關(guān)衛(wèi)和，沈純厚?，陶元宏?，陳穎峰
1．國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥通用機(jī)械研究所，安徽合肥230031；
2．福建煉化公司，福建泉州362100
1?引言
???大型立式金屬儲(chǔ)罐具有容積大，分布集中，儲(chǔ)存易燃、易爆、有毒介質(zhì)等特點(diǎn)，一旦發(fā)生泄漏或爆炸事故往往造成災(zāi)難性后果及嚴(yán)重的環(huán)境污染，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)巨大損失和危害。
???隨著世界石油工業(yè)的迅速增長(zhǎng)和能源需求的不斷增加，原油和成品油的儲(chǔ)備受到了各國(guó)的普遍關(guān)注，對(duì)各類(lèi)油庫(kù)儲(chǔ)備能力的要求也越來(lái)越高，因而各類(lèi)儲(chǔ)罐的數(shù)量劇增。目前，10萬(wàn)m3儲(chǔ)罐已成為我國(guó)石油化工行業(yè)原油儲(chǔ)罐建設(shè)的主要結(jié)構(gòu)。由于各種原因，常壓立式儲(chǔ)罐事故頻繁，經(jīng)濟(jì)損失巨大。儲(chǔ)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(wèn)題、防止泄漏事故的手段有兩種：一是在儲(chǔ)罐建造期間加強(qiáng)防腐措施，防患于未然；二是使用期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控，提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，安排檢修計(jì)劃。對(duì)于第二種手段，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)主要國(guó)石油化工行業(yè)原油儲(chǔ)罐建設(shè)的主要結(jié)構(gòu)。由于各種原因，常壓立式儲(chǔ)罐事故頻繁，經(jīng)濟(jì)損失巨大。儲(chǔ)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(wèn)題、防止泄漏事故的手段有兩種：一是在儲(chǔ)罐建造期間加強(qiáng)防腐措施，防患于未然；二是使用期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控，提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，安排檢修計(jì)劃。對(duì)于第二種手段，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)主要采取定期開(kāi)罐檢查的方法評(píng)價(jià)儲(chǔ)罐的強(qiáng)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(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)費(fèi)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(chǔ)罐不能得到及時(shí)檢查。此外定期開(kāi)罐普查時(shí)僅發(fā)現(xiàn)少量?jī)?chǔ)罐存在問(wèn)題，造成大量浪費(fèi)。
?????20世紀(jì)80年代國(guó)外開(kāi)始采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)大型常壓地面儲(chǔ)罐進(jìn)行在線檢測(cè)研究和應(yīng)用，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也對(duì)泄漏源的聲發(fā)射檢測(cè)機(jī)理及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要是利用載荷變化時(shí)，泄漏產(chǎn)生的湍流流動(dòng)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(kāi)裂產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)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(duì)罐底的整體腐蝕狀態(tài)做出實(shí)時(shí)初步判斷，結(jié)合罐壁或罐頂?shù)木植砍暡y(cè)厚結(jié)果，最終對(duì)儲(chǔ)罐的完整性做出綜合的安全性評(píng)估。
我國(guó)的儲(chǔ)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(chǔ)罐在線聲發(fā)射檢測(cè)與安全性評(píng)估技術(shù)。
2?儲(chǔ)罐概況
2．1?金屬儲(chǔ)罐的分類(lèi)
?????儲(chǔ)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(rùn)滑油罐；按用途則可分為生產(chǎn)油罐和存儲(chǔ)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(wú)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(chēng)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(chēng)容積小于100?m3的油罐，一般為臥式油罐_8?J。我國(guó)常用的立式儲(chǔ)油罐的直徑為~8ooo～80000?mm；容積為500～1000~?m3。
2．2?立式金屬儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)
????分布在我國(guó)中石化、中石油企業(yè)的立式儲(chǔ)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(chǔ)罐的直徑、儲(chǔ)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(jìn)的均采用對(duì)接焊縫)。儲(chǔ)罐的附件有進(jìn)出接合管、排污孔和清掃孔、加熱裝置等。
3?模擬立式儲(chǔ)罐罐底泄漏、腐蝕試驗(yàn)
3．1?試驗(yàn)概況
試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。主要包括模擬立式儲(chǔ)罐和聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。
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3．2?試驗(yàn)結(jié)果
????通過(guò)對(duì)模擬立式儲(chǔ)罐泄漏、腐蝕坑的聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)可知，罐底泄漏和液位變化的情況下腐蝕坑確實(shí)可以產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào)，并可形成聲發(fā)射定位源集團(tuán)。用來(lái)評(píng)價(jià)泄漏和腐蝕坑嚴(yán)重程度的聲發(fā)射信號(hào)，以泄漏和腐蝕坑變形中產(chǎn)生的聲發(fā)射定位源信號(hào)為主。聲發(fā)射信號(hào)特征參量主要有：幅度、計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間和上升時(shí)間。分析聲源信號(hào)的特征參量的取值范圍及變化趨勢(shì)，可以為常壓立式儲(chǔ)罐聲發(fā)射在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)立式儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)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(chǔ)罐泄漏、腐蝕底板的聲發(fā)射檢測(cè)定位圖見(jiàn)圖3。
3．3?應(yīng)注意的問(wèn)題
(1)聲速的設(shè)置
????模擬儲(chǔ)罐在空罐和注水后，參數(shù)中聲速設(shè)置是不同的。因?yàn)槁曉此l(fā)出的應(yīng)力波在罐中傳播途徑很復(fù)雜，這就決定了儲(chǔ)罐中有無(wú)介質(zhì)以及介質(zhì)的種類(lèi)，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(gè)十分重要的參量，故而在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)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(cè)時(shí)機(jī)的選擇
???對(duì)儲(chǔ)罐的檢測(cè)需要在罐內(nèi)介質(zhì)的液面處于相對(duì)靜止的情況下才能進(jìn)行。在試驗(yàn)中可以看出，剛注完水的過(guò)程中檢測(cè)，由于液位還有波動(dòng)，所以檢測(cè)到的定位點(diǎn)較多且分散，對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和評(píng)價(jià)相當(dāng)困難。故而在實(shí)際檢測(cè)中，需要罐內(nèi)介質(zhì)的液面處于相對(duì)靜止的情況下才能進(jìn)行。
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(3)檢測(cè)時(shí)注意孤立的高幅度、計(jì)數(shù)、能量的聲發(fā)射源
?????在各檢測(cè)的時(shí)間段中均出現(xiàn)了幾個(gè)幅度較高的定位信號(hào)，這些信號(hào)有著共同的特征，表現(xiàn)在幅度、計(jì)數(shù)、能量、持續(xù)時(shí)間及上升時(shí)間這幾個(gè)特征參量均較大。
?????通過(guò)對(duì)所有定位信號(hào)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，可以看出，參與形成高幅度信號(hào)的每個(gè)傳感器所接收到的聲發(fā)射信號(hào)特征參量均表現(xiàn)較高，尤其在幅度、能量、持續(xù)時(shí)間幾個(gè)參量上更是如此?？梢哉J(rèn)為這些高幅度信號(hào)是由底板的腐蝕坑引起的。
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4?在線聲發(fā)射檢測(cè)及安全性評(píng)估
4．1?聲發(fā)射檢測(cè)前準(zhǔn)備
????根據(jù)常壓儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)、容積、儲(chǔ)存介質(zhì)、介質(zhì)溫度，制定不同的聲發(fā)射檢測(cè)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(diǎn)間隔6～12?m，最大不超過(guò)15m，對(duì)于非常溫儲(chǔ)罐應(yīng)用波導(dǎo)桿，每個(gè)放置點(diǎn)150mm直徑范圍內(nèi)打磨光滑露出金屬光澤。
????聲發(fā)射檢測(cè)前，將儲(chǔ)罐液位升高到．?。?～80％最高液位，靜置4～24小時(shí)。聲發(fā)射檢測(cè)采集數(shù)據(jù)前，首先檢測(cè)背景噪音情況，盡量避免或屏蔽大的電磁干擾信號(hào)及機(jī)械噪音。如泵、壓縮機(jī)等需停止運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)閉蒸汽閥門(mén)以及減少人員走動(dòng)等。根據(jù)背景噪音情況，設(shè)置適當(dāng)?shù)拈T(mén)檻電平。
????標(biāo)定和設(shè)置聲發(fā)射儀器參數(shù)。根據(jù)儲(chǔ)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(cè)設(shè)置的聲速及門(mén)檻不同，這要根據(jù)試驗(yàn)確定。設(shè)置合適的聲速及門(mén)檻，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要意義。不同規(guī)格(容積或直徑不同)的立式儲(chǔ)罐，其定位標(biāo)定方法不同。試驗(yàn)表明，對(duì)于傳感器問(wèn)距小于7?m的聲發(fā)射檢測(cè)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(jìn)行定位標(biāo)定，且可獲得定位準(zhǔn)確的標(biāo)定結(jié)果；對(duì)于傳感器問(wèn)距大于7?m的聲發(fā)射檢測(cè)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(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果相對(duì)于鉛芯折斷重復(fù)性差，但定位精度能夠滿足工程檢測(cè)要求。
4．2?立式儲(chǔ)油罐的在線聲發(fā)射檢測(cè)
?????通過(guò)30余臺(tái)儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)在線聲發(fā)射檢測(cè)和部分儲(chǔ)罐的開(kāi)罐驗(yàn)證，積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為制定和完善常壓立式儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供了可靠的依據(jù)。典型聲發(fā)射檢測(cè)儲(chǔ)油罐底板的定位圖見(jiàn)圖4。