大型原油储罐声发射检测标定定位的可靠性研究*

程 伟郭雅迪李 健蒋金玉刘 洋

(1.中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州 221008；2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580；3.合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

大型原油储罐是国家战略原油储备库和炼油企业最重要的储运设备，储存容积大，假如失效泄漏后果严重，因此其运行安全十分重要。通过检测来发现和解决大型原油储罐存在的问题[1-5]，从而保障大型原油储罐的安全运行。由于大型原油储罐开罐检维修周期长、费用高[6]，在正常检维修之前有些问题很难被发现，而利用在线监测技术对其进行检测，能在不停工开罐的情况下发现油罐存在的腐蚀等安全问题[7-8]。

声发射检测是目前大型原油储罐主流的在线检测方法。声发射(acoustic emission，简称AE)是材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象，利用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术[9]。储罐在线声发射检测[10-13]，是通过安装在罐壁下部的声发射传感器，来探测罐底板腐蚀和泄漏产生的声发射信号，并对检测结果进行综合等级划分，以此来评价罐底板的腐蚀状况，为合理安排开罐检修计划和实施储罐完整性评价提供依据。如何提高声源的定位准确率、最大限度地减少漏定位和伪定位，是声发射检测与结果评定的关键[14-15]。利用声发射检测技术对大型原油储罐罐底板进行在线检测，研究了声发射检测标定定位准确率及其影响因素，并将声发射检测结果与开罐检查情况进行比对，验证了声发射检测定位的可靠性，为声发射检测技术在大型原油储罐进行应用提供参考。

1 声发射检测

1.1 检测储罐概况

此次进行在线声发射检测的5台10×104m3大型双盘式外浮顶原油储罐，均依据GB 50341—2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》设计，按GB 50128—2005《立式圆筒形焊接油罐施工及验收规范》进行施工。这5台储罐在底层罐壁板均匀布置3个搅拌器，罐内未安装加热器和旋转喷射器。5台无保温储罐基本情况见表1。

5台大型原油储罐的防腐蚀措施完全一样，罐底板上表面安装铝镁合金阳极块，下表面设置外加电流进行阴极保护。自投用以来5台大型原油储罐均运行正常，未进行开罐检查。

1.2 检测标准与试验仪器

检测标准：JB/T 10764—2007《无损检测-常压金属储罐声发射检测及其评价方法》。

试验仪器：国外某公司Mirco-Ⅱ Express声发射检测仪(24通道)。传感器：罐底板专用传感器。耦合剂：黄油。固定方式：磁夹具。模拟源：0.3 H铅芯。

表1 大型原油储罐基本情况

1.3 试验条件与步骤

1.3.1 试验条件

大型原油储罐声发射检测应具备以下条件：(1)储罐液位达到最高操作液位的80%；(2)关闭进出口阀门及雷达液位计等其他干扰源；(3)在满足条件(1)和(2)的基础上，静置24 h以上。

1.3.2 试验步骤

(1)对储罐周围环境进行检查，确保周围无外界干扰源；(2)沿罐壁板距边缘板往上500 mm处均匀布置24个传感器；(3)通道灵敏度检测要求每个通道响应的幅度值与平均值之差应不大于4 dB；(4)对每个传感器进行采集前标定；(5)对储罐进行在线声发射检测，检测时间不少于2 h；(6)再次进行通道灵敏度检测；(7)对每个传感器进行采集后标定；(8)在线声发射检测结束。

2 声发射检测标定定位

2.1 标定定位的准确率

标定定位是大型原油储罐声发射检测的第一步，标定定位是否准确，直接关系到声发射检测信号定位的准确性。对5台大型原油储罐进行采集前和采集后标定定位，检测频率为20～100 kHz，门槛值60 dB，模拟源0.3 H铅芯。T01传感器布置见图1。T01罐采集前标定定位图见图2。由图2可以看出：1号、5号、10号探头标定信号略微飘移，11号探头标定信号飘移较多(见图2蓝色圆圈)，其余20个探头标定信号定位准确，也就是说,除10号探头标定定位有偏差以外，其余23个探头标定信号定位基本准确，此处称之为合格标定。

图1 T01罐传感器布置示意

图2 T01罐采集前标定定位

采用同样方法，对T02，T03，T04和T05罐采集前和采集后标定定位图进行分析和统计，结果见表2。由表2可以看出：标定定位准确率最低为75.00%，最高为95.83%，平均标定定位准确率为87.92%。

表2 标定定位准确率统计

2.2 标定定位的影响因素分析

传感器安装在底层罐壁板上，而在底层罐壁板上有几个接管，包括进出料接管、搅拌器接管和人孔等。为了研究这些接管对声发射检测定位的影响，对T01和T02罐进行声发射检测标定定位试验，检测频率20～100 kHz，门槛值60 dB，模拟源0.3 H铅芯。

在T01罐1号、11号、16号、18号和19号传感器旁进行断铅，其定位图见图3。

图3 T01罐标定试验定位

由图3可以看出：在11号和18号传感器旁进行断铅，定位图上不仅在11号和18号传感器附近出现了断铅信号，而且还在8号和23号传感器附近出现了回声信号,见图3中红色圆圈。

在T02罐1号、14号、15号、19号、20号和23号传感器旁进行断铅，其定位图见图4。由图4可以看出：在1号、14号、19号和20号传感器旁进行断铅，定位图上不仅在1号、14号、19号和20号传感器附近出现了断铅信号，而且还在13号、2号、7号和8号传感器附近出现了回声信号,见图4中红色圆圈。

图4 T02罐标定试验定位

将T01和T02罐试验数据进行汇总，见表3。

表3 T01/T02罐定位试验结果

由表3可以看出：(1)T01罐1号和16号传感器、T02罐1号传感器周围无接管，处于无干扰位置，在这3个传感器旁断铅，断铅信号均准确定位，但T02罐定位图上13号传感器附近出现了1号传感器旁断铅的回声信号。(2)T01罐11号、18号和19号，T02罐14号、15号、19号、20号和23号传感器周围均有大尺寸接管，处于受干扰位置，在这8个传感器旁断铅，定位图上均出现了准确的断铅定位信号，但也出现了5处回声信号。(3)在T01和T02罐共计11个断铅事件中，出现了6处回声信号，不同之处在于：T02罐的回声信号与真实断铅信号处在对称位置，而T01罐的回声信号并非处在真实断铅信号的对称位置，比如11号传感器旁断铅信号的回声信号出现在1号传感器旁，而11号传感器的对称位置是23号传感器。

由表3还可以看出：与处于无干扰位置的传感器相比较，处于大尺寸接管附近传感器标定时出现回声信号的概率较大，大尺寸接管对声发射检测定位有影响。

2.3 标定回声信号分析

对T01罐和T02罐标定试验时回声信号数据进行汇总，统计情况见表4。由表4可以看出：(1)标定件的回声信号不一定会在其完全对称位置出现，也有可能略微偏移；(2)T02罐1号、14号、19号和20号探头标定回声信号均出现在对称位置，回声信号源幅值分别为64,65,66和62 dB，相对标定信号源幅值99 dB，回声信号源幅值有所下降。取4个回声信号源幅值的平均值64.25 dB来计算标定信号在原油中的衰减程度：

(99-64.25)dB/80 m=0.434 dB/m。

也就是说，断铅信号在原油中的衰减速率为0.434 dB/m。

表4 T01/T02罐回声信号统计

3 声发射检测标定定位可靠性研究

标定定位准确性高是大型原油储罐声发射检测定位可靠性高的前提条件。大型原油储罐声发射检测标定定位分析结果显示：标定定位准确率最低为75.00%，最高为95.83%，平均为87.92%，标定定位基本准确,仍需进一步验证声发射检测定位的可靠性。

3.1 声发射检测结果

T01到T05罐声发射检测结果，见表5。由表5可以看出，T03罐罐底板腐蚀状态等级最低(Ⅰ级)；T02罐罐底板腐蚀状态等级最高(Ⅲ级)。

3.2 声发射检测标定定位可靠性

2018年，先后对T01,T03和T04罐进行开罐检查，将开罐检查结果和声发射检测结果进行对比，对比结果如下：

(1)T01罐三维定位图和平面定位图见图5和图6。由图5和图6可以看出：声发射检测信号主要集中在平面定位图上的1，2和3处，尤其位置2事件数较多。

开罐宏观检查发现：T01罐罐底板上表面防腐涂层基本完好，阳极块溶解很少，在位置1,2,3,4和5处发现罐底板上表面防腐涂层出现鼓包和局部破损。

图5 T01罐三维定位

图6 T01罐平面定位

(2)T03罐三维定位图和平面定位图见图7和图8。由图7和图8可以看出：声发射检测信号主要集中在平面定位图上的6,7,8,9和10处。

开罐宏观检查发现：T03罐罐底边缘处阳极块溶解较多，中幅板阳极块溶解较少；罐底板防腐涂层状况较好，在位置6,7,8,9和10处发现罐底板上表面防腐涂层出现鼓包和局部破损。

图7 T03罐三维定位

图8 T03罐平面定位

(3)T04罐三维定位图和平面定位见图9和图10。由图9和图10可以看出：声发射检测信号主要集中在平面定位图上的位置11,12,13和14处。

图9 T04罐三维定位

图10 T04罐平面定位

开罐宏观检查发现：T04罐罐底板阳极块溶解较少，罐底板防腐涂层状况较好，在位置11,12,13,14,15和16处发现罐底板上表面防腐涂层出现鼓包和局部破损，罐底板未见明显腐蚀。

结合T01,T03和T04罐声发射检测结果与开罐检查情况，可以认为：(1)罐底板声发射检测信号集中区域，均发现防腐涂层鼓包和破损；(2)防腐涂层鼓包和破损区域，未必都会有声发射检测信号，这可能是由于声发射检测信号偏移所致；(3)T01,T03和T04罐声发射检测罐底板腐蚀状态为Ⅱ级，腐蚀状况为少量腐蚀，开罐检查发现罐底板腐蚀状况与声发射检测所得腐蚀状况基本吻合，仅罐底板上表面防腐层出现局部鼓包和破损，未见腐蚀坑。

4 结 论

(1)声发射检测标定定位准确率最低为75.00%，最高为95.83%，平均标定定位准确率为87.92%。探头附近接管对声发射检测标定定位有影响。

(2)对T01罐和T02罐标定试验时的回声信号数据进行汇总，发现标定事件的回声信号不一定会在其完全对称位置出现，也有可能略微偏移；与标定信号源幅值相比较，回声信号源幅值有所下降；取4个回声信号源幅值的平均值64.25 dB来计算标定信号在原油中的衰减程度，得出断铅信号在原油中的衰减速率为0.434 dB/m。

(3)将T01罐、T03罐和T04罐开罐检查结果与声发射检测结果进行比较，发现声发射检测信号集中区域，均发现了可以产生信号源的腐蚀现象，验证了声发射检测定位的可靠性。