本安型立式储罐底板声发射检测系统设计

郭子航 赵翔 刘瑞

摘      要：在简要分析储罐底板声发射检测技术应用优势和存在问题基础上，针对储油洞库、覆土油罐等爆炸危险环境下的油罐底板缺陷检测需求，提出了一种本安型声发射检测系统设计方案，以分布式独立通道检测模块同步采样方案和检测仪防爆设计为重点，阐述了声发射检测单元、数据分析单元等主要组成部分的功能和结构。

关  键  词：本安型;声发射检测;同步采样;模块

中图分类号：TE988             文献标识码： A   文章编号： 1671-0460（2020）08-1723-06

Abstract： The application advantages and deficiencies of acoustic emission testing technology in storage tank floor detection were briefly analyzed. To meet the requirements of oil tank floor defect detection under explosion hazard circumstances such as underground oil storage caverns and buried oil tanks， a design scheme of intrinsically safe acoustic emission detection system for oil tank floor was put forward. Focusing on the synchronous sampling scheme of distributed independent channel detection module and explosion-proof design of detector， the structure and function of main components of the detection system were expounded， including acoustic emission testing unit and data analysis unit.

Key words： Intrinsically safe; Acoustic emission testing; Synchronous sampling; Module

作为石油化工储运系统的核心组成部分之一，储罐发挥着存储原油、成品油、石化产品及原料的作用，被大量地建造和使用。立式钢制储罐具有容量大，存储介质易燃易爆、易挥发、有毒性或腐蚀性等特点，加之其受力条件常年随液位升降而变动，温、湿度等自然环境复杂多变，板材不可避免地会出现腐蚀、劣化、穿孔等缺陷，一旦发生介质渗漏或泄漏，极易引发着火爆炸事故，严重威胁人民生命财产和生态环境安全[1]。

美国石油协会API575-2005《现役常压和低压储罐的检验指南和方法》指出：钢制储罐及其附件等出现缺陷和失效的主要原因在于腐蚀，储罐检测的主要目的是查找腐蚀位置，确定腐蚀程度。储罐的腐蚀可能出现在罐壁、罐顶或罐底等多个部位，其中发生在油罐底板部位的腐蚀缺陷最难发现、危害最大。相关资料一再表明，储罐底板腐蚀是引发储存介质泄漏事故的主要诱因。随着近年来我国在安全生产和环境保护领域立法、监管和问责力度的不断加大，如何安全、高效、准确地检测和评估油罐运行状态，确保工业生产和能源供应安全，受到了广泛关注和深入研究[2]。

1  储罐底板检测技术研究现状

当前国内外对立式常压储罐底板主要采取定期的开罐检测方式，由于此类检测方法需要停工停产、腾空油罐、开罐通风，且缺乏有效的技术手段提前确定罐底状态以支持决策，存在作业成本高、安全风险大等缺点，因此储油状态下的油罐底板检测技术成为国内外学者及工程技术人员致力研究的前沿课题[3-4]。目前常用的储油状态下油罐底板检测方法主要有超声导波罐外检测、罐内机器人检测、声发射检测等，而此类技术在工程上应用，尚需解决众多难题，如灵敏度和准确性、可靠性、多种检测环境适应性、可操控性、防爆安全性等。超声导波技术虽然检测效率高，但由于导波传播距离有限，加上储液对超声能量的吸收，目前的检测能力仅适合检测罐底边缘板;罐内机器人检测由于其可靠性和环境适应性不强，尚未被任何国家列入有关油罐检测的技术规范，国内也未见到相关应用的报道[4]。

声发射（AE）检测是基于材料中局域源能量（塑性形变、裂纹产生和扩展）快速释放产生瞬态弹性波的现象，借助高灵敏度的声波传感器检测物体发射的弹性应力波，并将振动信号转换为电信号进行分析和处理，用以识别物体内部是否存在活性声源[5]。作为一种动态无损检测方法，相比于其他检测技术，利用声发射技术进行油罐底板检测（检测原理参见图1）时，对罐底板的平整度没有任何限制，能够直接检测焊缝、拐角等相对复杂的结构，并提供缺陷随着压力、时间等变化的连续信息。通过提取声发射信號的特征参数，可以判断油罐底板的缺陷状况，为后续维修计划的制定提供科学依据，并且大幅降低检修成本，提高检修效率。

目前国外只有美国物理声学公司（PAC）和德国VALLEN公司推出了能在爆炸危险环境中使用的声发射检测系统[4]。两家公司产品的组成和工作原理基本相同，以VALLEN公司的产品为例，其系统构成如图2所示。

从图2可以看出，VALLEN公司将检测系统所在环境划分成两部分：危险区域和非危险区域，危险区域内只布置传感器和传输线，传统的多通道声发射采集设备放置在非危险区域，检测系统通过信号隔离安全栅为传感器供电。考虑到危险区域到非危险区域有一定距离，传统的传感器信号直接输出远传难以满足需要，VALLEN公司为该系统配置了具有前置放大功能的本安型传感器，以保证危险区域中的检测安全。此类检测系统可较好地应用于地面露天油罐检测，但对于储油洞库和覆土油罐的检测，仍存在以下问题：

1）现场设备展开范围大，设备连接距离长，在有限空间内（罐室）安装与撤收费时费力。

2）检测线缆过长，每个通道线缆需要60～120 m才能将信号传递到安全区域，导致整套检测系统庞大、过重，难于搬动。

3）检测系统的连接端点过多，各单元之间过多的连接不仅带来安全防爆问题和信号噪声问题，频繁的安装与拆卸也容易导致接口部分损坏。

4）本安型传感器信号最长传输距离为200 m。而国内大型储油洞库罐室到洞外非危险区域的平均距离远超这一长度，因此这种声发射检测系统无法满足洞库油罐的检测要求。

储油洞库和覆土油罐罐室和坑道均为1级爆炸危险区域，在此类区域中使用声发射检测设备进行检测时，主要应考虑仪器的电气参数是否达到防爆标准。针对传统的多通道声发射检测系统功耗较大的特点，本文提出了本安型独立通道声发射检测系统的设计思路。为确保时差定位检测准确性，必须保证各独立通道声发射检测仪检测的同步性[6]，因此独立通道声发射检测仪防爆设计和信号采集的同步性实现是本文研究的重点。

2本安型储罐底板声发射检测系统构成

基于爆炸危险场所检测作业安全性、便捷性和准确性的要求，本系统由声发射检测单元、数据分析单元和辅助器材三部分构成，其设备展开如图3所示，可集装为4个包装箱，根据需要组合使用。

2.1  声发射检测单元

声发射检测单元用于油罐罐底缺陷状况的检测，主要包括独立通道声发射检测仪、声发射传感器、高强度磁吸固定机构、同步电缆和附件等现场检测所需设备，可独立实现油罐罐底声发射检测功能，使用CF存储卡存储采集到的检测数据，同时支持与数据分析单元主机间的USB通信功能。本单元作业均在爆炸危险环境下进行。

2.2  数据分析单元

数据分析单元主要由数据处理主机和软件程序组成，可以通过读卡器读取存储卡中保存的现场采集信号数据，也可通过USB接口直接读取声发射检测仪中的数据。通过运行数据分析程序，对检测数据进行管理、分析和显示，分析评估油罐底板状态，形成检测结果。本单元作业均在非爆炸危险场所进行。

2.3  辅助器材

辅助器材主要指接地电阻测试仪，用于检测油罐接地电阻，保证检测作业正常开展。

3  系统主要技术指标

3.1  声发射检测仪配置数量

按照被检油罐最大容量20 000 m?进行设计，其直径一般为40 m，考虑到实际建设中可能出现一些“非标罐”，故确定被测油罐直径不超过42 m。根据JB/T 10764—2007《无损检测常压金属储罐声发射检测及评价方法》规定，对罐底板进行检测时，传感器应沿油罐圆周均匀安装在罐壁靠底部同一高度的位置上，间距不宜大于13 m，建议5 000 m?以下油罐安装4～8个，5000～20 000 m?油罐安装8～12个（参见表1）。一般情况下每间隔10 m设置1台独立通道声发射检测仪，则最多需要12台检测仪同时工作[7]。考虑检测和携带的方便，可将4台独立通道声发射检测仪及与其配套的声发射传感器、高强度磁吸固定机构、同步电缆和附件等设为1组装箱，因此，声发射检测单元配备12台独立通道声发射检测仪及配套设备，分装在3套声发射检测箱内。

3.2  声发射检测单元防爆等级

依据GB 3836.1—2000《爆炸性气体环境用电气设备》有关规定，地面油罐区防火堤内为1级和2级爆炸危险场所，覆土油罐罐室、洞库坑道和罐室均为1级爆炸危险场所，1级爆炸危险场所电气设备可选用本安型（ib）和隔爆型（d），油罐中储存油品以汽油的爆炸危险性最大，属IIA类T3组，根据相关规范，考虑防爆电气设备的结构、重量和操作使用的方便性，确定在检测现场作业的声发射检测仪、传感器等仪表的防爆等级不低于Ex ib IIA T3。

3.3  单罐检测作业时间

单罐声发射检测作业时间包括展开（检测仪布置、传感器测试）时间、测量时间和撤收时间[8]。通常情況下，展开约需3 h左右，测量1～2 h，撤收1 h，故单罐声发射检测时间确定为不大于6 h。当多罐测量时，可以并行操作以缩短时间。

3.4  缺陷状态评估能力

依据JB/T 10764—2007《无损检测常压金属储罐声发射检测及评价方法》，采取声发射源的时差定位分析和分级方法，评估油罐底板腐蚀状态等级，并提出相应的维修处理建议。

3.5  自然环境适应性

检测仪器的工作环境除地面油罐在露天外，覆土油罐和洞库油罐均在油罐罐室内，检测作业可依据自然环境择机进行。因此，装置的环境适应性主要考虑装置自身的工作温度、湿度、防尘和防水要求，确定本装置的防护等级为IP54，工作温度为5～35 ℃，湿度为5%～80%。

4  声发射检测单元总体设计

4.1  声发射检测仪

基于DSP嵌入式系统设计声发射检测仪，实现同步采集和本安型防爆功能。检测仪以1 MHz频率进行连续采样，但只保存超过预设阈值的声波信号。

4.1.1  检测仪同步采样解决方案

声发射检测仪的采样率为1 Msps，并以1MHz频率进行实时采样。考虑到洞库和覆土油罐罐室内难以接收GPS信号，无线通信手段在爆炸危险环境下受到严格限制的实际特点，本文采取有线通信方式实现分布式采集模块同步采样。如图4所示，系统中每台声发射检测仪都内置有频率为1 MHz的晶体振荡器，检测过程中，可设置任意1台检测仪为主设备，只有主设备才能向同步电缆输出1 MHz的时钟信号，所有声发射检测仪共用一个1 MHz采集时钟，主、从设备A/D采样时钟都从同步电缆获取，同时1 MHz同步信号还用来协助各声发射检测仪的系统计时，保证各检测仪计时的一致性。此方案同步误差可控制在数十微秒，可满足声发射源的时差定位要求[6]。

4.1.2  检测仪硬件设计

声发射检测仪的基本电路结构如图5所示，主要由信号预处理模块、数据处理及A/D转换模块、电池及供电保护模块、人机交互界面模块和USB通信模块5个部分组成。

1）信号预处理模块

主要包括放大电路和滤波电路，其中前置放大增益为26 dB，可程控选择启用/禁用;信号滤波频带宽度为3～100 kHz。

2）数据处理及A/D转换模块

采用数字信号处理器作为核心控制器，DSP型号采用TMS320VC5509A音频专用处理器。A/D转换模块选用高精度高可靠性芯片AD7622，单通道采样率为1 Msps，采样精度为16位。

3）电池及供电保护模块

内置锂电池组选用福州福瑞特电子有限公司生产的IAFB186502S01型防爆电池，其标称电压7.4 V，标称容量2 200 mA，最大持续放电电流1 000 mA，可通过稳压电路输出3.3 V工作电压，并设计有充电电路，充满电后可支持检测仪器单次连续工作2 h以上。

采用电源保护板实现限流、限压等输出保护功能，可达到本安防爆要求（详见本文4.1.4节）。

4）人机交互界面模块

检测仪提供LED显示器和按键作为人机交互界面，方便用户操作。

a.输出：采用4位数码管显示数值或字母，能显示清楚当前设备工作状态（包括主/从机模式、采集/休息模式、当前1 s所采集信号最高dB值、采集时间、故障类型等），其中第1位显示模式类型，第2-4位显示具体数据。

b.输入：设置3个按键，第1个选择模式，第2个选择参数，第3个启停，能完成下列基本任务：选择主/从机模式，设置工作参数，启动/停止/暂停采集等。

c.开关：单设电源开关按钮。

5）USB通信模块

数字信号处理器TMS320VC5509A含有全速USB2.0接口，采用Cypress公司生产的CY7C68013单片机实现高速USB2.0通信接口。

4.1.3  检测仪固化程序

声发射检测仪固化程序由主控程序、数据采集存储程序和通信程序三部分构成。主控程序能接收按键输入，按要求完成检测仪的初始化，采样频率、采样长度、电压阈值、撞击闭锁时间等参数的设置，启停采集任务，并在仪器故障或数据溢出时提供显示告警。数据采集存储程序在同步采集时钟作用下，采集超过预置阈值的声发射信号，采集过程中显示当前1s最强信号的dB值，并通过小波分析和FFT等算法，对信号进行降噪和波形参数提取，之后分帧保存在CF存储卡中，同时保存采样时间信息。通信程序通过USB接口实现与数据处理单元主机的数据联通。

4.1.4  检测仪防爆设计

1）电池模块防爆设计

电池模块包含由2个18 650聚合物锂离子电芯构成的锂电池组，单个电芯标称电压3.7 V，总体电压7.4 V，过充电状态下最高电压Umax=8.55 V。聚合物锂离子电芯在发生过热故障时会膨胀而不爆炸。电池组通过防爆保护控制电路（以下简称保护板）向主电路板供电。保护板使用多重保护电路。

串联1 A保险丝限制持续输出电流，保险丝浇封厚度1 mm，满足本安型防爆要求。

c.DC-DC变换器输出端：分别并联2个3 W （5.6±5%）V稳压二极管进行电压限制，防止因DC-DC故障导致输出过高电压。

2）主电路板防爆设计

电路板按照GB3836.4—2010提供的点燃曲线和数据表[9]进行防爆设计。

主电路板电路总电容约160 μF，总电感约674 μH，电路最大功率2 W，电池组最高电压8.55 V，根据上述规范，IIA类设备安全系数取1.5，在8.55 V下最大允许电容取1 000μF，电路总电容满足本安型防爆要求。

IIA类设备在24 V电压下700 μH电感最小点燃电流为0.8 A，取1.5倍安全系数为0.53 A，检测仪的最大工作电流为0.23 A，满足本安型防爆要求。

晶体振荡器电压3.3 V，时钟频率1 MHz，最大工作电流为20 mA，在输出端串联5.1 Ω电阻限制其输出能量。

主电路板刷三防漆，以提高绝缘效能。

4.2  声发射传感器

传感器选用声华兴业公司生产的的SR40M型声发射传感器（参见图6），并采取设计加装钢制隔爆外壳的方法使其满足防爆性能要求。传感器参数详见表2。

5  数据分析单元总体设计

数据分析单元在非危险场所工作，主要实现以下功能：

1）检测工程管理

为每个油库建立检测工程，对被检油罐的基本参数、检测数据、检测结果进行综合管理。

2）声发射检测评估

读取、收集和汇总各声发射检测仪采集的检测数据，进行波形、特征参数和源定位分析，并采用SVM分级和时差定位相结合的综合评价方法，评估油罐底板声发射源活动度[10]。

3）检测报告生成

根据JB/T 10764—2007.《无损检测常压金属储罐声发射检测及评价方法》规定的要素内容，生成《声发射检测报告》， 报告上载明油罐底板腐蚀状态等级和维修处理建议（详见表3），同时可根据用户需要生成波形和特征参数图表文档，以便进行进一步的分析研究。

针对上述功能要求，本系统采用MATLAB和C混合編程开发基于windows10操作系统的数据分析程序，主要包括3大功能模块：用户登录模块、数据分析模块和文档生成模块，其中数据分析模块内含信号定位分析、波形分析、特征参数分析等3个子模块（详见图7），用以向用户展示罐底板二维平面上的声发射事件定位图，各通道检测信号的时域、频域波形图，上升时间、振铃计数、能量计数、持续时间、幅值等参数随时间变化历程图，以及各类参数相关关系图等，以便用户进行分析[10，11]。

6  结束语

本文设计的本安型油罐底板检测系统在充分借鉴吸收国内外研究成果的基础上，创造性地提出了独立通道分布采集模块同步采样解决方案，并且有针对性地进行了防爆设计，能够满足地面露天油罐、洞库和覆土油罐等多种应用场景检测需求，在技术上属于国内外首创，具有系统集成度高、检测安全高效、作业成本低等优势，应用前景十分广阔。

参考文献：

[1]赵彦修，陈彦泽，李永清等. 钢制立式大型储罐完整性评价和在用检测检验技术[J]. 石油化工设备， 2014，43（1）： 76-80.

[2]杨金林，刘丽川，何旺等. 立式常压储罐底板检测技术及实施路线建议[J]. 无损检测，2013，35（5）：15-19.

[3]白晟，杨剑锋，刘文彬等.基于声发射检测的罐底腐蚀安全评估[J]. 当代化工，2013，42（12）：1681-1683.

[4]陈家川，税爱社，刘丽川. 储油罐底板的无损检测技术[J]. 中国储运， 2012.5： 124-125.

[5]李孟源，尚振东，蔡海潮等. 声发射检测及信号处理[M]. 北京：科学出版社，2010

[6]张法全，李宗敏，王国富等. 分布式多通道同步采集系统设计[J]. 电视技术，2015，39（23）： 35-39.

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

[8]李霞，梁元杰，李子彬等. 声发射检测技术用于管道和储罐检测的实验研究[J]. 重庆科技学院学报， 2015，17（6）：73-76.

[9]GB 3836.4—2010. 爆炸性气体环境用电气设备[S].

[10]耿荣生，沈功田，刘时风. 声发射信号处理和分析技术[J]. 无损检测， 2002，24（1）：23-28.

[11]许中林，李国禄，董天顺等. 声发射信号分析与处理方法研究进展[J]. 材料导报， 2014，28（5）：56-73.