絕大多數為圓筒形，主要由罐底、罐壁、罐頂構成。按罐頂的結構又可分為無力矩頂油罐、拱頂油罐、錐頂油罐、浮頂油罐和內浮頂油罐等。目前，拱頂油罐及浮頂油罐應用最為廣泛，按罐容量有大型和小型之分，所謂大型油罐是指公稱容積100～30000 m3平底、固定頂和1000—10000 m3的浮頂油罐。小型油罐大多是公稱容積小於100 m3的油罐，一般為臥式油罐_8 J。我國常用的立式儲油罐的直徑為8000～80000 mm；容積為500～1000 m3。 2．2 立式金屬儲罐的結構 分布在我國中石化、中石油企業的立式儲罐主要為拱頂和浮頂兩種。罐底由多塊薄鋼板(即中幅板和邊緣板)拚裝而成，其中邊緣板分為條型板和弓型板，主要依據儲罐的直徑、儲量及與底板相焊接的第一節壁板的材質而定。焊接型式為搭接拚焊或對接焊(由日本引進的均采用對接焊縫)。儲罐的附件有進出接合管、排汙孔和清掃孔、加熱裝置等。 3 模擬立式儲罐罐底泄漏、腐蝕試驗 3．1 試驗概況 試驗係統如圖1所示。主要包括模擬立式儲罐和聲發射檢測係統。 3．2 試驗結果 通過對模擬立式儲罐泄漏、腐蝕坑的聲發射檢測試驗可知，罐底泄漏和液位變化的情況下腐蝕坑確實可以產生大量的聲發射信號，並可形成聲發射定位源集團。用來 評價泄漏和腐蝕坑嚴重程度的聲發射信號，以泄漏和腐蝕坑變形中產生的聲發射定位源信號為主。聲發射信號特征參量主要有：幅度、計數、能量、持續時間和上升時間。 03manbetx 聲源信號的特征參量的取值範圍及變化趨勢，可以為常壓立式儲罐聲發射在線檢測技術的應用提供依據，對現場立式儲罐聲發射檢測中儀器參數設置及數據 03manbetx 具有一定的指導作用。模擬立式儲罐泄漏、腐蝕底板的聲發射檢測定位圖見圖3。 3．3 應注意的問題 (1)聲速的設置 模擬儲罐在空罐和注水後，參數中聲速設置是不同的。因為聲源所發出的應力波在罐中傳播途徑很複雜，這就決定了儲罐中有無介質以及介質的種類，甚至介質的液位高度都影響了聲速的設置。而聲速又是個十分重要的參量，故而在實際檢測中應根據現場標定的情況，在滿足定位精度的情況下設置合適的聲速值。 (2)檢測時機的選擇 對儲罐的檢測需要在罐內介質的液麵處於相對靜止的情況下才能進行。在試驗中可以看出，剛注完水的過程中檢測，由於液位還有波動，所以檢測到的定位點較多且分散，對這些數據的 03manbetx 和 評價相當困難。故而在實際檢測中，需要罐內介質的液麵處於相對靜止的情況下才能進行。 (3)檢測時注意孤立的高幅度、計數、能量的聲發射源 在各檢測的時間段中均出現了幾個幅度較高的定位信號，這些信號有著共同的特征，表現在幅度、計數、能量、持續時間及上升時間這幾個特征參量均較大。 通過對所有定位信號數據的進一步 03manbetx ，可以看出，參與形成高幅度信號的每個傳感器所接收到的聲發射信號特征參量均表現較高，尤其在幅度、能量、持續時間幾個參量上更是如此。可以認為這些高幅度信號是由底板的腐蝕坑引起的。 4 在線聲發射檢測及 安全性評估 4．1 聲發射檢測前準備 根據常壓儲罐的結構、容積、儲存介質、介質溫度，製定不同的聲發射檢測方案。罐側壁距底板上方500～1000mm處沿周向均布聲發射傳感器，放置點間隔6～12 m，最大不超過15m，對於非常溫儲罐應用波導杆，每個放置點150mm直徑範圍內打磨光滑露出金屬光澤。 聲發射檢測前，將儲罐液位升高到．印％ ～80％最高液位，靜置4～24小時。聲發射檢測采集數據前，首先檢測背景噪音情況，盡量避免或屏蔽大的電磁幹擾信號及機械噪音。如泵、壓縮機等需停止運轉，關閉蒸汽閥門以及減少人員走動等。根據背景噪音情況，設置適當的門檻電平。 標定和設置聲發射儀器參數。根據儲存介質的不同，如原油、催化重整料及重柴油、溶劑及輕質油，聲發射檢測設置的聲速及門檻不同，這要根據試驗確定。設置合適的聲速及門檻，對檢測結果的準確性具有重要意義。不同規格(容積或直徑不同)的立式儲罐，其定位標定方法不同。試驗表明，對於傳感器問距小於7 m的聲發射檢測係統各陣列，可選用儀器本身“AST”功能與鉛筆芯折斷和人工模擬源方法進行定位標定，且可獲得定位準確的標定結果；對於傳感器問距大於7 m的聲發射檢測係統各陣列，隻能選用儀器本身“AST”功能與人工模擬源方法進行標定，標定結果相對於鉛芯折斷重複性差，但定位精度能夠滿足工程檢測要求。 4．2 立式儲油罐的在線聲發射檢測 通過30餘台儲罐現場在線聲發射檢測和部分儲罐的開罐驗證，積累了大量的試驗數據，為製定和完善常壓立式儲罐聲發射檢測方法及 評價 標準提供了可靠的依據。典型聲發射檢測儲油罐底板的定位圖見圖4。 4．3 在線聲發射檢測幾個應注意問題的討論 (1)非常溫的立式儲罐聲發射檢測 對於非常溫(60—150℃)的常壓儲罐，由於聲發射傳感器在較高溫度下無法使用，因此，需 設計特製的波導杆以解決聲傳播問題。對一些儲存原油、催化原料、燃料油等有較高溫度的儲罐，采用特製的波導杆，能夠得到滿意的檢測結果。 (2)立式儲罐聲發射檢測時液位的確定 壓力容器的聲發射檢測是在設備受壓時進行的，而常壓儲罐不能給儲罐加壓，因此隻能利用儲罐介質本身的高液位，聲發射檢測時液位達到60％ -80％最高液位為宜，檢測2 3小時。有條件的話，可選2 3個液位進行檢測，這樣會得到更加滿意的結果。 (3)立式儲罐聲發射檢測和開罐驗證如圖4(a)所示，在線聲發射檢測發現了一些集中定位源，經開罐驗證，罐底發現了局部腐蝕及焊接外觀缺陷，而圖4(b)出現的規則集中定位源在開罐驗證時，未發現腐蝕存在，而是由於罐底加熱管路通蒸汽引起，對於這種聲源在評級時應予剔除，或在檢測時設法排除。 4．4 立式金屬儲罐罐底完墊性評估 (1)儲罐罐底聲源級別的劃分 對常壓立式儲罐而言，液位恒定時的檢測數據應作為重點分析對象，增加或減少液位時的檢測數據作為參考。在各液位檢測定位圖上定位點代表著聲發射源的位置，其密集的程度與罐底板的腐蝕(泄漏)情況有關。這樣可以設置一定範圍的Cluster(集中源)對定位點進行區域劃分，並且認為作為一有效聲源應不少於5個事件。對於碳鋼儲罐，當容積在5000—10000 m3範圍時，推薦Cluster範圍為2 m X 2m ，其它範圍可根據現場試驗和試驗研究結果確定。將聲源級別(性質)劃分為五檔：工級：罐底不存在腐蝕、泄漏跡象；Ⅱ級：罐底存在不確定的腐蝕跡象；m級：罐底存在可能的腐蝕跡象；IV級：罐底存在較大的腐蝕跡象；V級：罐底存在嚴重的腐蝕跡象。 (2)儲罐罐底聲源活動度的劃分工級：無聲發射活動；Ⅱ級：輕微聲發射活動；Ⅲ級：有一定的聲發射活動；IV級：較多的聲發射活動；V級：嚴重的聲發射活動。 聲發射活動度主要表示金屬殼體受腐蝕後隨載荷的變形引起的聲源活動性，其級別分別表示整體腐蝕狀態：工級—— 很好；Ⅱ級——較好(輕微腐蝕)；m級——一般(一定腐蝕)；Ⅳ級—— 較差(腐蝕明顯)；v級——很差(腐蝕嚴重)。 (3)儲罐罐底聲源完整性評價 對罐底聲發射信號的活動性進行整體分析，即根據檢測到的聲發射數據和儲罐有關參數，按照定位信號表現出的幅度、能量、計數等並考慮孤立的高幅度高能量事件，綜合對罐底整體的聲發射活動性進行判斷。在試驗室研究和參考國外文獻的基礎上，將整體的聲發射活動度劃分如下： 根據罐底聲源的級別和事件活動度，確定罐底的完整性評價等級，如表1所示。 4．5 立式儲罐完整性評估 在聲發射在線檢測的基礎上，對罐底的整體腐蝕狀態做出實時初步判斷，結合罐壁或罐頂的局部超聲波測厚結果，最終可以對儲罐的完整性做出綜合的安全性評估。 5 結語 聲發射在線監測立式儲罐的技術是製定維修 計劃的一個重要內容，它不能代替內部檢驗和維修，僅能根據聲發射的活動程度更有效地列出一個檢修 計劃。但是，聲發射在線檢測立式儲罐的優點也是非常明顯的，它可以幫助 管理者確定儲罐是否需要維修，確定所要維修儲罐的優先權，優化維修資源，適合於風險檢驗計劃。 通過試驗室模擬立式儲罐底板泄漏與腐蝕聲發射檢測試驗研究和現場常壓立式金屬儲罐的在線聲發射檢測，積累了試驗數據，為我國大型立式金屬儲罐的在線聲發射檢測技術的推廣應用提供了可靠的依據。