常压储罐检验检测技术

李光海

(中国特种设备检测研究院,北京 100013)

常压储罐广泛应用于石油、化工、国防和交通运输等诸多领域。在石油化工行业,储罐是储备原料油、成品油、液体化工原料及其产品的专用设备。由于各种大型储罐的制造和检验一直未纳入国家强制管理的范畴,相关的标准和规范也比较少。由于罐容紧张,很多大型储罐超期服役或长期连续运转,无法有效地进行安全检测,运行安全无法从根本上得到保障。检测技术方面,由于缺乏高效可靠的手段,往往只能做一些外观检查和厚度测定等,检测项目少、效率低且缺陷检出率低,在运行过程中产生的某些缺陷难以被及时发现,而一些关键的项目,如储罐底板腐蚀检测与评价、阴极保护检测与评价等技术没有得到很好的实施和应用,致使储罐事故时有发生,危害生产安全,严重污染环境。

大型储罐最初的管理模式是基于储罐事故的管理模式,即事故处理、应急抢修的模式,其后是周期性的维修管理模式,目前逐步发展为基于适用性分析的完整性管理模式,即借助信息技术、集储罐群数据集成技术、检测技术、风险评估技术和维护检修技术为一体的更高层次的储罐管理系统。如何采取有效措施,避免和减少大型储罐的安全事故,改变目前预防性的周期检修模式为基于风险的管理甚至于完整性评价模式,是各大储罐管理者面临的重大问题,而基于完整性评价和先进的检验检测技术更是很多科研检测机构和储罐用户多年来致力研究的方向,它融合了风险管理、完整性状况、检验检测及紧急救援措施等多方面的内容,为管理者实时动态监管和决策提供平台。中国特种设备检测研究院已经在中石化的多家分公司进行了实施。

1 常压储罐的主要失效模式

对于常压储罐,主要的失效模式包括:罐体内外部的腐蚀减薄或穿孔、焊接缺陷的扩展、介质和环境引起的开裂以及脆性断裂。腐蚀是常压储罐最主要的失效模式,其次是制造时的焊接缺陷在使用过程中的扩展变化。介质和环境引起的应力腐蚀开裂在常压储罐检验中较少出现,可以通过应力腐蚀开裂损伤敏感性评估确定所检储罐存在应力腐蚀开裂倾向。储罐的脆性断裂通常是在储罐的设计过程中考虑,经过充水试验和在役使用的储罐一般不会发生脆性断裂,除非改变操作工况(如在更低温度下运行等),才需要重新进行评估[1]。

2 常压储罐检验检测技术

对于常压储罐,主要的失效模式为腐蚀和焊接缺陷的开裂,因此其检验检测技术也是针对腐蚀和各种焊缝缺陷进行的。目前,常压储罐针对性的检验检测方法有:宏观检查、厚度测量、表面无损检测、埋藏缺陷检测、储罐底板漏磁检测、声发射在线检测、真空试漏、附属设施的检查及基础沉降测量等。

2.1 宏观检查

宏观检查主要是检查外观、结构及几何尺寸等是否满足储罐安全使用的要求以及有无可能影响使用的腐蚀、宏观缺陷或环境因素。

(1)罐区环境状况检查。

(2)储罐基础检查:有无下沉、倾斜和开裂等情况。

(3)罐体缺陷及变形检查:储罐本体(壁板、顶板)、接口部位和焊接接头等处有无裂纹、变形、腐蚀和泄漏,底板表面有无腐蚀、变形及其他缺陷;焊缝表面(包括近缝区),以肉眼或者5～10倍放大镜检查裂纹;其他检查以目视、锤击为主,必要时进行尺寸测量。

(4)储罐罐壁的垂直度和圆度(同一断面最大直径与最小直径)检测。垂直度检测应用垂线法或使用经纬仪,圆度检测应使用全站仪。

(5)防腐层和保温层有无破损、脱落、潮湿和跑冷等情况,对有保温层的储罐,罐体无明显损坏,保温层无渗漏痕迹时,可不拆除保温层进行检查。

(6)罐顶板及其支承系统的完整性,有无腐蚀、裂纹或穿孔,浮顶罐的罐顶扶梯、浮盘系统、升降导向系统、周边密封系统防转动装置、排水系统和通气系统有无损坏,能否正常使用。

(7)检查储罐盘梯、平台、抗风圈和栏杆等腐蚀程度。

2.2 厚度测量

2.2.1 壁板厚度测定

罐壁板厚度检测是确定罐体总体腐蚀率的方法,罐壁板腐蚀检测的重点在于内壁自底板向上1m范围内和外壁裸露部位,一般应使用超声波测厚仪并按不同情况布置检测点,如排版的每块板布点、按局部腐蚀区域布点;按点蚀布点。其中第一种方式是检测每一块钢板的平均减薄量,第二种方式是检测一个腐蚀区域的平均减薄量,第三种方式是检测局部严重腐蚀处减薄量。每个检测区一般不少于5个测定点。

利用超声波测厚仪测定壁厚时,如遇母材存在夹层缺陷,应增加测定点或用超声波探伤仪查明夹层分布情况,以及与母材表面的倾斜度。对于表面缺陷检查发现的可疑部位或壁厚检查发现的异常部位,应在其周围增加检测点,以确定壁厚的真实情况。允许最小壁板的厚度可按文献[1]的要求进行评定。

2.2.2 顶板厚度测定

固定顶罐顶板的检测重点在于宏观检测发现的严重腐蚀部位,对于未发现严重腐蚀的,也可按排版的每块板布点进行检测。对于浮顶的明显腐蚀部位应进行厚度检测。

2.2.3 底板厚度测定

储罐底板厚度的测定,通常是在底板进行漏磁检测后,对底板厚度当量损失超过40%的地方,进行超声厚度检测。对漏磁扫查无法检测的部位,每块板一般不少于5个测定点。底板的最小厚度允许值可参考文献[1]进行选取。

2.3 表面无损检测

表面无损检测的目的是检查储罐的角焊缝、壁板焊缝和底板的搭接或对接焊缝是否存在裂纹等可能导致泄漏的危险性缺陷。通常大型储罐的焊缝长度较长,焊缝的表面覆盖着物料、腐蚀产物或防腐涂层,现场打磨清理的工作量大,而且对底板和壁板的角焊缝等关键焊缝,打磨难度较大,很难保证表面质量,所以表面无损检测的效果难以保证。对于应力开裂及脆性断裂敏感性低的储罐,一般不进行表面无损检测抽查,但对安装资料缺失、改变介质或工况变得更苛刻的储罐须进行表面无损检测抽查,抽查部位有:罐底板与壁板连接的内外侧角焊缝、第一层壁板的纵焊缝、第一二层壁板的丁字焊缝、壁板开口与接管的角焊缝、浮顶单盘板与浮舱的内侧角焊缝,必要时可对底板焊缝进行表面检测抽查。

若在检测中发现裂纹,检验人员应当根据可能存在的潜在缺陷,确定扩大表面无损检测的比例;如果扩检中仍发现裂纹,则应当进行全部焊接接头的表面无损检测。内表面的焊接接头已有裂纹的部位,对其相应外表面的焊接接头应当进行抽查。

标准抗拉强度下限σb≥390 MPa的钢制危险品储罐,耐压试验后应当进行表面无损检测抽查。

2.4 埋藏缺陷检测

对于制造资料齐全和运行正常的储罐,一般不进行埋藏缺陷的检测。当工况变得更苛刻或怀疑有泄漏的可能时,应当对下列部位进行射线检测或者超声检测抽查:①下部壁板纵焊缝,容积＜20 000 m3的只检查最下部一圈,容积＞20 000 m3的检查下部两圈,检查的纵焊缝不小于焊缝总长的10%,但丁字焊缝应100%检查。②使用过程中补焊过的部位。③检验时发现焊缝表面裂纹,认为需要进行焊缝埋藏缺陷检查的部位。④使用中出现焊接接头泄漏的部位及其两端延长部位。

2.5 底板漏磁检测

当铁磁性板材被外加磁化装置磁化后,在板材内可产生感应磁场。若板材上存在腐蚀或机械损伤等体积性缺陷,则磁力线会泄漏到板材外部,从而在其表面形成漏磁场。如在磁化装置中部放置一个磁场探头(通常采用霍尔元件或线圈等磁场传感器),则可探测到该漏磁场。由于漏磁场强度与缺陷深度和大小有关,因此可以通过对漏磁场信号的分析来获得板材上产生体积性缺陷的情况。

对储罐底板进行的漏磁检测是采用磁化装置(永久磁铁或电磁铁)与阵列磁场探头一体化的设备通过扫描来进行的。磁化装置将储罐底板被检测部位磁化,使之达到磁饱和或近磁饱和的水平,磁场传感器将底板上由缺陷产生的漏磁信号转换为电信号,然后通过放大、滤波和信号处理。对于储罐底板壁厚减薄缺陷,可给出缺陷深度的当量;对于裂纹性质的缺陷,可以通过漏磁信号的波形来进行分析。

漏磁检测法与磁粉法一样,都是利用了铁磁性构件缺陷的漏磁现象来进行检测,只是其漏磁场的拾取工作是由磁敏感元件来进行的。漏磁检测方法速度很快,检测灵敏度也很高,可以对检测结果定量化,不受储罐底板表面粗糙度的影响。更重要的是,它能够检测内部的缺陷,因此很适合储罐底板的检测。当然,漏磁检测方法也有其局限性,只能适用于铁磁性构件的检测。

根据科研成果,中国特种设备检测研究院组织编写了JB/T 10764—2007《无损检测 常压金属储罐底板声发射检测及其评价》标准,可作为常压储罐的漏磁检测依据。常压储罐的中幅板和边缘板绝大部分区域都可以采用自动化程度高的自动漏磁车进行扫查,检测效率高,劳动强度低,仪器采集的信号平稳,探头移动速度和提离值的变化影响小。但是对于储罐的边角部位,漏磁车无法接近,通常使用手持式边角漏磁扫查器进行补充检测。由于储罐的底板焊接通常采用搭接方式,漏磁车和手持式边角扫查器都无法进行检测,因此对于底板的搭接焊缝以及底板与壁板连接的角焊缝,一般需要用常规无损检测方法,如磁粉或渗透的方法进行补充检测。也可以采用表面点式探头等其它电磁方法进行检测。

2.6 声发射在线检测

现有无损检测技术中,在不影响常压储罐使用的状态,在线对储罐的底板腐蚀状况进行排序和分级,声发射检测是应用最为广泛的技术。另外,压力容器领域,声发射技术已经成为一种常规的检测技术,尤其是对裂纹等危险性缺陷的活动性在线监控,更有着其他无损检测方法不可比拟的优点[2]。关于常压储罐在线评价,可以从以下两个方向应用声发射检测技术:①在储罐液位逐渐增加上升的情况下,检测储罐底板或壁板的焊接缺陷扩展引起的活动性信号。②在最高充装液位的85%以上恒定液位,检测储罐底板的泄漏和腐蚀信号。

在载荷增加时,同步监测缺陷的活动性是声发射最典型的应用方式。常压储罐在充液过程中,如果缺陷(包括泄漏)随着液位的上升而发生扩展或变化,就能被声发射传感器采集到,进而通过软件识别。缺陷扩展属于瞬态信号,可以通过信号到达各传感器时间的不同,采用时差法进行定位。而泄漏信号属于连续信号,可以通过衰减法或相关时差法进行定位。其它声发射信号产生的机理,如底板局部区域的弹塑性变形释放出的弹性波也可能被捕捉到,从而被仪器定位显示。

对于常压储罐,声发射技术更多地被用于腐蚀状态的检测。在恒定液位下,储罐内介质经过一段时间的沉降稳定,同时关闭所有与罐体相连的管道,此时检测到的声发射信号大部分应为腐蚀信号。泄漏、腐蚀的过程、腐蚀产物的形成和剥落以及腐蚀的空化效应,均被认为是腐蚀声发射信号产生的机理。与缺陷扩展信号有所不同的是,腐蚀过程声发射信号平均幅度较低,并且腐蚀过程在整个储罐的不同区域同时存在,因而某个声发射信号到达处理器的次序很难从时间序列里区分开来,从而导致定位判断的混乱,带来定位误差。所以在常压储罐的腐蚀状态声发射检测中,定位源仅作为辅助的分析手段,应更多地关注各通道撞击数。通过对同类储罐各通道信号量的多少进行储罐腐蚀状态排序和质量分级。

常压储罐底板声发射信号的传播途径可以是沿底板金属传播,也可以是沿储罐内的介质以最短路径传播到传感器。由于储罐底板通常采用搭接焊缝,沿底板传播的信号衰减较快。对于较低幅度的腐蚀信号,即使采用低频率的声发射传感器,其最大传播距离也只能在十米左右。因此,对于大型常压储罐,接收到沿底板金属传播的声发射信号较少。沿储罐内介质传播的低频声发射信号衰减较少,通常能够传播数十米,因此在大型储罐的声发射腐蚀检测过程中,由于声源位置的不同,导致到达各通道的声发射信号传播路径不同,所以声速设置较为复杂。由于传播路径的复杂性,声速的不唯一性,也使定位精度大大降低。

即使存在定位精度较差的问题,储罐声发射检测技术仍然发展迅速,应用广泛,其原因主要有以下几点:①可以进行在线检测或实时监控,而不需要停产。②可以进行整体监控,是其它无损检测方法无法实现的。③对被检测件的接近程度不高,从而适合于其它方法难于或不能接近的环境。④检测速度快,成本低。因此,对储罐群中各个储罐进行定性的在线腐蚀状况等级划分,以及较强泄漏信号的判断,声发射检测技术仍然是值得推荐的快速有效方法[3]。

随着信号分析和处理技术的发展,从采集到声发射信号中,将腐蚀信号、裂纹扩展信号、泄漏信号以及其它干扰信号区分开,得到对储罐底板腐蚀状况的更精确判断越来越成为可能。

2.7 真空试漏

如果怀疑储罐有泄漏时,应对罐底板、浮顶单盘板、浮舱底板的焊缝可能泄漏部位进行真空试漏。试验负压值不得＜53 kPa,浮顶舱按逐舱通入785 Pa(80 mm水柱)压力的空气进行泄漏性试验。

2.8 附属设施的检查

(1)罐底的阴极保护按设计标准的要求进行检测和评价。

(2)储罐内壁的防腐涂层应无锈斑、粉化和脱落,其厚度、附着力和漏点检测(电火花法和海绵针孔法)应达到原设计要求。

(3)安全附件应由有资质的机构进行定期校验,所有安全附件均应在校验有效期内工作。

(4)避雷装置的检定和维护必须符合国家气象部门的有关规定。

(5)消防系统的要求必须符合国家消防部门的相关规定。

2.9 基础沉降测量

在罐壁下部每隔10 m左右设一个基础沉降观测点,点数宜为4的整数倍,且不得少于4点。基础沉降可分为均匀沉降、刚性倾斜、罐壁底端的非平面沉降、边缘沉降和靠近罐壁的罐底沉降五种。其测量和评价方法可以参考API 653的附录B[1]。

3 结语

检验检测技术在常压储罐的制造和使用过程中,对保证其质量和安全运行扮演了极其重要的角色。对于常压储罐的在线检测和全面检验,应充分考虑到材料和工艺因素的影响,以及可能出现的腐蚀和缺陷形态,选择适宜的检验检测方法。同时将储罐的完整性评价技术引入储罐群的管理,将储罐群的每一储罐逐一进行失效性分析、失效模式判断、失效后果计算以及附属设施的完整性分析,从而得到储罐群的完整性评价,为储罐群的安全经济运行提供有效的管理策略,已经成为常压储罐完整性管理必要手段。

[1] API 653 Tank Inspection,Repair,Alteration,and Reconstruction[S].

[2] 李光海,刘时风.基于信号分析的声发射源定位技术[J].机械工程学报,2004,40(7):136-140.

[3] Flower T J.Chemical industry applications of acoustic emission[J].Materials Evaluation,1992,50(7):875-882.