声发射技术在储罐底板腐蚀检测中的应用

声发射技术在储罐底板腐蚀检测中的应用

麻红格 1 杨龙斐 2 宋 强 3

1. 克拉玛依市科比技术有限责任公司 新疆克拉玛依 834003

2.中国石油新疆油田分公司（实验检测研究院） 新疆克拉玛依 834003

3中国石油新疆油田分公司（采油二厂） 新疆克拉玛依 834003

摘要：储罐作为石油化工行业常用的储存设备，一旦储罐底板出现腐蚀，极易引发严重安全事故。如果采用有损检测技术来进行储罐底板腐蚀情况的检测，难度大，成本高，耗时较长，并且存在一定的危险性。而声发射技术则是利用声波来进行底板腐蚀情况的检测，检测效率高，无需破坏储罐，并且检测过程也更为安全，检测成本也相对较低。因此文章探讨和研究了声发射技术在储罐底板腐蚀检测中的具体应用，以供参考。

关键词：声发射；储罐底板；腐蚀

1声发射技术的原理及在储罐底板腐蚀检测中的适用性分析

声发射是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，是一种常见的物理现象，大多数材料在出现微小位移、变形和断裂时有声发射发生。但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来，用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。金属在腐蚀过程中，电极反应产生氢气泡，电极溶解，蚀坑的成核和发展，腐蚀产物的开裂和剥落，裂纹的生成和扩展、腐蚀泄漏等腐蚀行为，伴随外力或内应力的作用下都会产生直接或间接声发射信号，通过对信号进行参数分析、波形分析和频谱分析，揭示金属腐蚀源机制和动态腐蚀行为，进而估算腐蚀速率并进行腐蚀源定位。从声发射源产生的弹性波传播到材料表面，引起可以用声发射传感器探测到的表面位移，传感器将材料的机械振动转换为电信号，经过放大、处理、记录和分析，从而得出材料活性缺陷的特征。声发射原理如图１所示。根据这些电信号处理分析对腐蚀源做出正确的解释。通过处理声发射信号的几个重要参数，主要包括最大频率、幅值、上升时间、持续时间、绝对能量等，来分析金属腐蚀过程中的声发射活度，如撞击率、事件率、定位聚类等，进而研究金属材料的腐蚀破坏机理、腐蚀类型、腐蚀行为的萌生和发展，评价金属腐蚀的严重程度，对腐蚀活性点进行定位。因此，声发射作为一种无损检测技术在金属压力容器、常压储罐及管道等腐蚀和泄漏检测中得到了应用，相对于传统超声波检测、漏磁检测、液体渗透检测等无损检测而言，具有很多优点：在容器服役状态下在线动态检测，无需停产、开罐、倒罐、清洗；检测灵敏度高，能够对腐蚀活性缺陷和早期开裂快速检测和预警；快速且１００％覆盖检测、低成本检测；依据腐蚀程度，对容器实现“好”与“坏”的分级，变“定期检测”为“状态检测”，节省了大量的人力、资金和时间。缺点是对检验人员的经验和知识的要求过高，受环境噪声的干扰较大，在检测信号的解释上存在一定的困难。

图１声发射基本原理

2声波发射检测中的腐蚀声发射源定位方法

腐蚀声发射源的定位有很多种分析方法，对于突发型声发射腐蚀信号主要有区域定位法和时差定位法两种。（１）区域定位法区域定位是一种处理速度快、简便而又粗略的定位方式，主要用于声发射频度过高或传播衰减过大或检测通道数有限而难以采用时差定位的场合。其缺点是检测到的声发射源仅表示一定的区域，具有不确定性。此方法可实现最低程度的源定位，利用来自每个区域中传感器的活性来指示声发射腐蚀源的大体位置。（２）时差定位法时差定位是经对各个声发射通道信号到达时间差、波速和探头间距等参数的测量及一定的算法运算，来确定腐蚀源的位置。时差定位精度又受波速、衰减、波形和构件形状等许多易变量的影响，实际应用中急需解决这些问题，从而可实现较精确的源定位。这种方法需要布置更多的传感器来覆盖整个监测区域，通过测量同一声发射信号到达各个通道的时间来精确计算出声发射腐蚀源的位置。

3声发射技术在储罐底板腐蚀检测中的具体应用

3.1仪器设备选用

为了保证检测具有足够的定位精度和小信号的检出率，对于容积为1000m3的液化天然气球罐的检测，此次检测使用的是某公司生产制造的声发射多通道数字化检测分析仪，对罐底的整体检测采用28个通道进行。检测分析仪的传感器为I15型谐振传感器，带通频率为60～400kHz，中心频率是150kHz，内置的前置放大器增益是40dB。

3.2检验程序

第一，检验前的准备工作。1)审查球罐的制造、安装、检修和运行资料。2)对球罐进行整体监测首先需要确定检测采用的通道数和传感器阵列的布置方式，检测使用的声发射源定位方式是柱面定位算法，此次检测球罐需使用28个探头，使用150kHz的声发射传感器。3)在球罐的外表面标出探头具体安装部位，使用手动平铲除掉表面涂层并用浸水砂纸打磨光滑；根据标准要求及球罐容积计算，球罐整体检测共使用28个传感器；上封头和下封头的位置各使用1个传感器；其余传感器分布3圈，沿垂直外表面将球罐等分为4层，表面间距4872mm；上下温带位置每圈各使用8个传感器，水平外表面等间距445mm；中间赤道带的位置使用10个传感器，距离相等，间距为3898mm；详细探头布置位置。4)布置信号传输电缆，安装声发射探头及前置放大器。

第二，声发射检验的加载。各阶段的保压时间，可根据检测时应力释放的实际情况确定，如果保压的10min内没有声发射信号出现，也可提前终止保压。升压和降压时间参照NB/T47013．9—2012《承压设备无损检测第9部分：声发射检测》的要求进行，并结合工程的现场情况。介质升压前，应切断所有与被检球罐无关的管道连接。

第三，系统调试。检测灵敏度的方法是使用模拟源校准，模拟源应具备重复发出弹性波的特点。模拟源产生有两种方式，一种是采用声发射信号发生器来产生；另外一种是采用折断铅笔芯的方式。模拟源用笔芯直径为0．3mm，硬度为2H的铅笔，铅芯伸出长度为2．5mm，与被检测罐体的表面夹角为30°，距离传感器中心(100±5)mm处折断铅笔芯来产生模拟信号。

第四，系统灵敏度校准。由于在声发射系统中，声耦合效果的影响以及采集通道和传感器响应等因素影响，会产生一定的误差，因此在检测开始和结束之前都要进行系统灵敏度的校准。

第五，衰减测量。在声发射检测的过程中要进行衰减特性测量，目的是为了确保检测的灵敏度和确定传感器之间的距离。衰减特性测量的环境条件要与实际的声发射检测条件相同。如果之前已经做过曲率相同、材料牌号相同和材料厚度相同的衰减特性数据，在此次检测中可以不再做衰减特性测量，但要把之前做过的相同的衰减特性数值移植到此次检验的报告中。

第六，数据采集和降噪处理。按已经设计好的加载程序对球罐进行加压，加载过程分升压和保压两个阶段，每个阶段都要进行声发射监测和数据采集。干扰噪声是大多数检测方法所无法避免的问题，但由于声发射检测是一种动态检测方法，探测到的能量来自于测试物体本身而不是由检测仪器提供，因而噪声的干扰显得尤其突出，所以在用声发射进行腐蚀的扩展监测时，外部的机械噪声和电气噪声的干扰会在很大程度上影响结果的准确性。除了要求丰富的现场检测经验外，还可以通过以下几种方式鉴别和排除由噪声引起的干扰信号，如选择适当的频率范围、设置适当的门槛电压（阈值）和利用小波变换消除噪声干扰。

第七，检测记录。在数据采集的过程中要做好检测记录，检测记录包含以下内容:检测状态的设置文件名称、检测数据的文件名称、检测过程中的升压和保压等不同阶段的时间、球罐冲压过程的操作参数的设置、采集过程中所发生的泄漏信号或其它时间的冲击产生的声发射信号、检测前及检测后的系统性能验证的数据文件等。

结语

声发射在线检测，检测效率高、成本低、检测结果可靠，可大幅降低劳动强度，减少环境污染，因此在现阶段应该重视对声发射技术的研究和应用，不断规范检测流程，提高检测质量，全面确保储罐安全运行。

参考文献

[1]朱建伟，杨宏宇，王维斌，等，储罐底板声发射在线与开罐检测对比[J].无损检测，2014，36(6):67-70.

[2]王赛.罐底腐蚀声发射检测定位方法研究[D].沈阳:沈阳工业大学，2015.

[3]李轩.储罐底板在线检验腐蚀方法优化研究[J].华北科技学院学报，2018，15(3):102-107.