常压储罐罐底声发射在线检测技术研究与实践

丛成龙（珠海市安粤科技有限公司 珠海 519002）

常压储罐罐底声发射在线检测技术研究与实践

丛成龙
（珠海市安粤科技有限公司 珠海 519002）

摘 要：制作含人工缺陷的小型立式储罐，模拟实际工况，添加6种不同类别介质，找到不同条件下的声发射仪器所接受到的声波信号，判断声波传播路径，确定不同介质下的声速。并根据介质的特性拟合不同介质条件下沿介质传播的声速公式。同时，针对寻找不同性质缺陷所产生的声发射信号，进行参数特征分析。最终将研究成果在工程实践中予以应用，获得满意效果。

关键词：声发射检测 常压储罐 声速 参数特征

1　储罐声发射检测概况

在石油化工和仓储行业使用着大量的盛装危险化学品金属储罐，作为油品或化工原料的储存之用。这些介质大多具有易燃易爆和腐蚀等特性，储存容量大，蕴藏着巨大的能量，一旦出现事故将造成重大的经济损失，对环境造成严重污染，影响人民群众的生命财产安全。保证危险化学品常压金属储罐的安全运行，是一个非常重要而又亟待解决的问题。

长期以来，主要采用开罐后通过目视、测厚、漏磁、真空箱等检测方法评价储罐的安全性能，这种方法需要停工、倒灌、清洗置换后才能进行检测。其优点是检测结果直观、可信度高。缺点是检测成本高昂，较长时间的停工会带来较大的经济损失，还有一个问题是逐个进行开罐检测后发现，大量的储罐状态是良好的，无需进行任何维修，这种开罐检测又是多余的。

鉴于上述情况，一种动态在线无损检测方法——声发射检测为人们所关注。近些年来，东北石油大学、中国特种设备检测研究院、天津大学、清华大学等单位均作了大量研究和实践工作，并取得了一定的成果。东北石油大学开展此项工作较早，在实验室机理和方法研究、数据库软件开发和现场应用等方面取得了多项成果，并提出“金属立式储罐在线声学检测与评价方法”。中国特种设备检测研究院从工程应用实际入手，和漏磁检测相结合，验证了声发射检测方法在储罐罐底板检测中的独特优势，并对金属罐体有效声源信号和噪声的中心频率进行了分析，积累了一线检测数据，取得了多项突破［1］。

目前，声发射检测方法应用于金属罐体底板检测还不够成熟。对于声发射源的定位及缺陷性质和严重程度的判定上还存在进一步研究的必要。本文将通过试验模拟的方式重点讨论声发射检测罐底板声速情况，并根据参数特征归纳缺陷识别特征。

2　小型立式储罐底板声发射检测的试验工艺

大型储罐的声发射在线检测的数据库需要一定时间的现场试验和积累，是今后一段时期内的主要工作。本文通过制作含人工缺陷的小型立式储罐，模拟实际工况，添加水、石脑油、汽油、煤油、柴机油、重油等6种不同类别介质，达到不同液位，通过已知位置缺陷的定位效果，找到不同条件下的声发射仪器所接受到的声波信号，判断声波超波路径，确定不同介质下的声速。

2.1检测仪器和探头、含缺陷的模拟储罐

多通道声发射检测仪：美国PAC公司生产SAMOS声发射检测仪

放大器：0/20dB，20～40kHz；

实验所需要的仪器设备如图1所示；

传感器型号：DP3I；中心频率：30kHz；

图1　DP3I传感器

模拟源：校准使用0.5mm的2H自动铅笔和铅芯。

含缺陷储罐：制作1m3含缺陷常压储罐，储罐的尺寸为φ1000mm×1273mm，底板缺陷情况如图2所示。

图2　罐底板缺陷示意图

传感器布置：在罐底板上方150mm处设置3个传感器，3个传感器在圆周处等距布置［2］。布置情况如图3所示：

图3　模拟储罐与传感器布置情况

2.2软件的设置

滤波器：20～100kHz，400kHz采样率，2K记录长度，固定门槛，参考能量30。

前置放大器型号：1224，+20dB；

PDT（峰值定义时间）/HDT（撞击定义时间）/ HLT（撞击闭锁时间）：2500μs/5000μs/5000μs；

门槛值：35～40dB；

声速设置：依据介质不同，声速不同。约1000～1500mm/s，后文详述。

闭锁距离：1.25倍储罐底板直径，在本实验中为1.25×700=875mm。

3　罐底板声发射检测中的声速研究

利用声发射检测实现对罐底板缺陷的准确定位，是一项重要的工作。声发射信号定位精度高低，很大程度上取决于声速设置的准确程度。为此，本文着重研究声波在不同介质下的传播速度，以获得更准确的定位效果。

在压力容器的声速校准中，通常会采取模拟声发射源，利用不同探头距离声发射的距离与接收到信号的时间差计算声速，能得到理想的、较为接近真实的声速。但是对于罐底板来说，无法采取这种方法。第一，结构原因，检测人员无法到罐底板模拟声发射源。第二，储罐的声波传播机理较为复杂，传感器采用的信号为最早接收到的信号，不易确定声波的传输路径。根据盛装介质液位的不同，大致可分为两种传播路径。第一种，液位较低，声速沿罐底板和罐壁的钢材中传播。第二种，液位较高，则声波在介质中传播，到内壁后沿罐壁传播。本文重点研究液位在探头以上的声波的传播速度，从而为缺陷的准确定位奠定基础。声波的传播速度与温度、介质的密度均有关系［3］。为此，选取了水、石脑油、汽油、煤油、柴机油、重油等介质。在室温条件下，利用储罐底板已知位置缺陷，通过不断调整仪器中的设置声速，找到该工况下的最接近声速。表1为几种介质的密度数据和该介质下的声速情况。

表1　在不同介质声速与密度

可见，在一定温度下，此声速与传播所在介质的密度相关。在液位高于探头的条件下，声速的传播路径沿着介质中的最短路径传播。

4　罐底板泄漏声发射试验研究与参数特征分析

储罐在长期的使用过程中，由于介质的腐蚀作用和制造安装过程中遗留的缺陷，通常会引起底板的减薄直至穿孔或者撕裂，这些均会造成介质的泄漏，然而这些不能轻易察觉。通过声发射检测仪器，采集含人工缺陷的小型立式储罐罐底板缺陷在盛装介质情况下扩展和介质泄漏情况。

4.1泄漏型号的波形特征与特征参数分析

以水为介质，分别对φ1mm泄漏孔，φ2mm泄漏孔，φ5mm泄漏孔采集检测。图4为φ2mm泄漏点的声发射信号定位情况。

图4　φ2mm泄漏点的声发射信号定位

提取声发射信号的特征参数，其幅值、能量、振铃计数的区间范围见表2。

表2　泄漏信号特征参数

从表2可以看出，对于小型泄漏孔，具有突发声发射信号的特征，而对于φ5mm或以上的泄漏孔，具有连续声发射信号的特征，幅值和振铃无法计量。这是因为φ2mm以下泄漏孔由于孔径太小，且所受液柱压力不是足够大，呈液滴状渗漏，故可以看做突发声发射信号，其波形上升时间相对的较长，振铃计数相对较少。这种波形没有典型的裂纹信号特征明显。

图5　φ2mm泄漏孔声发射信号特征波形

泄漏孔的孔径越大，则声发射信号波形越接近于连续性声发射信号，越无明显的间隔时间，在时间坐标上是难以区分开来。

图6　3个通道对应的能量值关联图

图6是靠近2号探头的φ2mm泄漏孔所产生的能量计数在各通道的监测情况。可见能量计数值与探头距离是相关的。距离越近，所监测到的能量计数越大。在实际检测中，排除干扰信号后，越是遇到连续的声发射信号，且相对能量较大，则可以初步认定为该点泄漏点已经达到一定规模，可以建议进行开罐验证。

4.2裂纹的信号特征研究

在本课题的研究中，制作了含表面裂纹的罐底板，拟通过液位的变化达到加载的效果，从而采集裂纹扩展信号。然而由于液位变化的应力有限，且裂纹尺寸较小不足以引起裂纹的扩展，所以在采集过程中并未发现裂纹扩展的声发射信号。以断铅试验模仿裂纹扩展信号，能得到有效定位点，波形特征与图7相同，特征参数中上升时间较短，振铃计数较大，幅值较大。

图7　断铅试验模拟的突发声发射信号

4.3罐底板腐蚀的声发射特征研究

采用声发射检测仪对腐蚀过程进行检测，对腐蚀信号数据进行归纳统计，利用信号集进行参数分析，为进一步研究腐蚀过程声发射信号产生机理等问题奠定基础。

在实验室内，采用稀硫酸溶液作为腐蚀介质，注入模拟储罐之中，并将罐底防锈漆打磨，漏出金属本体。对于罐底板的腐蚀可能产生的化学反应［4］如下：

仪器门槛设置为35dB，采用断铅信号进行灵敏度测试，3个通道灵敏度为94dB以上。进行一段时间采集，截取12月1日至12月6日每晚12点到第二天8点的监测数据，见表3。

表3　连续6天罐底腐蚀检测数据的特征参数

通过6天监测的腐蚀信号重放数据统计，分析表征信号的特征参数群。由表3可知，信号幅值主要集中分布在40～50dB之间。腐蚀信号的频率分布在50kHz～150kHz之间。通过调整滤波器，在50kHz～80kHz之间的信号占总数据的80%以上，可见腐蚀信号以低频为主，仅少量信号高于80kHz以上，所以选用低频传感器，滤波器控制在100kHz以下，能排除部分的干扰信号。

实验室中的环境是非常安静的，噪声基本上小于33dB，通过设置门槛可以过滤掉大部分噪声信号。然而在实际现场检测中，噪声是难以避免的干扰信号。腐蚀信号和噪声信号的不同还在于，噪音的幅值通常较高，为连续型声发射信号，噪声在不同的频段具有分布。腐蚀信号倾向于突发性声发射信号，幅值在40～50dB之间。

由于腐蚀的产生机理较为复杂，所产生的信号也具有多样的性质，今后应加强这方面的研究工作，寻找轻微腐蚀介质的罐底板声发射信号采集方法，建立储罐在不同腐蚀介质下的参数特征数据库，为储罐安全性能判断与评价提供检测依据［5］。

5　常压储罐的现场检测

本节介绍对珠海某公司一台1000m3消防水储罐罐底板进行声发射在线检测的实例。

5.1储罐的基本情况

该储罐建于2000年，投入运行后未进行过任何检测，应企业要求，对其进行声发射检测，如发现可疑严重缺陷，给予维护建议或开罐检测。罐体基本资料见表4。

表4　储罐的基本参数

5.2储罐底板声发射检测准备工作

按照第2节的结果，参数设置如下：PDT（峰值定义时间）、HDT（撞击定义时间）、HLT（撞击闭锁时间）分别设置为2500μs、5000μs、5000μs。声速设置为1450m/s，前置放大器设置为20dB。布置9个传感器（DP3I）。

检测前对每个通道灵敏度进行校准，平均灵敏度达到96.7dB，每个通道的响应幅值与所有通道的平均幅值之差小于4dB。

5.3储罐底板的声发射检测

保持8.8m的液面高度，静止12h后开始检测，检测时间为1h，检测完成后，重新对每个通道进行一次灵敏度校准。

5.4声发射检测结果分析

图8是本次检测声发射信号定位图，从定位图中可以看到，在罐底板中心有三处信号密集集中区域x、y、z，经数据回放，信号点波形具有突发型声发射信号的特征，幅值在50～80dB之间，能量计数在4.2×104至6.4×104之间。结合到储罐的建造和使用情况：检测人员怀疑储罐在建造过程遗留的焊接缺陷，在使用过程中，由于液位高低的不断变化，使罐底板长期以来处于疲劳载荷下，加之年久失修，维护人员12年来从未对该罐进行过任何养护，造成焊接缺陷加深，直至延伸到底部。

图8　罐底板声发射检测信号定位图

当然由于罐底板的地位机理非常复杂，由于定位误差的存在，不排除x、y、z三点是同一点的可能。

声发射检测给出初步建议：在开罐检测中，应重点检查罐底板中心位置。其他信号位置可进行抽检。

对罐底进行清洗打磨，在罐底板中心位置经认真检查后发现3个φ3～φ5大小的腐蚀坑，3个腐蚀坑最大间距62mm。

图9　罐底板缺陷实物图

原因分析：钢板原有的类似于沙眼的缺陷非常微小，躲过了焊接前质检人员的材料检查。由于钢板直接与介质接触，介质中存在氧、氯等成分在孔洞处聚集，浓度升高形成了氧腐蚀等化学腐蚀，造成钢板接近穿孔。

6　总结

1）本文通过试验测算了声波在6种典型介质中的传播速度，验证了典型情况下声速的传播路径和声速。

2）不同性质的缺陷所产生的信号特征参数（幅值、能量、计数）和波形特征有所区分，且有规律可寻，利用这些规律可以为底板缺陷性质和危害程度的判定提供依据。

3）通过小型模拟储罐进行试验研究的一些成果，可以应用于工程实际之中，但更为有效的数据，需要通过大量的实际检测进行积累。

参考文献

［1］戴光，李善春，李伟.储罐的声发射在线检测技术与研究进展［J］.压力容器，2005，03：33-35.

［2］JB 10764—2007 无损检测常压金属储罐声发射检测及评价方法［S］.

［3］沈功田.声发射检测技术及应用［M］.北京：科学出版社，2015.

［4］谭小川，刘丽川，柳明.立式钢制油罐底板的腐蚀机理及防蚀措施［J］.石油化工腐蚀与防护，2004，02：24-26+39.

［5］闫河，沈功田，李光海，等.常压储罐底板特性的声发射检测［J］.压力容器，2008，02：53-57.

中图分类号：X933.4

文献标识码：B

文章编号：1673-257X（2016）02-0032-05

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.02.008

作者简介：丛成龙（1981～）男，硕士，工程师，主要从事承压类特种设备检验检测及研究工作。

收稿日期：（2015-05-08）

Online AE Detection Research and Practice of Atmospheric Storage Tank Bottom

Cong Chenglong
（Zhuhai City，Anyue Technology Co Ltd Zhuhai 519002）

AbstractWith making a small vertical storage tank with artificial defects，simulating the actual working condition，adding six kinds of medium，acoustic signals in different conditions are found by acoustic emission instrument，ultra sonic wave path is determined，the velocities under different medium conditions are confirmed. According to the characteristics of propagation medium，the fitting velocity formulas along medium in different media conditions are given. At the same time，to find the acoustic emission signal produced by different defects，parameter characteristics are analyzed. The result is applied in engineering practice with satisfactory results.

KeywordsAcoustic emission testing Atmospheric storage tank Velocity of sound Characteristic parameters