声发射在线监测在常压油料储罐运行中的应用研究

马晓刚

（中国航空油料有限责任公司吉林省分公司， 吉林 长春 130504）

1 当前金属储罐检测的现状

为了保证储罐的长期安全运行，则必须储罐进行定期检测，声发射在线检测技术作为一种在线无损检测技术，在保障原油储备库和罐区等石油运输设备的安全运行起到了非常积极的作用。由于罐区现场条件的不同，常压储罐罐底板的定期检测方法十分有限。长期以来，只有储罐停用，并将其中的储质排空，然后由相关的检测人员在特定的储罐检测期进入罐内采用常规无损伤的方法对其底板进行检测，例如超声检测、渗透检测、漏磁检测、涡流检测等。而这些方法主要是罐底离线检测技术，目前国内对大型常压金属储罐底板大多采用声发射在线检测的方法[1]。

2 声发射检测技术的基本原理

作为导波的独特性质之一，导波可以通过包含了相速度、群速度、波数等参数的频散曲线来表示，其中相速度和群速度是频散曲线中两个重要的参数和概念。声发射实际是有具有相似频率的一组波形叠加的结果，并且不同的谐波的传播速度称之为波的相速度，而群速度是由不同的谐波叠加得来的。其中波的相速度可以用公式表示为：

式中：cp为相速度；ω为角速度；k为波数。

其中频率十分相同的一组声波的传播速度为群速度。英国著名物理学家瑞利勋爵，经常利用式（1）来讲表示群速度的概念，如果一个静止平面上的一些波，常见的波群速度要远小于其所包含的所有子波速度，而这部分子波将会通过波群持续向前涌动，直至极限才会消失。用公式来表示如下：

式中：Cg为群速度。

下述式（3）可以用来表示简单的波群能量传递和群速度之间的关系。

定义能量密度为：

将公式（4）内的几个周期的时间进行平均，对无损介质：

式（5）表示为平均时间内的能量密度传播速度：

通常所说的群速度就是能量的传播速度。经常会用频谱的方法对群速度和相速度进行研究，将群速度标记在频谱上每个点的斜率座标上，可分三种情况考虑。

1）cp＞cg正常的在波群的后面产生，并且向前移动直至消失。

2）cp＝cg无频散。

3）cp＜cg异常的频散在波群的前面开始，然后不断向后移动直至最后消失。

选择合适的相速度和频率进行检测，在工程应用中显得十分重要。群速度是在相似的频率处所采集到的一组波，群速度即波的传播速度。相对于相速度，两者的不同点在于在频率变化时，群速度沿着每一个模式移动时有着非常剧烈的变动。群速度曲线与相速度曲线相关，且相速度值与相速度频散曲线与其也相关。尽管如此，导波是由纵波、横波等各种基本类型的超声波所组成，并且导波以其群速度向前传播。在特殊的频率点上导波的群速度值较小，并且会相应的提高相速度。

3 声发射方法在储罐检测的实验研究

试验储罐尺寸：直径1.2 m，高度2.2 m，壁厚为0.008 m,储罐材料为Q235。在不同的位置设置不同的缺陷，以便后续进行开罐进行对照。将适量的水放入实验储罐中，如图1位置放置6个声发射传感器，传感器为美国物理声学公司的DP3I，工作频率范围为20～220 kHz。通过设置声发射采集系统，对实验中产生的数据进行采集，并通过运行速度较快的计算机对数据进行后期的分析、记录和显示。

图1 传感器位置图（单位：mm）

模拟储罐内声发射实验步骤如下。

1）将实验储罐的传感器分别进行灵敏度测试，然后在每个传感器旁边断铅，并且对每个传感器进行设置，使其能够接收到的信号最大值超过95 dB，若没有超过，需要重新进行设置。

2）先对1号传感器进行5次及以上的断铅，并将剩余5个传感器所接受的数值进行记录。

3）其次将6号传感器进行5次及以上的断铅，将剩余5个传感器所接受到的数值进行记录，以便对声发射波在罐底的传播速度进行计算[3]。

4）接着向实验储罐中加水，当液位分别达到0.6 m，1.2 m，1.8 m时重复第2）步和第3）步的内容。

5）将实验储罐中声发射波的数据进行分析。

4 实验数据及分析

当1号传感器在实验储罐没水时进行断铅，传感器所接受的数据为表1所示。根据表1的实验数据，我们可以推算出声发射波在金属储罐内的传播速度为：

对上述实验数据分析可得，随着传播时间和传播距离的不断增加，声发射波在金属储罐中的能量值和幅值在不断的衰减。同时，衰减程度也随着时间的不断增加而减小。

表1 金属储罐的实验数据表

5 结论与展望

通过以上的实验中对声发射波在金属结构件中的传播特性进行的研究，能够得到以下几点结论。

1）对金属薄板中声发射波的传播过程观察可得，声发射波的传播轨迹在金属板的表面进行，且衰减率较慢；并且与在金属厚板中声发射波的衰减率相比，由于声发射波在介质内部进行传播，因此声发射波在金属薄板中的衰减率远小于前者。

2）随着角度的变化，声发射波的能量也在发生变化，当声发射波与发射平面恰好处于90°时，声发射波的能量达到最大。

3）与在固体中传播的衰减程度相比，声发射波在液体中传播时的衰减程度要小，但是频率相对较高的信号衰减的速度要远大于频率相对较低的信号。

4）通过对储罐进行的声发射实验，可以发现腐蚀信号在储罐内的液体介质内进行传播。

航空业在国民经济增长中发挥着无可替代的作用，作为保证航空业正常运转的重要保障之一的航空煤油储罐的安全运行成为了较为关键的问题。在这样的情况下，为了实现航空煤油储罐的安全稳定运行，可以将上述试验研究应用到航空煤油储罐的运行状况监测上。

[1]陈健飞,盛华,仇东泉,等.声发射在油田常压储罐检测中的应用[J].内蒙古石油化工，2011，37（19）：28-31.

[2]《电磁场的多尺度变换理论及其应用》出版[J].咸阳师范学院学报，2006（6）：115.

[3]沈功田，张万岭.压力容器无损检测技术综述[J].无损检测，2004（1）：37-40.