韓文禮，蔣林林，劉 苒，蘇碧煌，王志濤

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室- 涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室，天津 300451

儲(chǔ)罐作為儲(chǔ)存原油的一種專用設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于石油石化行業(yè)。目前，我國(guó)已建成各類儲(chǔ)罐總庫(kù)容4 592 萬(wàn)m3。由于原油具有易燃、易爆特性，所以大型儲(chǔ)罐一旦發(fā)生腐蝕泄漏，就可能引發(fā)嚴(yán)重災(zāi)害和環(huán)境污染，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了確保儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，需要對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行定期停產(chǎn)檢修[1]。在我國(guó)，石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5921—2017[2]規(guī)定：油罐的檢修周期一般為6 ～9 年，新建油罐第一次修理周期不宜超過(guò)10 年；SHS 01012—2004[3]規(guī)定：儲(chǔ)罐的檢修周期一般為3 ～6 年。API 653：2014[4]規(guī)定：從投產(chǎn)運(yùn)行到初次內(nèi)部檢測(cè)之間的時(shí)間間隔不應(yīng)超過(guò)10年，采取不同防護(hù)設(shè)施的儲(chǔ)罐，初次內(nèi)部檢測(cè)與投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間間隔不應(yīng)超過(guò)12 ～25 年。歐洲工程材料應(yīng)用協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)EEMUA 159[5]則規(guī)定：最長(zhǎng)檢修周期為 8 ～ 10 年。

1 儲(chǔ)罐檢測(cè)

儲(chǔ)罐檢測(cè)可分為開(kāi)罐檢測(cè)和在線檢測(cè)。開(kāi)罐檢測(cè)需要停產(chǎn)、清罐，由檢測(cè)人員安全進(jìn)入罐中進(jìn)行檢測(cè)，檢查時(shí)通常采用傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法，包括超聲測(cè)厚、漏磁掃查、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)。開(kāi)罐檢測(cè)工期長(zhǎng)、成本高，影響生產(chǎn)，因此合理確定儲(chǔ)罐的檢修周期非常重要，過(guò)長(zhǎng)和過(guò)短的檢修周期都是不合理的。周期過(guò)長(zhǎng)，儲(chǔ)罐因得不到及時(shí)檢修而處于高風(fēng)險(xiǎn)之中；而檢修周期過(guò)短，會(huì)造成不必要的檢修損失，增加生產(chǎn)成本。而由于生產(chǎn)原因，儲(chǔ)罐的檢修周期又往往得不到保證，導(dǎo)致儲(chǔ)罐隱患不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行。

API RP 575[6]指出：腐蝕是導(dǎo)致鋼制儲(chǔ)罐及其附件損壞的主要原因，因此泄漏情況和評(píng)估腐蝕程度是儲(chǔ)罐檢測(cè)的重要內(nèi)容，腐蝕檢測(cè)在儲(chǔ)罐檢測(cè)中顯得尤為重要[7]。統(tǒng)計(jì)資料顯示，在役儲(chǔ)罐的罐底板是腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域[8]。在所有已知儲(chǔ)罐的事故中，罐底板腐蝕泄漏導(dǎo)致的事故占20%以上，是儲(chǔ)罐事故的首要原因，因此加強(qiáng)儲(chǔ)罐底板腐蝕檢測(cè)是提高儲(chǔ)罐安全性的重要手段[9]，應(yīng)把儲(chǔ)罐腐蝕檢測(cè)、維修的重點(diǎn)放在罐底板上[10]。

儲(chǔ)罐在線檢測(cè)可以在不開(kāi)罐、不停產(chǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐底板的安全評(píng)估，作為罐底板腐蝕狀況普查和初篩的方法，具有一定的預(yù)測(cè)性。通過(guò)在線檢測(cè)定性評(píng)估罐底板的腐蝕程度和泄漏情況，對(duì)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整性分類，列出維修計(jì)劃，使企業(yè)可以合理調(diào)配有限的維修資源，延長(zhǎng)“好罐”的檢測(cè)周期，同時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維修“壞罐”，減少和避免因泄漏造成的環(huán)境污染，降低運(yùn)維成本，避免誘發(fā)事故造成的損失。

2 在線（不開(kāi)罐） 檢測(cè)技術(shù)

目前，國(guó)際上罐底板腐蝕狀況在線檢測(cè)技術(shù)主要有聲發(fā)射、導(dǎo)波以及機(jī)器人三種技術(shù)[8,11-12]。

2.1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE），有時(shí)也稱為應(yīng)力波發(fā)射[13]。

常壓儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)主要用于罐底板腐蝕、泄漏狀態(tài)評(píng)估。罐底板存在腐蝕缺陷時(shí)，強(qiáng)度降低，在液位壓力作用下產(chǎn)生局部微小變形，導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物的剝離和脫落，產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。發(fā)生泄漏時(shí)，介質(zhì)流動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的聲發(fā)射信號(hào)。聲發(fā)射在線檢測(cè)儀通過(guò)安裝在罐外壁下部的傳感器陣列來(lái)接收底板由于腐蝕和泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)分析信號(hào)對(duì)罐底結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕狀況評(píng)價(jià)[14]。檢測(cè)原理如圖1 所示，聲發(fā)射傳感器等距離耦合在儲(chǔ)罐罐壁周圍，被動(dòng)接收因罐底板腐蝕、泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。通過(guò)傳感器接收到的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)定位聲源，通過(guò)分析處理采集到的聲發(fā)射信號(hào)來(lái)確定罐底板的腐蝕狀況，對(duì)罐底板的完整性及安全性進(jìn)行評(píng)估。

圖1 聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射檢測(cè)是動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的實(shí)時(shí)監(jiān)控，檢測(cè)對(duì)象是正在發(fā)生的缺陷，無(wú)法檢測(cè)已經(jīng)形成的缺陷。特點(diǎn)是無(wú)需停產(chǎn)、開(kāi)罐、倒罐、清罐，只需在檢測(cè)前關(guān)閉閥門(mén)、泵等部件12～24 h，采集2 h 的有效數(shù)據(jù)，檢測(cè)完成后儲(chǔ)罐可繼續(xù)投入使用；檢測(cè)和評(píng)價(jià)工作相對(duì)方便快捷，通過(guò)陣列布置的傳感器，即可獲得罐底板腐蝕聲源的活動(dòng)信息；傳感器安裝部位的涂層需要清除（保溫儲(chǔ)罐需割開(kāi)少許保溫層），但不會(huì)損傷罐壁。

在檢測(cè)過(guò)程中，罐底板的聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性受到諸多因素的影響，包括電磁噪聲、機(jī)械噪聲、環(huán)境噪聲（溫度變化、風(fēng)沙、雨雪天氣）、儲(chǔ)罐罐壁和罐頂聲源的干擾。此外，傳感器與罐壁的耦合狀況、檢測(cè)人員對(duì)檢測(cè)過(guò)程的觀察和記錄的準(zhǔn)確性、后期的數(shù)據(jù)處理等都會(huì)影響到聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性[15]。

2.2 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

超聲導(dǎo)波是沿著結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度傳播并被結(jié)構(gòu)幾何邊界導(dǎo)向約束的彈性波，常用于板中缺陷檢測(cè)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估[16-17]。在厚度與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)陌宀闹袀鞑サ牟?，稱為板波（又稱平板導(dǎo)波），它主要采用Lamb 波進(jìn)行檢測(cè)，具有傳播距離遠(yuǎn)、快速便捷、檢測(cè)精度不受罐內(nèi)介質(zhì)影響等特點(diǎn)，適合于罐底板和壁板的在線檢測(cè)[18-19]。罐底板超聲導(dǎo)波檢測(cè)的原理如圖2 所示。安裝在罐底外露邊緣板上的探頭激發(fā)Lamb 波，并接收底板缺陷返回的反射波，通過(guò)分析處理反射波獲得罐底板的腐蝕狀況[20]。沿罐底邊緣板一周改變探頭的位置，逐點(diǎn)檢測(cè)，獲取多個(gè)方向的檢測(cè)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，得到整個(gè)罐底板的缺陷分布圖像，從而對(duì)罐底板的腐蝕狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 罐底板超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理示意

2.3 機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)

機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)集成了現(xiàn)代控制理論、防爆隔離技術(shù)、可視化技術(shù)、罐底板檢測(cè)的超聲技術(shù)、漏磁技術(shù)等多種技術(shù)手段，可視為傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)化作業(yè)，可根據(jù)不同的檢測(cè)項(xiàng)目配置不同的檢測(cè)單元，對(duì)罐底、內(nèi)部罐壁或其他部位進(jìn)行檢測(cè)，是其他檢測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的[8,11]。罐底板機(jī)器人在線檢測(cè)的原理如圖3 所示，將機(jī)器人通過(guò)罐頂人孔放到罐內(nèi)，由罐外機(jī)器人控制車進(jìn)行操作，通過(guò)遙控方式進(jìn)行罐底板檢測(cè)，目前機(jī)器人還是采用臍帶纜繩與控制車實(shí)現(xiàn)通訊。

圖3 機(jī)器人系統(tǒng)在線檢測(cè)原理示意

國(guó)外已經(jīng)推出數(shù)個(gè)型號(hào)的機(jī)器人產(chǎn)品（如Maverick、OTIS 機(jī)器人） 用于儲(chǔ)罐的在線檢測(cè)，節(jié)省開(kāi)罐、清罐所耗費(fèi)的成本，檢測(cè)效率高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。但也存在以下不足：對(duì)罐內(nèi)介質(zhì)有要求，不適合檢測(cè)淤積層較厚的原油儲(chǔ)罐；對(duì)罐內(nèi)結(jié)構(gòu)有要求，內(nèi)浮頂類型儲(chǔ)罐投放機(jī)器人比較困難，內(nèi)部有加熱盤(pán)管的儲(chǔ)罐，為避免臍帶纏繞盤(pán)管，檢測(cè)范圍大為受限；機(jī)器人內(nèi)部的電路系統(tǒng)，用于原油、成品油儲(chǔ)罐檢測(cè)，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。罐底板機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)在國(guó)外多家知名石化公司得到驗(yàn)證并成功應(yīng)用，1998 年得到API 653《儲(chǔ)罐檢驗(yàn)、維修、改造和重建》的認(rèn)可[21]。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)該技術(shù)的應(yīng)用先例。

3 在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

超聲導(dǎo)波技術(shù)應(yīng)用很少，機(jī)器人在線檢測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還是空白，聲發(fā)射檢測(cè)是目前儲(chǔ)罐底板在線檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的一種檢測(cè)技術(shù)[22]。

常壓儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射在線檢測(cè)技術(shù)在美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞和日本等國(guó)家已得到大量應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已開(kāi)始研究推廣。美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC） 先后對(duì)8 000 多臺(tái)儲(chǔ)罐開(kāi)展了聲發(fā)射在線檢測(cè)，對(duì)其中1 000 多臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行了開(kāi)罐驗(yàn)證，研發(fā)了TANKPACTM 大型常壓金屬儲(chǔ)罐底板檢測(cè)專家系統(tǒng)，用于罐底板腐蝕和泄漏狀況的在線檢測(cè)評(píng)價(jià)[8]，聲發(fā)射評(píng)價(jià)結(jié)果為A 類的儲(chǔ)罐與好罐具有100%的對(duì)應(yīng)關(guān)系[23]。法國(guó)石油協(xié)會(huì)對(duì)690 臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行了罐底板聲發(fā)射檢測(cè)，對(duì)其中78 臺(tái)進(jìn)行了開(kāi)罐檢測(cè)，對(duì)應(yīng)關(guān)系良好。

國(guó)內(nèi)東北石油大學(xué)開(kāi)展了1 028 臺(tái)常壓儲(chǔ)罐底板的聲發(fā)射檢測(cè)，A、B 級(jí)占62%，D、E 級(jí)占11%，對(duì)不同評(píng)價(jià)等級(jí)的102 臺(tái)儲(chǔ)罐進(jìn)行了開(kāi)罐檢測(cè)，聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果與開(kāi)罐檢測(cè)結(jié)果具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。中石油管道科技研究中心對(duì)80 多臺(tái)完成罐底板聲發(fā)射檢測(cè)的儲(chǔ)罐進(jìn)行開(kāi)罐驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)到93%。中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司對(duì)81 臺(tái)儲(chǔ)罐開(kāi)展了聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果與開(kāi)罐檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比，其中65 臺(tái)儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果基本能反應(yīng)罐底板的腐蝕狀況，16 臺(tái)儲(chǔ)罐兩種檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)度較低。

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司對(duì)原油儲(chǔ)罐罐底板腐蝕在線檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)開(kāi)展了研究，重點(diǎn)在聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，包括在線檢測(cè)技術(shù)影響因素研究、噪聲干擾及降噪技術(shù)研究、信號(hào)模式識(shí)別和采集技術(shù)研究，罐底板腐蝕狀況評(píng)價(jià)及聲發(fā)射在線檢測(cè)評(píng)價(jià)可靠性研究，形成了儲(chǔ)罐底板腐蝕狀況聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)，在線檢測(cè)給出的罐底結(jié)構(gòu)完整性分級(jí)、聲發(fā)射源集中度區(qū)域劃分與開(kāi)罐檢測(cè)的結(jié)果具有很好的符合性。

從國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射在線檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果的驗(yàn)證情況來(lái)看，該技術(shù)可以對(duì)儲(chǔ)罐底板腐蝕狀態(tài)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，定性反映儲(chǔ)罐的腐蝕狀況，為合理安排檢修周期提供參考，減少盲目開(kāi)罐造成的環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)損失，具有良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

在線檢測(cè)技術(shù)不需要開(kāi)罐，檢測(cè)效率高，成本低，可對(duì)罐底板腐蝕狀況進(jìn)行普查和初篩，為儲(chǔ)罐合理安排開(kāi)罐檢修周期提供科學(xué)依據(jù)，在我國(guó)大型儲(chǔ)罐日益增多、管理任務(wù)日趨繁重的情況下，在線檢測(cè)技術(shù)在提高儲(chǔ)罐安全管理、保證儲(chǔ)罐安全運(yùn)行方面必將發(fā)揮重要的作用，隨著在線檢測(cè)技術(shù)的日益成熟，其也必將得到更廣泛的推廣應(yīng)用。