储罐底板声发射在线检测技术的研究现状

蒋林林,韩文礼,徐忠苹,王志涛,苏碧煌

(1. 中国石油集团工程技术研究院,塘沽 300451; 2. 石油管工程重点实验室 涂层材料与保温结构研究室,塘沽 300451)



储罐底板声发射在线检测技术的研究现状

蒋林林1,2,韩文礼1,2,徐忠苹1,2,王志涛1,2,苏碧煌1,2

(1. 中国石油集团工程技术研究院,塘沽 300451; 2. 石油管工程重点实验室 涂层材料与保温结构研究室,塘沽 300451)

原油储罐底板是罐内腐蚀最严重的区域。声发射检测技术可实现储罐底板的在线检测，避免了开罐检测停产、清罐等造成的损失。从声发射检测的原理、国内外的研究现状、影响因素及降噪措施等方面，介绍了储罐底板声发射在线检测技术的研究现状，并指出声发射检测技术效率高、成本低、无需停产、适用面广，是未来储罐罐底检测的主要发展方向。

储罐底板;声发射;检测现状

据统计，原油储罐底板是罐内腐蚀最严重的区域，为保障储罐安全运行，目前世界上很多国家都以法律的形式强制对石油储罐进行定期开罐检测。开罐检测过程包括停工、倒空、清洗、除锈、无损检测等工序，存在造价高、检测时间长等不足[1]。在线检测技术能够在不开罐的情况下实现对罐底腐蚀的检测，主要包括声发射检测技术、超声导波技术、机器人在线检测等[2]。在线检测可以避免开罐检测繁杂的工作流程，提高了检测效率，降低了成本。目前,超声导波技术应用很少，尚处于研究阶段，机器人在线检测系统在国内还是空白，声发射检测技术应用广泛，是未来储罐罐底检测的主要发展方向。本工作主要介绍了声发射检测技术的研究现状,以期为其应用提供参考。

1　声发射检测的原理

声发射检测的原理如图1所示，声发射传感器等距离的耦合在储罐罐壁周围，被动接收储罐底板腐蚀声发射信号。通过传感器接收到的腐蚀声发射信号的时间间隔定位声源，进而分析处理接收到的声发射信号并确定腐蚀状况，以此对罐底的整体完整性及安全性做出评估。声发射检测技术是动态检测技术，能够对缺陷进行实时监控。声发射检测技术检测的不是已经形成的固定缺陷，而是正在形成的缺陷。同时，不需要外加其他辅助设备，可最大限度地降低检测过程对被检测物造成的影响。

图1　声发射检测原理图Fig. 1　Principle diagram of acoustic emission testing

2　国内外研究现状

2.1国外研究现状

国外声发射技术用于大型石油储罐底板腐蚀检测的研究始于20世纪80年代[3-5]。从20世纪90年代开始，美国物理声学公司先后对数千台常压和承压储罐进行了声发射在线检测，根据声发射检测结果与开罐检测结果形成了专家数据库，开发了TANKPACTM大型常压金属储罐底板检测专家系统[6]，用于对储罐底板的腐蚀和泄漏状况进行评价，并根据检测结果推荐清罐检查的优先顺序或确定下一次进行声发射技术检测的周期。目前，壳牌、埃克森、Dow等多家国际石油公司均采用此技术对其所拥有的储罐进行在线检测。

P.T.Cole在1993年发表了声发射方法应用于储罐完整性评价的报告[7]，对声学方法检测储罐罐底进行了理论分析，指出了声学方法的巨大研究价值和潜力。

P.J.Vandeloo等对声发射罐底检测技术的可靠性进行分析，指出根据声发射检测结果对罐底腐蚀状况进行分类的误判概率<5%，能够有效降低炼油厂维修储罐的成本并减少事故隐患。

J.R.Kwon等[8]研究了声发射检测加载和保载的方式，并对维修后且通过射线(RT)方法检测的立式储罐罐底采用声发射方法进行复检，发现储罐底板焊缝中存在活性缺陷。结果表明：声发射方法是常规无损检测方法的有效补充，采用声发射方法可以获得材料动载荷状态下有关疲劳裂纹扩展的重要信息。

A.V.SokoIkin等[9]总结了20世纪90年代以来采用声发射技术检测立式储罐的一些经验，指出声发射活性与罐底腐蚀具有一定的相关性，制定了声发射法检测石油储罐的方法,并对检测结果进行解释，对声发射技术在钢制立式储罐底板在线检测方面的应用前景进行了展望，并分析了罐底声发射检测过程中可能遇到的噪声干扰问题，指出声发射法是检测石油储罐的安全有效的方法。G.Lackner等在25界欧洲声发射会议上介绍了用声发射技术进行罐底腐蚀检测过程中获取可靠数据的方法，应用特定的检测装备和传感器的布置方式，加上适当的定位算法和频率的波形分析，经过现场验证此方法切实有效。

O.A.Nedzvetskaya等[10]分析了板中的兰姆波及液体中传播的纵波等不同介质中的声发射波的传播特性，通过试验对大型立式储罐底板泄漏产生的主要声源进行了研究，得到了大型储罐管底板声发射检测通道数量的计算方法，对声发射技术在钢制立式储罐底板在线检测方面的前景进行了展望。

S.Parkl等[11]在对声发射源和机理进行研究的基础上，阐明声发射产生的机理以及储罐底板腐蚀速率和储罐底板腐蚀过程中声发射活动的关系，提出具有物理基础的声发射检测技术可以有效定量评价腐蚀速率。

S.Yuyama等[12]介绍了一些声发射检测的研究案例，比较了声发射检测获得的结果与地面扫描的测试结果，从声发射源的定位情况和罐底板厚度分布图出发借助腐蚀定位图讨论了声发射检测方法的可靠性。研究表明,声发射源的分布与罐底板的腐蚀程度之间具有一定的相关性，罐底板腐蚀状态越严重,此区域的声发射信号越强，表明声发射源分布越密集。

M.Riahi等[13]模仿储罐现场全部条件，制作了一个小型的模拟储罐，提供了一个识别声发射波形的数据库，并搜集炼油厂地上储罐的声发射检测数据，与数据库中的数据比对以区分泄漏和腐蚀信号，并搭建人工神经网络系统对地上储罐情况进行分类。

经过20多年的发展，国外对储罐底板腐蚀声发射检测的研究由最初的检测方法研究逐步深入到声发射源的产生机理、声发射信号的传播以及声发射信号的处理等方面。随着近年世界各国对石油储备安全的重视，继英国、德国、美国之后，俄罗斯、日本、韩国、澳大利亚、伊朗等国均已经开始了该检测方法的研究。

2.2国内的研究现状

在我国，对储罐底板声发射在线检测的研究尚处于起步的阶段，研究方法主要是基于压力容器声发射检测的一些经验。近年来，大庆石油学院和浙江省特种设备检验中心等单位采用声发射技术对一些常压储罐进行了在线检测。目前，国内的研究主要集中在试验研究方面。

M.H.Yang等[14]在实验室的一个小型储罐的罐底上加工了不同的罐底缺陷，通过改变不同的试验条件，采用声发射方法对罐底的缺陷进行检验，指出罐内液体中气泡的爆裂和泥沙的冲击是罐底腐蚀检测的主要噪声源。

耿荣生等[15]论述了基于波形分析的声发射信号处理技术的原理及面临困难, 介绍这一技术在声发射基本理论研究和工程实践中的应用前景。

刘富君等[16]通过对实验室储罐预制缺陷的声发射检测信号分析，研究了声发射信号与模拟罐底焊缝及腐蚀、泄漏缺陷之间的关系，并比较了各个模拟罐底，分析了声发射用于立式储罐罐底的结构完整性评价的可行性；还采用声发射方法对已经发生泄漏的常压立式储罐进行了声发射监测，确定了储罐底板的泄漏位置，对储罐罐底的检修提供了有价值的指导。

李伟等[17-18]综合分析了声发射方法对在用储罐底板在线检测与综合评估的意义，对声发射技术在评价储罐结构完整性方面的研究进展作了全面评述，并通过地上立式金属储罐底板腐蚀损伤的试验，模拟了立式储罐底板在升压、保压阶段的不同声发射特性，提出了储罐完整性检测与评价方法。

徐彦庭等[19]采用声发射方法对已经发生泄漏的立式常压储罐进行了声发射信号的检测，为储罐罐底的检修提供了有益的指导。

龚仁荣等[20]针对传统的声发射源平面定位中因传感器灵敏度差异和门槛值设置不同对时差定位精度影响较大的问题, 通过研究，讨论了同一频率不同模态、同一模态不同频率两种声发射源平面定位方法,证明两种方法均可得到模拟源的正确定位,从根本上避免了传感器间灵敏度差异对时差定位精度的影响。

李一博等[21-24]利用神经网络技术等对检测到的声发射信号进行分类识别的研究，提高罐底腐蚀评估的准确性。

张运强等[25]通过基于Gaussian方程的Gabor小波及其Fourier变换，研究了Q235B钢板中三种声发射模拟信号的特点及三种信号的区分和识别，提出基于小波变换的信号处理方法,这对于研究实际声发射信号的特点、声发射源的特征和定位以及传感器选择有一定的帮助。

林明春等[26]提出对拱顶储罐底板腐蚀检测采用护卫传感器的采集方法，通过在罐壁上增加一组护卫传感器，并应用特定的方法有效地滤除拱顶滴液产生的噪声信号，现场试验验证此法能有效滤除罐顶滴液产生的噪声干扰，为后续的数据分析与处理提供了可靠的原始数据。

D.Dang[27]等针对声发射(AE)罐底检测过程中传统分析方法无法准确判断储油罐罐底腐蚀区域腐蚀程度的问题，提出了基于平均频谱的储油罐罐底腐蚀声发射特征分析方法，经验证应用基于平均频谱的分析方法，可以有效识别不同腐蚀类型，进而准确判断出罐底腐蚀程度。

李光海等[28]研究了油品中声发射源的定位、波速的计算及声发射信号的衰减规律，指出信号传播路径的不确定性会对信号定位造成困难，提出使用通道单位时间的撞击数来判定更为有效。

李宝玉等[29-32]分别研究了金属腐蚀过程中的声发射信号特征并分析了声发射源，尝试用振铃、能量等参数对不同声发射源信号进行识别，为罐底腐蚀声发射检测提供了理论依据和指导,并通过对现场实际检测数据的处理,对该方法进行验证。结果表明,此法能够有效消除“虚定位”事件，使得罐底评估的结果与开罐实测的结果更加相符。

常向东等[33]在实验室搭建小型仿真油罐，建立了油罐腐蚀的模拟试验数据库。将现场采集的声发射信号实际数据与从实验室数据库数据进行比对分析，给出了渗漏和腐蚀信号的区分方法并利用神经网络系统对被测油罐进行了分类。

张涛等[34]对现场采集到的声发射信号进行处理分析，对比不同时段采集的罐底腐蚀声发射信号情况，得出储罐在白天和夜间采集到的声发射信号数量差异巨大，在夜间采集的声发射数据更能代表罐底腐蚀的真实情况，为现场声发射检测时间的选择提供指导。

张颖等[35]利用相关统计分析方法，结合专家经验，确定判断储罐底板腐蚀状况的主要外部表征因素，采用贝叶斯判别方法结合外部表征因素的储罐罐底板腐蚀辨别预测方法。通过对某油库16台储罐的预测分析并与声发射在线检测结果对比，结果表明，两种方法的符合率可达87.5%。

康叶伟等[36]基于影响罐底声发射在线检测的重要因素，提出了一种新的罐底板腐蚀声发射信号采集方法，提高了腐蚀信号的有效性，为后续腐蚀情况准确的分析处理提供了有力保障，并经过了大量储罐声发射现场试验验证。

方伟等[37]探讨了覆土油罐声发射技术的应用方法和数据分析，试验表明，声发射技术能够对覆土油罐底板的腐蚀状态做出判断，且静压检测和升压检测都可以反映出覆土油罐底板声发射源的活度差异，并据此确定储罐维修的优先权。

庆光蔚等[38]针对声发射信号的特点，对小波变换用于声发射信号的特征分析问题进行了研究，总结出了适用于声发射信号的小波变换信号特征提取方法，并对未来小波变换在声发射领域的应用与研究方向进行了探讨。

汪文友等[39]提出了采用参数滤波、时差滤波、护卫传感器的方法滤除环境噪声、机械噪声、电磁噪声等干扰数据的数据评价方法。

赵彦修等[40]通过实际案例, 介绍了用声发射方法进行油罐底板渗漏检测的原理、程序和结果，证实了该方法的可靠性。

朱建伟等[41]对某输油站5 000 m3原油储罐进行了声发射在线检测与开罐检测结果的对比研究，两者在总体上具有较高的一致性，并对局部存在的偏差进行深入研究，从侧面验证了声发射储罐底板在线检测的可靠性。

邱枫等[42]提出在储罐内部介质中放入传感器，与布置在罐外壁上罐底附近的传感器共同对储罐底板腐蚀缺陷声发射源进行识别的方法，证实该方法可以提高声发射对储罐底板声源识别定位的可靠性。

罐底声发射在线检测在实际操作过程中会遇到很多问题，如检测过程中液位的加载高度、保压时间，声发射传感器的布置等，一直没有达成统一的认识。而且，由于缺乏先进的信号处理手段，直接根据现场采集的声发射信号对罐底腐蚀状况进行评定时，检测结果与罐底的实际情况之间存在一定偏差，使罐底结构完整性分级的准确性受到一定影响。

3　声发射检测的影响因素及降噪措施

声发射罐底腐蚀在线检测主要接受储罐罐底腐蚀信号以及与腐蚀相关的其他信号，这些信号构成了大型储罐声发射检测评估的数据基础。由声发射检测的原理可知，声发射检测是一种动态检测方法，而且探测的是机械波，因此声发射特性对材料甚为敏感，易受到机电噪声的干扰，对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。

在检测过程中，导致检测传感器可以接收到除罐底板腐蚀声发射信号以外声源信号的因素，都是影响声发射检测技术的因素，其中包括电磁噪声干扰、机械噪声干扰、环境噪声(温度变化、风沙天气、雨雪天气)和储罐本体的干扰。此外在检测过程中，传感器与罐壁的耦合情况、检测人员对检测现场具体情况的记录、后期检测数据的解释也会影响声发射检测的准确性。

根据噪声干扰的类型以及作用过程，采取对应的降噪方法，可分为检测环境工况的选取、检测前降噪方法、检测中注意事项、数据后处理降噪方法。

3.1检测工况的选取

进行声发射检测时，不应选在雨雪风沙天气进行。此外，为了避免环境温度对声发射检测信号的影响，可以选择在夜间进行检测或优先选择夜间采集的数据进行腐蚀点定位和数据处理。

3.2检测前的降噪技术

传感器安装完成，准备测试之前，需要对声发射检测系统进行调试，观察各通道是否正常，是否存在电磁干扰。电磁噪声干扰主要来自检测设备本身，可通过主机电源采用三相电源，电源接地进行消除。接地时，一定要选择接地良好的接地极。通过接地、检查信号线接触部位、调换传感器等方式，可排除电磁干扰。测试检测现场的背景噪音，设置合适的门槛值，有助于排除干扰信号。

采用稳定性好的固定支座固定传感器，确保检测过程中传感器与罐壁的良好耦合，目前通过磁力固定的支座应用广泛。

采用两排传感器布置，结合噪声干扰数据筛选方法，筛除来自罐壁和罐顶的干扰信号。底层为主检测传感器，第二层为护卫传感器。来自罐壁和罐顶的噪声信号无法通过人工识别进行滤除。通过护卫传感器，使用一定的数据筛选方法，可将来自储罐底板上方的干扰信号进行数据滤除，有效减少声发射检测过程中的撞击数，提高大型储罐声发射检测评估结果的准确性。

3.3检测过程中的注意事项

检测过程中的机械噪声，可以通过检测人员的观察进行人为消除。检测过程中，检测人员要时刻关注采集信号的变化状况，当发生信号突变时，要根据现场的情况，查找原因，判断是否属于有效信号，记录信号发生的起止时间，用于后期的采集数据的处理。

3.4数据后处理降噪技术

进行数据处理时，根据检测过程中记录的机械噪声情况，将机械噪声信号进行剔除。采用两层传感器布置检测，根据护卫传感器接收到的信号，去除主检测传感器接收到的来自罐壁、罐顶的干扰信号。

4　结语

声发射检测方法对于监测罐底腐蚀活跃程度非常有效，有助于及时评估储罐的腐蚀状况以便及时进行相应处理。此外，声发射检测效率高、成本低、无需停产、适用面广，可以先对大量的储罐进行普查，为管理者合理安排开罐检测提供依据，之后再对开罐检修的储罐采用超声、漏磁等检测方法进行重点区域检测。从而大大减少管理者盲目开罐所造成的损失。在我国大型储罐日益增多、管理任务繁重的情况，采用声发射检测技术对提高管理效率尤为有利，是未来储罐罐底检测的主要发展方向。

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Research Status of Acoustic Emission Online Testing for Bottom Floor of Tanks

JIANG Lin-lin1,2, HAN Wen-li1,2, XU Zhong-ping1,2, WANG Zhi-tao1,2, SU Bi-huang1,2

(1. CNPC Research Institute of Engineering Technology, Tianjin 300451, China; 2. The Key Laboratory of Tubular Goods Engineering, CNPC-Research Division of Anti-corrosion Coating and Thermal Insulation Structure, Tianjin 300451, China)

Bottom floor of tanks is the most serious area in the corrosion of crude oil storage tanks. Acoustic emission technology can test the tank bottom online. It can avoid the cost of stopping production, cleaning tanks and so on resulting from tank opening for test. Research status of acoustic emission online testing for tank bottom is introduced from the aspects of principles of acoustic emission testing, research status at home and abroad, effect factors and noise reduction measures. Acoustic emission testing technology has the advantages of high efficiency, low cost, non-stopping production and a wide range of application, and is the main development direction of the future detection of storage tank bottom.

bottom floor of tank; acoustic emission; testing status

10.11973/fsyfh-201605006

2015-06-26

蒋林林(1985-),工程师,硕士研究生,从事储罐、管道防腐保温等技术的研究工作,022-66310289,jiangll.cpoe@cnpc.com.cn

TG115.28

A

1005-748X(2016)05-0375-06