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声发射在油田常压储罐检测中的应用

发布日期:2018-02-23 14:03    浏览次数:次

1 胜利油田在用常压储罐检验现状调查
1.1 常压储罐使用情况调查
    常压储罐是原油储存、分离、外输、中转的一个重要设备,是油田使用最为普遍、在役时间较长的设备之一,储存介质主要为原油或污水,还有少量为汽油、柴油等成品油。据2009 年的调查统计,中国石化胜利油田共有各种1000m³以上的原油储罐368 座,污水罐106 座,其中10 000 m3 以上的原油储罐47 座,5 000 m3 的原油储罐160 座,所占比例最大,主要分布在采油长河油气集输总厂等单位。这些储罐在役期超过10 年以上的80%左右,而且大部分没有完整的技术档案、使用记录及检修记录,致使储罐处于不安全的在役状态。近年来,不少常压储罐使用单位都曾出现过罐顶穿孔,罐底渗漏等问题。
1.2 常压储罐检验情况调查
    为了保证常压储罐的安全运行,特检所按照油田企业常压储罐检测和评定标准———立式圆筒形钢锥焊接常压储罐检测与评定(Q/SH1020 1681- 2008)对油田在用的常压储罐展开检验。
1.2.1 检验技术
    目前检验应用的主要的检验技术是超声波测厚技术和涡流检测技术。应用超声波测厚仪对储罐的罐顶板、壁板和底板的壁厚进行测量,并通过强度计算判断其是否满足要求;对于常压储罐的罐底腐蚀情况,主要应用罐底腐蚀扫描仪,采用涡流检测技术对罐底板的腐蚀情况进行扫描检测。
1.2.2 存在问题
    通过检验,发现目前在用的常压储罐罐体主要存在以下问题。
a)罐壁板内外防腐层脱落、腐蚀严重、局部穿孔(图1)

                     图1    罐壁板腐蚀穿孔
    据2009 年的检验情况统计,约有51.7%的常压储罐罐壁内外防腐层大面积脱落,由此导致的罐壁板腐蚀严重,多处穿孔或已不能满足强度要求。其中腐蚀严重的罐壁中,85%以上是底圈壁板和二层壁板腐蚀严重,少数六层以上的罐壁板存在腐蚀穿孔现象。
b)罐顶板变形严重,腐蚀穿孔,防腐层大面积脱落。据2009 年的检验情况统计,约有61.0%的常压储罐罐顶板内外防腐层大面积脱落或部分脱落,占问题总数的56.6%;罐顶板腐蚀严重,多处穿孔,占问题总数的26.2% 。另外,通过超声测厚,发现罐顶板存在不同程度的点蚀问题。
c)罐底板腐蚀严重、甚至穿孔。2009 年清罐的检验不多,在清罐检验中,罐底板防腐层大面积脱落、破损,损坏严重,部分罐底已无防腐层。罐底板腐蚀减薄严重,并存在大量大面积蚀坑或腐蚀严重造成大面积穿孔;也有部分储罐底板发生少量点蚀(图2)。出现的这些问题,对储罐的安全运行带来了很大的隐患,虽然现有的检测方法和检测手段已经可以检测出各种隐患,但是仍有一定的局限性。比如,针对罐底板和罐体内壁的检测,需要储罐在停产状态下,并要求储罐内部介质彻底清除,这不仅影响到储罐的正常运行,还要投入大量的人力、财力进行清罐工作,检验部门的检验周期也因此变长,给用检双方都带来很大的不便;此外,现有的检验方法,检测出的大部分是静态的缺陷,在储罐的使用过程中,特别要防止的是在运行过程中发展的活性缺陷,这种缺陷一旦由于各种原因而发生失稳扩展或穿孔等,就会导致设备提前失效,缩短使用寿命,并发生严重的泄漏、爆炸事故,因此,研究在用储罐中活性缺陷的检测,具有重大的社会效益和经济效益。

                                                   图2  典型的罐底板腐蚀
2 声发射检测概述
2.1 声发射检测的基本原理
    从声发射源发射的弹性波最终传播到达材料的表面,引起可以用声发射传感器探测的表面位移,这些探测器将材料的机械振动通过压电效应转换为电信号,然后被放大、处理和记录。根据观察到的声发射信号进行分析与推断,以了解材料产生声发射的机制。具体原理如图3 所示。

        图3    声发射检测原理
2.2 声发射检测技术的应用范围
    现阶段声发射技术主要用于其他检测方法难以或不能适用的对象和环境,目前在石化行业主要用于低温容器、球形容器、压力管线的检测和结构完整性评价,常压储罐的底部泄漏检测,埋地管道的泄漏检测等。另外,在电力工业、材料试验、民用工程、航天航空、金属加工以及交通运输等领域都有一定的应用。
2.3 声发射检测的特点
    与其它无损检测方法相比,声发射技术具有两个根本差别:一是检测动态缺陷,而不是检测静态缺陷;二是缺陷本身发出缺陷信息,而不是用外部输入对缺陷进行扫查。以上两种差别使得该技术具有以下优点:可检测对结构安全更为有害的活动性缺陷;对大型构件可提供整体或大范围的快速检测;可提供缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息;对被检件的几何形状存在环境要求不高,可以在高低温、核辐射等环境下检测。但是也具有以下缺陷:对材料敏感,易受噪声干扰,因此需要丰富的现场经验;需要适当的加载程序;所发现缺陷的定性定量,仍需要依赖其他的无损检测方法。
3 常压储罐的声发射检测
    声发射检测具备的可检验设备活性缺陷的特点,可以在压力变化过程中,利用少量固定不动的传感器,就可以获得活性缺陷的动态信息,而活性缺陷———声发射源的位置可以通过时差、区域定位等方法来确定。因此,采用声发射技术对储罐进行检测既可以达到提高检测效率,节省检测费用,又可达到保证储罐安全运行的目的。
3.1 现场检测
    为了更好地开展常压储罐的声发射检测,依据GB/T10764- - 2000《无损检测常压金属储罐声发射检测及评价方法》于2010 年4 月在滨南采油厂对常压储罐的罐底进行了声发射检验。
3.1.1 储罐基本设计资料
    设备名称:沉降罐;材质:Q235 ;设计温度:100℃ ;公称容积:3 000 m3 设计压力:0.1MPa 几何尺寸:直径18.2m、高14 m 工作介质:水、原油;公称壁厚:9.7 mm。
3.1.2 测量仪器及状态设置
    本次检测应用的是德国VALLEN AMSY- 5 声发射仪,主要由传感器、前置放大器、主放大器、信号参数测量、数据分析、记录与显示等基本单元组成。是一款计算机控制的多通道声发射系统。
    增益:46dB ;峰值定义时间:1000ms;撞击定义时间:2000ms;撞击闭锁时间:20000ms。
3.1.3 传感器选型及安装布置示意图
    根据罐底板的声发射信号特点,选取频率为30 kHz 的传感器,型号为VS30- RIC(46dB),依据行业标准JB/T10764—2007《无损检测常压金属储罐声发射检测及评价方法》设计布置探头如图4 所示。
    以罐体板中心为基准点,在罐体壁板底部距罐底0.15m 处布置探头,采用6 个传感器均匀分布,对罐底进行监测,各探头坐标为:1#(0,910)、2#(- 788,455)、3#(- 788,- 455)、4#(0,- 910)、5#(788,- 455)、6#(788,455)。
    根据图4,在容器壳体上对相应位置进行除油漆、氧化皮打磨,将传感器与信号线连接好,用黄油将传感器与壳体进行耦合,保证声耦合良好的条件下接线并检查线路,设定检测条件并排除噪声干扰。对声发射检测系统进行校准。

                                          图4    探头布置
3.1.4 AE 检测(信号采集)
    做好准备工作以后,根据标准要求在保证罐内液位静置2h以上,对其进行2h的声发射信号采集。采集结束后,应用计算机分析软件,对采集信号进行定位分析,定位图如图5 所示。

                               图5    信号采集定位分析
3.2 检验结果分析及发现问题
    由图5 可见,门槛值为25 dB 时,定位点较分散,分布均匀;当门槛值订为35 dB 时,定位点集中于(1#,2#,4#)定位区间,考虑该定位区间有腐蚀或泄漏点;将所有信号叠加后,定位点分布规则且均匀。
    这些区域的声发射参数,并不能完全作为评价储罐底板腐蚀状况的依据,因为所采集的数据中,含有大量的噪声信号,如物料的流动、沉降,物料管的振动,以及加热盘管的振动等。这些振动有明显的时频特性,可以通过小波分析和神经网络方法进行剔除和甄选,因此,应用模式识别的方法对噪声进行降低,可以大大提高检测的准确度。
4 总结及建议
    声发射作为一种较为新型的检测手段,已在压力容器、压力管道、起重机械等很多领域有所应用。其检测活性源的特性非常适合检验与安全性、经济性关系重大的特种设备。
    胜利油田在用常压储罐的检测还刚刚起步,其检验方案、分析方法、声发射源的判定等都需要进一步的改善,需要有大量的现场实施经验。针对目前存在的问题,下一步进行以下工作。
    a)针对声发射信号多的问题,一方面,在进行现场检验时,通过改变门槛值、接收频率等检验参数对信号进行采集,将采集的信号与清罐后的罐底实际情况进行对比,找出声发射源的特征信号,为筛选有效的声发射信号提供经验数据。另一方面,对采集的声发射信号应用小波分析、模式识别、人工神经网络等先进的信号处理技术对声发射信号进行分析,除去外界噪声以及流体流动等的干扰信号,确定有效的定位点以及声发射源。
    b)在下一步的现场检验中,缺陷的验证非常重要。将定位的声发射源与清罐后的实际缺陷进行对比,对定位的准确性进行进一步验证。
    总之,下一步工作主要是积极开展现场实验,积累现场经验,优化检验方案,进一步提高油田在用常压储罐声发射检测的高效性和准确性,以保证油田在用常压储罐的安全运行。

    作者简介:冯展杭,高级工程师,1985 年毕业于中国石油大学(华东),长期从事油田企业安全生产管理工作,曾在国家及省部级学术杂志上公开发表数十篇专业技术论文,现主要从事安全生产管理工作。

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