常压储罐底板泄漏的声发射检测信号特征

摘   要： 检验单位通过声发射检测信号特征的研究准确地判断出常压储罐底板泄漏等缺陷的性质及位置，能够更有针对性地指导使用单位对常压储罐进行维修。建造了一台模拟泄漏常压储罐，在模拟工况下，探讨泄漏信号对特征参数——参考有效电压（RMS）和平均电平信号（ASL）的影响。研究发现：连续信号持续时间比突发信号持续时间长，可据此将泄漏信号与腐蚀信号区分开来;泄漏信号与噪声信号的RMS值区分度不大;ASL≥15 dB可以作为有效地区分泄漏信号与噪声信号的依据值。经验证，采用ASL≥15 dB结合定位信号和聚类分析的方法对常压储罐底板泄漏情况进行检测，具有操作简便、准确等优势，在2018-2020年常压储罐底板声发射检测中得到了有效应用。

关键词： 声发射检测信号特征;常压储罐;泄漏;参考有效电压（RMS）;平均电平信号（ASL）

中图分类号：TE88    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 05-118-07

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.022

引言

长期以来，大型储罐，尤其是常压储罐的制造和检验一直未被纳入强制管理的范畴，相关的标准和规范也比较少，很多常压储罐超期服役或长期连续运转，未得到有效的安全检测，运行安全无法从根本上得到保障。近年来，与常压储罐相关的重特大事故频发，引起了广泛的重视，港口、化工园区常压储罐的检验工作正逐步推进。

在常压储罐检验技术方面，检验机构缺乏高效可靠的检测手段，往往只能做外观检查、厚度测定等工作，检测项目少、效率低、缺陷检出率低，在储罐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，如储罐底板泄漏、腐蚀检测与评价等技术没有很好地得到实施和应用，致使事故隐患不能被及时地预报。

储罐事故不仅危害生产和人身安全，还会造成严重的环境污染。结合储罐使用现状及现有检验技术，对大型储罐开展有针对性的检验技术研究，十分必要。

因此，在实验室自建了一个模拟常压储罐底板泄漏的平台，主要研究储罐底板泄漏乃至腐蚀时的声发射检测信号特征。本文首先分析检测信号特征，得到有效地区分泄漏信号;接着与噪聲信号进行比较，以得到是否泄露的判断依据值。本文可有针对性地指导使用单位对常压储罐进行维修。

1  常压储罐声发射检测泄漏的基本原理

声发射检测泄漏的基本原理是：当储罐底板泄漏时，声发射的弹性波经液体传播到达储罐壁的表面，引起罐壁的声发射传感器产生表面位移，这些传感器将机械振动转换为电信号，电信号经过前置放大器、信号采集处理系统、记录与显示系统被放大、处理和显示。

此次模拟声发射检测泄漏研究重点：通过泄漏信号特征找到判定储罐底板是否有泄漏的依据值，以及确定声发射源的部位。而在实际的检测应用中，对于有泄漏时的声发射检测信号，可通过目视检测、便携式单通道系统的逐点检测和对泄漏点进行多点测试来验证。对于因结构原因不能逐点检测的，要开罐结合超声、磁粉、渗透等其他无损检测方法进行局部复验，以精确确定缺陷的性质与大小。

根据GB/T 33643-2017[1]，判断储罐是否泄漏的依据主要参考有效电压（RMS）和平均电平信号（ASL）两个特征参数，它们都适用于对连续型信号活动性的评价，具有测量简便、不受门限影响等优势，对幅度动态范围要求高而时间分辨率要求不高的连续信号尤为有用。RMS和ASL的计算公式为[2]

Preamp Gain—探头前置放大器的增益值。

2  模拟泄漏常压储罐声发射试验

储罐材质为Q235B，容积为3.16 m3，规格为∮2 000 mm×1 000 mm，结构形式为固定顶，无保温，盛装介质为水，出厂液压试验压力为0.6 MPa。为研究泄漏时的声发射检测信号，在储罐的底部人为地开设了8个带阀门的模拟用泄漏孔，同时在储罐底板上预埋了数条位置已知的人为焊接缺陷。试验现场如图1所示，具体泄漏孔的位置如图2所示。

3  试验检测方案

3.1  声发射检测参数

检测仪器：SAMOS PCI-8 48通道声发射检查系统;传感器信号：R3I-AST;检测频率：20 kHz ～100 kHz;增益：40 dB;门槛电平：40 dB;检测参考标准：JB/T 10764-2007[3]。

3.2  传感器布置

如图2所示，在储罐壁板上距离底板上方300 mm处沿周向均布6个传感器。正北方向为1号探头方向。

3.3  检验流程

（1）将储罐内加至满液位，稳定保持该液位静置2 h以上，同时切断与储罐相连的进出口阀门，排除干扰外部因素，以降低环境背景噪声。

（2）如图2所示布置传感器，对各个通道进行模拟源声发射幅度值灵敏度校准，每个通道的幅度值与所有通道的平均幅度值之差不应大于±4 dB。

（3）测量声速，即根据传感器间距和时差计算声速。

（4）背景噪声测试，设置门槛值。

（5）运行声发射检测仪，检测时通过人为地打开、关闭指定的模拟泄漏阀门，按不同的泄漏量记录声发射检测信号，检测结束后，再次按步骤（2）对各个通道进行灵敏度校准。

（6）检测结束后，提取出有用的参数进行分析，观察泄漏信号的特征和规律。

试验得到L3和L4阀门在泄漏量为1.2 L/min时的二维、三维定位图，如图3和图4所示。

4  检测结果分析

从L1～L8阀门的模拟泄漏声发射检测信号波形图可以看出，该信号为连续信号（图5）。根据定位信号和聚类分析可得L1～L8阀门的声发射信号定位图（例如图3、4），与设计图纸比对可以得出连续泄漏的声发射检测信号在该试验中的时差定位精度并不高，对于叠加突发型声发射检测信号而言，该方法可提供参考[1]。目前已有学者对泄漏引起的连续声发射检测信号提出了更准确的方法，如幅度衰减测量区域定位方法、互相关式定位方法等[4]。此次试验更注重于分析泄漏信号的特征，对定位准确性的研究将在后续试验中进行。

为了区别底板腐蚀和泄漏引起的声发射检测信号，通过应用能量—持续时间和计数—持续时间关联图对声发射检测信号特征进行进一步分析，比对连续信号（泄漏信号，图6）和突发信号（腐蚀信号，图7）的特征。不难发现，在两个关联图中，储罐底板的连续信号持续时间都比对应的突发信号持续时间长得多。据此，为了研究泄漏信号的声发射特性，可以在数据处理时将底板腐蚀引起的声发射检测信号屏蔽。

通过大量试验数据可以得到噪声信号的RMS值≤0.000 4 V，泄漏信号稳定时的RMS≥0.000 6 V，如图8所示。以上数值在用于区分噪声信号和泄漏信号时区分度不大。经过式（2）理论換算得知，噪声信号的ASL≤12 dB，泄漏信号的ASL≥15 dB。

在L3、L4两个阀门分别开启后，模拟泄漏量为1.2 L/min时的RMS值，并随机抽查任意时间点的ASL值，如图9所示。泄漏信号的ASL值集中在20 dB以上，而对应的采集前背景噪声的ASL值集中在15 dB以下，从而得出ASL≥15 dB为可以作为有效地区分真实泄漏信号与背景噪声信号的依据值[5]。而结合实际采集的RMS值和式（1）可以分析出，RMS值是用电压这一物理量表示泄漏的，其值对应的泄漏信号与背景噪声在数值上区分度不大。因此在以后的储罐检测中，使用ASL数值结合定位信号和聚类分析的方法来判断是否有泄漏更为直观。

其次，结合试验数据可进一步得出通过ASL值来判断是否有泄漏更具可靠性。靠近泄漏源处的ASL值高于远离泄漏源处的信号电平。如图9所示，通道3和通道4附近的ASL值总体上高于其他通道，但由于储罐的底板尺寸较小，L3、L4探头与毗邻探头的ASL值区分度不大，据此，将ASL测量值最高处的位置确定为泄漏点。而在不同时段的实际检测中，若不止一个探头位置的ASL值较大，就要结合单通道系统的逐点检测，通过泄漏点进行多点测试，进一步确认泄漏的位置。

5  应用

如表1所示，通过2018-2020年对常压储罐底板声发射检测的应用，在排除了现场背景噪声和腐蚀声发射检测信号（突发信号）等影响后，我们进一步确认，ASL≥15 dB结合定位信号和聚类分析这一依据能够比较快速地帮助检验人员在现场判断储罐是否存在泄漏的情况。结合分析信号的特征，可开展进一步的验证性检验（如延长现场声发射检测的时间、开罐目视、采用超声等其他无损检测方法进行局部复检），以更为准确地定位泄漏点。

6  结论与展望

本文使用多通道声发射检测系统，在储罐壁上布置探头阵列，对储罐底板多个部位进行了检测。主要结论有：

（1）由于模拟泄漏储罐底板尺寸的限制，靠近泄漏源处探头的ASL值区分度不明显，但是明显高于远离泄漏源处的ASL值。在实际应用中，可通过增加采集时间进行聚类分析，根据各个通道的信号电平水平，将ASL最高测量值出现次数最多的通道传感器所覆盖的区域确定为泄漏点所在区域。

（2）经过大量试验数据得出，对于一般的常压储罐底板，可以以ASL值≥15 dB为发生泄漏的依据值[5]。经验证，该依据值结合定位信号和聚类分析的方法判断常压储罐是否泄漏的操作简便、有效。

同时，试验发现声发射检测方法在进行时差定位时，定位准确度不足，需要额外的方法进行进一步的复验，以缩小泄漏定位的范围。

参考文献

[1] 无损检测 声发射泄漏检测方法： GB/T 33643-2017[S].

[2] 杨晶， 李录平， 高倩霞， 等. 基于声发射检测的阀门内泄漏率定量诊断技术[J]. 动力工程学报， 2013， 33（6）： 455-460.

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

[4] 沈功田. 声发射检测技术及应用[M]. 北京： 科学出版社， 2015.

[5] 孔德连， 霍臻， 杨元庆. 声发射技术在阀门泄漏在线监测方面的应用[D]. 北京： 北京化工大学， 2010.

作者简介：

吴铮（1987—），通信作者，男，汉族，工程师，大型储罐检验实验室负责人，学士，主要从事压力容器的制造、在用检验和大型常压储罐的安全评估。

E-mail： 271496598@qq.com

（收稿日期：2020-08-12）