馮 勝，曲偉首，嚴(yán) 偉，李芳振

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300000；2.海洋石油工程股份有限公司檢驗公司，天津 300000）

LD32－2PSP平臺上采用為國內(nèi)海洋平臺中最大的方形原油儲罐，該儲罐形狀沒有采取傳統(tǒng)的圓柱形，而是采用了儲油容量更大的方形結(jié)構(gòu)；儲罐本體也沒有采用獨立結(jié)構(gòu)，而是采用罐壁和底板與平臺樁腿和結(jié)構(gòu)梁焊接為一體的整體結(jié)構(gòu)；管壁板沒有使用傳統(tǒng)的平鋼板，而是采用了一種適應(yīng)本體結(jié)構(gòu)的波紋板［1］。

LD 32－2PSP海洋平臺方形原油儲罐位于平臺下層甲板和中層甲板之間。原油儲存能力超過一萬立方米，油儲存能力為國內(nèi)單體最大，內(nèi)部工作介質(zhì)為65℃。

基于LD32－2PSP海洋平臺方形圓油儲罐所具有的特點，在服役的安全性上面臨著比陸地儲罐更大的運行風(fēng)險，儲罐結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的復(fù)雜性，以及儲罐所處的特殊工況環(huán)境使得其在使用過程中可能產(chǎn)生難以預(yù)測的缺陷。聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來判斷內(nèi)部損傷程度的一種動態(tài)無損檢測方法，與其它無損檢測技術(shù)相比，有很多的優(yōu)點。首先，聲發(fā)射檢測方法是一種動態(tài)檢測方法，可以獲得關(guān)于缺陷的動態(tài)信息，并據(jù)此評價缺陷的實際危害程度，以及結(jié)構(gòu)的完整性和預(yù)期使用壽命；其次，聲發(fā)射檢測方法對線狀缺陷較為敏感，能探測到在外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下缺陷的活動情況；而且它對能否接近被檢工件的要求不高，因而適用于在其他無損檢測方法難以或無法接近（如高低溫、核輻射、易燃、易爆和劇毒等）的環(huán)境下進行檢測［2］；對于平臺儲罐罐體缺陷可能導(dǎo)致的問題，采用一種快速有效的檢測技術(shù)，確定缺陷的位置，評估缺陷損傷嚴(yán)重程度，對用戶及時發(fā)現(xiàn)并防范風(fēng)險，具有比較重要的意義。

1 聲發(fā)射檢測的基本原理

聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來判斷內(nèi)部損傷程度的一種動態(tài)無損檢測方法。它可以在構(gòu)件或材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷或潛在缺陷處于運動變化的過程中進行檢測［3－4］。與常規(guī)無損檢測技術(shù)相比有兩個基本特點：一是對動態(tài)缺陷敏感，在缺陷萌生和擴展過程中能實時發(fā)現(xiàn)；二是聲發(fā)射波來自缺陷本身而非外部，可以得到有關(guān)缺陷的豐富信息，檢測靈敏度與分辨力高［5］。

儲罐底板及罐壁聲發(fā)射檢測的原理是：針對常壓儲罐底板及罐壁在儲罐的介質(zhì)液位由低到高發(fā)生變化時，其承壓部位—底板／罐壁母材及焊縫的連接區(qū)產(chǎn)生的裂紋或由腐蝕影響所產(chǎn)生的斷裂和局部變形及其他（諸如應(yīng)力腐蝕斷裂、一定的物理變化所引起的彎曲、變形及不同程度的脆化等）現(xiàn)象所產(chǎn)生的彈性波通過所屬介質(zhì)傳播到罐體材料的表面，在材料表面用聲發(fā)射傳感器將這種表面位移的機械振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過放大、處理和記錄，最終通過這些信號來分析產(chǎn)生聲發(fā)射的機理，從而確定相應(yīng)的缺陷狀況。

2 試驗方法

2.1 試驗儀器

試驗使用美國PAC公司生產(chǎn)的DISP－24型聲發(fā)射檢測儀，該儀器采用全波形采集技術(shù)，具有波形顯示和數(shù)據(jù)存儲功能。主要參數(shù)為：前放增益為40dB；探頭型號為PAC－R15I；主放增益為25dB；耦合劑為真空樹脂；信號電纜為同軸屏蔽電纜；固定方式為磁吸式。由于待檢儲罐屬于規(guī)則的立方體儲罐，根據(jù)儲罐設(shè)計情況及檢測要求，確定傳感器的布置方式及數(shù)量，將傳感器靠近焊縫擺放，采用面定位方式，依次輸入儲罐單個面的尺寸和焊縫結(jié)構(gòu)，利用軟件優(yōu)化傳感器的布置圖，在檢測面的中央單獨布置一個傳感器，增加信號強度及定位準(zhǔn)確性。

當(dāng)進行聲發(fā)射檢測時，需要對儲罐加載來產(chǎn)生激勵信號。為了模擬載荷環(huán)境，采用水壓作為載荷。根據(jù)儲罐的設(shè)計壓力來決定試驗的壓力，在加壓和保壓的過程中采集聲發(fā)射信號。檢測設(shè)備可以實時采集全波形及有效聲源信號特征參數(shù)，所以在采集信號的同時就可以得到預(yù)埋的缺陷信號特征參數(shù)（如信號幅度、能量、上升時間等等），對存儲的數(shù)據(jù)進行分析，以進一步判定缺陷的損傷程度及坐標(biāo)。

2.2 加壓程序

水壓試驗加載方式采取兩次加壓進行，加壓程序如圖1所示。

圖1 加壓程序

升壓及保壓程序：以0.2MPa／min的速度勻速升壓至最高工作壓力4MPa，保壓15min；保壓結(jié)束后以0.2MPa／min的速度勻速升壓至試驗壓力6MPa，保壓15min后卸壓。

2.3 探頭布置方案

定位方式：一共布置5個面，分別是罐壁四周及罐底板；每個面布置5個探頭，采用面定位，對模擬罐的罐壁及罐底單個面分5次檢測，探頭在罐體結(jié)構(gòu)上布置方式如圖2所示。

圖2 探頭在罐體結(jié)構(gòu)上布置方式

2.4 儀器調(diào)整及設(shè)置

①打開主機，對硬件進行設(shè)置，根據(jù)預(yù)采背景噪聲來設(shè)置門檻值40dB；②根據(jù)分析需要對分析軟件進行參數(shù)設(shè)置，例如各種關(guān)聯(lián)圖及定位圖；③檢測過程按圖1所確定的加載曲線進行加壓，并采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3 試驗過程及分析

模擬罐聲發(fā)射檢測過程分為兩部分，分別在內(nèi)部介質(zhì)保持常溫30℃和加熱到65℃時進行。通過對不同溫度下的聲發(fā)射有效聲源信號進行對比，發(fā)現(xiàn)特征參數(shù)的差異。在確定了加壓程序、布點方案及布點完畢后，開始進行水壓試驗條件下的聲發(fā)射檢測，如圖3所示。另外模擬噪聲水平，將一個大功率空壓機放置距離模擬罐0.7m處，利用機械振動模擬真實儲罐可能發(fā)生的噪聲。

圖3 水壓試驗條件下的歷程圖

3.1 30℃時南側(cè)罐壁的檢測

內(nèi)部介質(zhì)30℃時，對南側(cè)罐壁進行聲發(fā)射檢測。在試驗過程中，當(dāng)壓力勻速增加至4MPa時，聲源信號隨機出現(xiàn)，且較為分散，大部分聲源信號幅度較低，均維持在40dB附近，接近噪聲幅度，未發(fā)現(xiàn)高幅度的集中聲源信號。停止升壓，保壓10min進行監(jiān)測，并對周圍環(huán)境可能存在的干擾因素進行排除，提高門檻值至45dB。保壓期間，僅有少量的隨機信號出現(xiàn)，且不集中，能量低，持續(xù)時間短，距離預(yù)埋缺陷位置偏差很大。當(dāng)壓力由4MPa勻速升至6MPa時，信號逐漸增多，能量急劇增高，在預(yù)埋缺陷部位區(qū)域出現(xiàn)了較為密集的高幅度信號，幅值集中于70～90dB，撞擊數(shù)為10～40之間，且聲源信號持續(xù)時間較長，能量高，信號幅值和能量水平處于斷續(xù)增加狀態(tài)。

對預(yù)埋缺陷位置所在的探頭陣列進行分析，發(fā)現(xiàn)集中的定位聲源信號，表明該處存在嚴(yán)重缺陷。通過軟件分析，聲源信號集中位置坐標(biāo)與實際預(yù)埋缺陷位置基本相符，且嚴(yán)重程度與常規(guī)的檢測結(jié)果也基本一致。

從儲罐整個加壓過程的歷程圖圖4可以看出，所采集的信號為離散信號而非由泄漏引起的連續(xù)信號。因為連續(xù)的泄漏信號會表現(xiàn)在整個加壓過程中的能量持續(xù)上升，而非局部突變，進而可見該儲罐無泄漏跡象。

圖4 30℃時南側(cè)罐壁歷程圖

3.2 65℃時南側(cè)罐壁的檢測

內(nèi)部介質(zhì)65℃時，對南側(cè)罐壁進行聲發(fā)射檢測。在試驗過程中，當(dāng)壓力勻速增加至4MPa時，聲源信號只出現(xiàn)了一個，且遠離預(yù)埋缺陷位置。停止升壓，保壓10min進行監(jiān)測，保壓期間，僅有極少量的隨機信號出現(xiàn)，且不集中、能量低、持續(xù)時間短。當(dāng)壓力由4MPa勻速升至6MPa時，信號逐漸的增多，能量急劇增高，在預(yù)埋缺陷部位所在區(qū)域出現(xiàn)了較為密集的高幅度信號，幅值集中于75～90dB，撞擊數(shù)為10～20之間，且聲源信號持續(xù)時間較長，能量高，信號幅值和能量水平處于斷續(xù)增加狀態(tài)。

3.3 對比30℃及65℃時南側(cè)罐壁的檢測

通過對比30℃及65℃時南側(cè)罐壁的歷程圖，如圖5所示可以明顯看出對于最終的缺陷定位坐標(biāo)基本一致，而且在壓力由4MPa升至6MPa的過程中聲源信號的出現(xiàn)方式及特征參數(shù)基本一致，僅信號撞擊數(shù)值在65℃時有所降低，通過分析有可能是因為出現(xiàn)了凱賽爾（Kaiser）效應(yīng)。材料的受載歷史對重復(fù)加載聲發(fā)射特性有重要影響，重復(fù)載荷到達原先所加最大載荷之前不發(fā)生明顯聲發(fā)射，這種聲發(fā)射不可逆的性質(zhì)稱為凱賽爾（Kaiser）效應(yīng)。凱塞爾效應(yīng)表明：在材料未受到損傷的前提下，當(dāng)升壓達到之前所承受的最大載荷前，不出現(xiàn)聲發(fā)射信號；對已發(fā)生損傷的材料，在低于之前所承受的最大載荷時就會發(fā)生顯著的聲發(fā)射。聲發(fā)射出現(xiàn)的應(yīng)力水平越低，說明材料受到的損傷越嚴(yán)重，由于預(yù)埋缺陷種類多，且缺陷性質(zhì)較為嚴(yán)重。為了保證試驗安全的進行，試驗最大壓力低于設(shè)計壓力的25%，實際儲罐的使用過程中由于最上層設(shè)計了惰性氣體保護，且日常液面變化中都未達到滿液狀態(tài)，根據(jù)實際檢測情況及試驗要求將試驗最高壓力定位在6MPa。通過分析西側(cè)罐壁30℃和65℃時的試驗圖，其試驗過程及結(jié)果分析與南側(cè)罐壁也基本保持一致。

圖5 30℃和65℃時西側(cè)罐壁的歷程圖

3.4 30℃和65℃時罐底的檢測

罐底的檢測工藝與南側(cè)罐壁及西側(cè)罐壁的檢測工藝一致，檢測結(jié)果分析及聲源信號的特征參數(shù)也基本保持一致。通過仿真分析考慮到罐底板極有可能出現(xiàn)腐蝕缺陷，因此在罐底板預(yù)埋了模擬較為嚴(yán)重的點蝕及面蝕缺陷。唯一不同的是罐底板承受的外力遠遠大于罐壁，其噪聲信號表現(xiàn)為極低的持續(xù)時間，加壓過程幾乎沒有明顯的噪聲信號；在保壓階段噪聲信號的持續(xù)時間明顯增加，噪聲信號的主頻低于主信號主頻，略高于空壓機造成的噪聲信號幅度，該噪聲可能是因為結(jié)構(gòu)摩擦等因素所帶來的噪聲在這個加壓過程中增加持續(xù)時間，且信號的活性較強，該效果會表現(xiàn)在保壓階段，但是，對于同一持續(xù)時間的信號，其上升時間不同。如圖6所示通過歷程圖分析可以看出點蝕區(qū)域相對于大面積腐蝕區(qū)域來說信號較弱，聲源定位結(jié)果與實際預(yù)埋缺陷位置基本符合，從全程檢測結(jié)果分析可以看出，不同水壓階段的定位情況并非完全重復(fù)，穩(wěn)定時間的長短對檢測結(jié)果也有影響。由于罐底板受力高，其穩(wěn)定時間也應(yīng)高于罐壁的檢測工藝。從技術(shù)和經(jīng)濟角度來看，罐底板的檢測精度在－1～1m之內(nèi)是比較理想的。當(dāng)然定位精度還與罐體大小、介質(zhì)、工作溫度等多種因素有關(guān)。

圖6 30℃和65℃時罐底的歷程圖

4 結(jié)論

在海洋平臺設(shè)備中，部分在役壓力容器因生產(chǎn)或結(jié)構(gòu)等因素?zé)o法用常規(guī)無損探傷技術(shù)檢測。而聲發(fā)射檢測技術(shù)具有不開罐、不停產(chǎn)、檢測周期短，又能檢測動態(tài)缺陷等特點，成為金屬容器檢測和評價的可行檢測方法之一。通過對LD32－2PSP平臺原油儲罐模擬罐在役檢測的研究，可以確定聲發(fā)射檢測技術(shù)在對其內(nèi)部檢驗和焊縫中可能存在的超標(biāo)缺陷進行檢驗和評定時是一種可行的檢測技術(shù)。

［1］戴光，李善春，李偉.儲罐的聲發(fā)射在線檢測技術(shù)與研究進展［J］.壓力容器，2005，22（3）：33－35.

［2］楊志軍，戴光，李偉，等.常壓立式儲罐罐底腐蝕檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009（4）：62－65.

［3］王偉魁，曾周末，孫立瑛，等.基于相關(guān)分析的聲發(fā)射儲罐罐底檢測降噪方法［J］.振動與沖擊，2010（8）：46－51.

［4］崔麗娜.聲發(fā)射技術(shù)在儲罐檢測中的應(yīng)用［J］.壓力容器，2008（6）：50－54.

［5］戴光，張明宇，高果柱，等.常壓立式儲罐底板腐蝕過程聲發(fā)射源特性分析及試驗研究［J］.化工機械，2012（6）：16－19.