大型立式儲罐在線聲發(fā)射檢測與安全性評估

1 引言 大型立式金屬儲罐具有容積大，分布集中，儲存易燃、易爆、有毒介質(zhì)等特點，一旦發(fā)生泄漏或爆炸事故往往造成災(zāi)難性后果及嚴重的環(huán)境污染，給社會經(jīng)濟、生產(chǎn)和人民生活帶來巨大損失和危害。 隨著世界石油工業(yè)的迅速增長和能源需求的不斷增加，原油和成品油的儲備受到了各國的普遍關(guān)注，對各類油庫儲備能力的要求也越來越高，因而各類儲罐的數(shù)量劇增。目前，10萬m3儲罐已成為我國石油化工行業(yè)原油儲罐建設(shè)的主要結(jié)構(gòu)。由于各種原因，常壓立式儲罐事故頻繁，經(jīng)濟損失巨大。儲罐事故的主要原因是腐蝕和泄漏引起，外腐蝕主要是油罐底板外壁的土壤腐蝕和潮濕的大氣腐蝕；內(nèi)腐蝕主要為罐底、罐壁、罐頂腐蝕，在上述腐蝕狀態(tài)中，最難以處理的是罐底板的腐蝕。 解決罐底腐蝕問題、防止泄漏事故的手段有兩種：一是在儲罐建造期間加強防腐措施，防患于未然；二是使用期間加強監(jiān)測、監(jiān)控，提早發(fā)現(xiàn)問題，安排檢修計劃。對于第二種手段，長期以來，我國主要國石油化工行業(yè)原油儲罐建設(shè)的主要結(jié)構(gòu)。由于各種原因，常壓立式儲罐事故頻繁，經(jīng)濟損失巨大。儲罐事故的主要原因是腐蝕和泄漏引起，外腐蝕主要是油罐底板外壁的土壤腐蝕和潮濕的大氣腐蝕；內(nèi)腐蝕主要為罐底、罐壁、罐頂腐蝕，在上述腐蝕狀態(tài)中，最難以處理的是罐底板的腐蝕。 解決罐底腐蝕問題、防止泄漏事故的手段有兩種：一是在儲罐建造期間加強防腐措施，防患于未然；二是使用期間加強監(jiān)測、監(jiān)控，提早發(fā)現(xiàn)問題，安排檢修計劃。對于第二種手段，長期以來，我國主要采取定期開罐檢查的方法評價儲罐的強度和安全性，這種方法需要停工、倒罐、清罐和置換后才能檢測，費時費力，檢測費用高，且可能引起一定的環(huán)境污染。由于生產(chǎn)需要等原因，許多儲罐不能得到及時檢查。此外定期開罐普查時僅發(fā)現(xiàn)少量儲罐存在問題，造成大量浪費。 20世紀80年代國外開始采用聲發(fā)射技術(shù)對大型常壓地面儲罐進行在線檢測研究和應(yīng)用，近年來國內(nèi)也對泄漏源的聲發(fā)射檢測機理及現(xiàn)場應(yīng)用進行了研究。主要是利用載荷變化時，泄漏產(chǎn)生的湍流流動噪聲，腐蝕減薄區(qū)產(chǎn)生一定的變形或由此引起的腐蝕層脫落與開裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，對罐底是否存在泄漏源(或潛在泄漏源— —局部或均勻腐蝕)做出判斷，并確定其位置，從而對罐底的整體腐蝕狀態(tài)做出實時初步判斷，結(jié)合罐壁或罐頂?shù)木植砍暡y厚結(jié)果，最終對儲罐的完整性做出綜合的安全性評估。 我國的儲油設(shè)施以地面油罐為主，且以金屬結(jié)構(gòu)居多。因此，本文主要介紹大型立式金屬儲罐在線聲發(fā)射檢測與安全性評估技術(shù)。 2 儲罐概況 2．1 金屬儲罐的分類 儲油罐按其所處位置可分為地上油罐、半地上油罐和地下油罐；按罐內(nèi)所裝油品可分為原油罐、燃料油罐、潤滑油罐；按用途則可分為生產(chǎn)油罐和存儲油罐。金屬油罐分為臥式油罐和立式油罐，其中立式油罐絕大多數(shù)為圓筒形，主要由罐底、罐壁、罐頂構(gòu)成。按罐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)又可分為無力矩頂油罐、拱頂油罐、錐頂油罐、浮頂油罐和內(nèi)浮頂油罐等。目前，拱頂油罐及浮頂油罐應(yīng)用最為廣泛，按罐容量有大型和小型之分，所謂大型油罐是指公稱容積100～30000 m3平底、固定頂和1000—10000 m3的浮頂油罐。小型油罐大多是公稱容積小于100 m3的油罐，一般為臥式油罐_8 J。我國常用的立式儲油罐的直徑為8000～80000 mm；容積為500～1000 m3。 2．2 立式金屬儲罐的結(jié)構(gòu) 分布在我國中石化、中石油企業(yè)的立式儲罐主要為拱頂和浮頂兩種。罐底由多塊薄鋼板(即中幅板和邊緣板)拼裝而成，其中邊緣板分為條型板和弓型板，主要依據(jù)儲罐的直徑、儲量及與底板相焊接的第一節(jié)壁板的材質(zhì)而定。焊接型式為搭接拼焊或?qū)雍?由日本引進的均采用對接焊縫)。儲罐的附件有進出接合管、排污孔和清掃孔、加熱裝置等。 3 模擬立式儲罐罐底泄漏、腐蝕試驗 3．1 試驗概況 試驗系統(tǒng)如圖1所示。主要包括模擬立式儲罐和聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。 3．2 試驗結(jié)果 通過對模擬立式儲罐泄漏、腐蝕坑的聲發(fā)射檢測試驗可知，罐底泄漏和液位變化的情況下腐蝕坑確實可以產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號，并可形成聲發(fā)射定位源集團。用來評價泄漏和腐蝕坑嚴重程度的聲發(fā)射信號，以泄漏和腐蝕坑變形中產(chǎn)生的聲發(fā)射定位源信號為主。聲發(fā)射信號特征參量主要有：幅度、計數(shù)、能量、持續(xù)時間和上升時間。分析聲源信號的特征參量的取值范圍及變化趨勢，可以為常壓立式儲罐聲發(fā)射在線檢測技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)，對現(xiàn)場立式儲罐聲發(fā)射檢測中儀器參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)分析具有一定的指導(dǎo)作用。模擬立式儲罐泄漏、腐蝕底板的聲發(fā)射檢測定位圖見圖3。 3．3 應(yīng)注意的問題 (1)聲速的設(shè)置 模擬儲罐在空罐和注水后，參數(shù)中聲速設(shè)置是不同的。因為聲源所發(fā)出的應(yīng)力波在罐中傳播途徑很復(fù)雜，這就決定了儲罐中有無介質(zhì)以及介質(zhì)的種類，甚至介質(zhì)的液位高度都影響了聲速的設(shè)置。而聲速又是個十分重要的參量，故而在實際檢測中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場標定的情況，在滿足定位精度的情況下設(shè)置合適的聲速值。 (2)檢測時機的選擇 對儲罐的檢測需要在罐內(nèi)介質(zhì)的液面處于相對靜止的情況下才能進行。在試驗中可以看出，剛注完水的過程中檢測，由于液位還有波動，所以檢測到的定位點較多且分散，對這些數(shù)據(jù)的分析和評價相當困難。故而在實際檢測中，需要罐內(nèi)介質(zhì)的液面處于相對靜止的情況下才能進行。 (3)檢測時注意孤立的高幅度、計數(shù)、能量的聲發(fā)射源 在各檢測的時間段中均出現(xiàn)了幾個幅度較高的定位信號，這些信號有著共同的特征，表現(xiàn)在幅度、計數(shù)、能量、持續(xù)時間及上升時間這幾個特征參量均較大。 通過對所有定位信號數(shù)據(jù)的進一步分析，可以看出，參與形成高幅度信號的每個傳感器所接收到的聲發(fā)射信號特征參量均表現(xiàn)較高，尤其在幅度、能量、持續(xù)時間幾個參量上更是如此?？梢哉J為這些高幅度信號是由底板的腐蝕坑引起的。 4 在線聲發(fā)射檢測及安全性評估 4．1 聲發(fā)射檢測前準備 根據(jù)常壓儲罐的結(jié)構(gòu)、容積、儲存介質(zhì)、介質(zhì)溫度，制定不同的聲發(fā)射檢測方案。罐側(cè)壁距底板上方500～1000mm處沿周向均布聲發(fā)射傳感器，放置點間隔6～12 m，最大不超過15m，對于非常溫儲罐應(yīng)用波導(dǎo)桿，每個放置點150mm直徑范圍內(nèi)打磨光滑露出金屬光澤。 聲發(fā)射檢測前，將儲罐液位升高到．?。?～80％最高液位，靜置4～24小時。聲發(fā)射檢測采集數(shù)據(jù)前，首先檢測背景噪音情況，盡量避免或屏蔽大的電磁干擾信號及機械噪音。如泵、壓縮機等需停止運轉(zhuǎn)，關(guān)閉蒸汽閥門以及減少人員走動等。根據(jù)背景噪音情況，設(shè)置適當?shù)拈T檻電平。 標定和設(shè)置聲發(fā)射儀器參數(shù)。根據(jù)儲存介質(zhì)的不同，如原油、催化重整料及重柴油、溶劑及輕質(zhì)油，聲發(fā)射檢測設(shè)置的聲速及門檻不同，這要根據(jù)試驗確定。設(shè)置合適的聲速及門檻，對檢測結(jié)果的準確性具有重要意義。不同規(guī)格(容積或直徑不同)的立式儲罐，其定位標定方法不同。試驗表明，對于傳感器問距小于7 m的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)各陣列，可選用儀器本身“AST”功能與鉛筆芯折斷和人工模擬源方法進行定位標定，且可獲得定位準確的標定結(jié)果；對于傳感器問距大于7 m的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)各陣列，只能選用儀器本身“AST”功能與人工模擬源方法進行標定，標定結(jié)果相對于鉛芯折斷重復(fù)性差，但定位精度能夠滿足工程檢測要求。 4．2 立式儲油罐的在線聲發(fā)射檢測 通過30余臺儲罐現(xiàn)場在線聲發(fā)射檢測和部分儲罐的開罐驗證，積累了大量的試驗數(shù)據(jù)，為制定和完善常壓立式儲罐聲發(fā)射檢測方法及評價標準提供了可靠的依據(jù)。典型聲發(fā)射檢測儲油罐底板的定位圖見圖4。 4．3 在線聲發(fā)射檢測幾個應(yīng)注意問題的討論 (1)非常溫的立式儲罐聲發(fā)射檢測 對于非常溫(60—150℃)的常壓儲罐，由于聲發(fā)射傳感器在較高溫度下無法使用，因此，需設(shè)計特制的波導(dǎo)桿以解決聲傳播問題。對一些儲存原油、催化原料、燃料油等有較高溫度的儲罐，采用特制的波導(dǎo)桿，能夠得到滿意的檢測結(jié)果。 (2)立式儲罐聲發(fā)射檢測時液位的確定 壓力容器的聲發(fā)射檢測是在設(shè)備受壓時進行的，而常壓儲罐不能給儲罐加壓，因此只能利用儲罐介質(zhì)本身的高液位，聲發(fā)射檢測時液位達到60％ -80％最高液位為宜，檢測2 3小時。有條件的話，可選2 3個液位進行檢測，這樣會得到更加滿意的結(jié)果。 (3)立式儲罐聲發(fā)射檢測和開罐驗證如圖4(a)所示，在線聲發(fā)射檢測發(fā)現(xiàn)了一些集中定位源，經(jīng)開罐驗證，罐底發(fā)現(xiàn)了局部腐蝕及焊接外觀缺陷，而圖4(b)出現(xiàn)的規(guī)則集中定位源在開罐驗證時，未發(fā)現(xiàn)腐蝕存在，而是由于罐底加熱管路通蒸汽引起，對于這種聲源在評級時應(yīng)予剔除，或在檢測時設(shè)法排除。 4．4 立式金屬儲罐罐底完墊性評估 (1)儲罐罐底聲源級別的劃分 對常壓立式儲罐而言，液位恒定時的檢測數(shù)據(jù)應(yīng)作為重點分析對象，增加或減少液位時的檢測數(shù)據(jù)作為參考。在各液位檢測定位圖上定位點代表著聲發(fā)射源的位置，其密集的程度與罐底板的腐蝕(泄漏)情況有關(guān)。這樣可以設(shè)置一定范圍的Cluster(集中源)對定位點進行區(qū)域劃分，并且認為作為一有效聲源應(yīng)不少于5個事件。對于碳鋼儲罐，當容積在5000—10000 m3范圍時，推薦Cluster范圍為2 m X 2m ，其它范圍可根據(jù)現(xiàn)場試驗和試驗研究結(jié)果確定。將聲源級別(性質(zhì))劃分為五檔：工級：罐底不存在腐蝕、泄漏跡象；Ⅱ級：罐底存在不確定的腐蝕跡象；m級：罐底存在可能的腐蝕跡象；IV級：罐底存在較大的腐蝕跡象；V級：罐底存在嚴重的腐蝕跡象。 (2)儲罐罐底聲源活動度的劃分工級：無聲發(fā)射活動；Ⅱ級：輕微聲發(fā)射活動；Ⅲ級：有一定的聲發(fā)射活動；IV級：較多的聲發(fā)射活動；V級：嚴重的聲發(fā)射活動。 聲發(fā)射活動度主要表示金屬殼體受腐蝕后隨載荷的變形引起的聲源活動性，其級別分別表示整體腐蝕狀態(tài)：工級—— 很好；Ⅱ級——較好(輕微腐蝕)；m級——一般(一定腐蝕)；Ⅳ級—— 較差(腐蝕明顯)；v級——很差(腐蝕嚴重)。 (3)儲罐罐底聲源完整性評價 對罐底聲發(fā)射信號的活動性進行整體分析，即根據(jù)檢測到的聲發(fā)射數(shù)據(jù)和儲罐有關(guān)參數(shù)，按照定位信號表現(xiàn)出的幅度、能量、計數(shù)等并考慮孤立的高幅度高能量事件，綜合對罐底整體的聲發(fā)射活動性進行判斷。在試驗室研究和參考國外文獻的基礎(chǔ)上，將整體的聲發(fā)射活動度劃分如下： 根據(jù)罐底聲源的級別和事件活動度，確定罐底的完整性評價等級，如表1所示。 4．5 立式儲罐完整性評估 在聲發(fā)射在線檢測的基礎(chǔ)上，對罐底的整體腐蝕狀態(tài)做出實時初步判斷，結(jié)合罐壁或罐頂?shù)木植砍暡y厚結(jié)果，最終可以對儲罐的完整性做出綜合的安全性評估。 5 結(jié)語 聲發(fā)射在線監(jiān)測立式儲罐的技術(shù)是制定維修計劃的一個重要內(nèi)容，它不能代替內(nèi)部檢驗和維修，僅能根據(jù)聲發(fā)射的活動程度更有效地列出一個檢修計劃。但是，聲發(fā)射在線檢測立式儲罐的優(yōu)點也是非常明顯的，它可以幫助管理者確定儲罐是否需要維修，確定所要維修儲罐的優(yōu)先權(quán)，優(yōu)化維修資源，適合于風險檢驗計劃。 通過試驗室模擬立式儲罐底板泄漏與腐蝕聲發(fā)射檢測試驗研究和現(xiàn)場常壓立式金屬儲罐的在線聲發(fā)射檢測，積累了試驗數(shù)據(jù)，為我國大型立式金屬儲罐的在線聲發(fā)射檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。