声发射技术在LNG储罐监测中的应用可行性探索

张锐,丰学工,张文庆,王艳杰

1.中国石油华北油田分公司技术监督检验处 （河北 任丘 062552)

2.中国石油华北油田分公司第二采油厂生产运行科 （河北 霸州 065700）

0 引言

随着国家能源战略结构的调整，液化天然气（LNG）在国内的应用越来越广泛[1-3]。LNG储罐是储存LNG的重要装置，安装、使用过程中的任何不当操作，都有可能导致超压、变形、甚至出现结构损伤，造成严重的安全事故和经济损失[4]。

LNG储罐是由外壳和内壳组成的双层结构，中间充填隔热物质，外壳的检测可通过常规无损检测方法进行，但通常需要停产且成本高。内壳完全封闭在隔热层内，使用常规的检测手段无法进行检测，日常的维护手段主要是真空度检测，对内壳损伤检测或者监测目前仍处于空白。声发射技术作为一种在役、实时、动态检验方法，能够有效监测缺陷的产生及扩展过程，有利于早期识别缺陷，并采取相应的维护策略，避免事故的发生。

1 LNG储罐损伤与失效模式

LNG在储罐内长时间存储过程中，受外部热源的侵扰，会发生物理挥发，导致储罐内压力升高。LNG外壳处于压应力状态，承受真空压力，主要失效模式为应力腐蚀导致的泄漏[5]。

LNG内壳的结构形式为不锈钢外壳缠绕复合材料，内壳在运行过程中不断地承受载荷和应力循环作用，这些应力引发缺陷的扩展（如裂纹的扩展）或结构疲劳失效易导致泄漏[6]。其损伤类型包括以下几种：①不锈钢本体腐蚀，低温应力腐蚀；②内壳焊缝焊接缺陷与残余应力在低温作用下的低温应力开裂；③缠绕层复合材料的分层、脱黏、机体开裂，纤维断裂。

2 声发射技术在LNG储罐监测中的理论可行性分析

2.1 声发射的原理及优势分析

声发射监测的原理如图1所示，当LNG储罐内部的微裂纹在承载条件下发生泄漏时，会以应力波（声发射）的形式释放能量，应力波最终传播到储罐表面，引起表面位移。这些探测器将接收到的机械振动（表面位移）转换为电信号，再通过信号采集处理系统，将电信号放大、处理和记录。

图1 声发射检测原理示意图

与常规无损检测技术相比，声发射技术用于LNG储罐监测有以下优点。

1）声发射检测时不需要停产，能降低检修成本。

2）声发射能够对LNG储罐中早期的塑性变形或微观破坏进行监测，起到预防事故的作用。

3）声发射适用于检测形状复杂构件，由于LNG的内壳完全包覆在外壳中，常规的检测方法无法对内壳进行检测，而声发射能够通过与外壳连接的接管对内壳进行检测。

2.2 声发射信号监测及判定

声发射技术的关键是对声发射信号的监测、识别与判定，根据声发射信号的特征识别缺陷存在以及缺陷的活性和强度，再结合断裂力学、损伤力学，对其安全状况进行综合评价。

1）声发射信号的监测。LNG储罐中产生的声发射信号包括损伤信号和失效信号。损伤的扩展释放过程是一个能量转换过程，其中包含了应力波的机械能，表现为机械波。这种机械波可以激发声发射传感器产生声发射信号。LNG的主要失效形式为泄漏，泄漏时会产生流体介质与金属壁的冲击与摩擦，该过程产生的波动信号会被声发射传感器接收到。根据接收到的信号特征判断是否存在泄漏，并根据不同传感器响应幅度的关系判断泄漏源特性。

2）缺陷信号的识别与判定。声发射监测过程中由于机械振动、电磁干扰等会产生非缺陷信号，因此需要对采集到的信号进行判定。对LNG储罐的监测，可通过2次加载过程的信号对比判断是否来自于缺陷，其加载过程如图2所示。由于二次加载载荷小于一次加载载荷，根据凯瑟尔效应，完好构件在二次加载时不会出现明显的声发射现象，缺陷信号由于应力集中以及裂纹尖端附近的材料力学特性弱于完好构件，在外力加载过程中会出现明显的声发射信号。

3 声发射技术在储罐监测中的应用

为进一步验证声发射技术在LNG储罐监测中的应用可行性，分别对新制的和在役的LNG储罐进行了模拟和实际检测。由于LNG储罐主要的损伤失效信号为裂纹信号和泄漏信号，因此分别对这两种信号的声发射检测过程进行了模拟实验，并选择相同条件的两台LNG储罐进行了现场实际检测。

图2 LNG声发射检测加载程序

3.1 新制LNG储罐的模拟信号源检测

1）裂纹信号模拟测试。裂纹信号属于突发型信号，通过断铅的方式进行模拟，对渤海装备制造有限公司组装完成的LNG储罐进行测试，沿储罐的轴向方向在不同的位置进行断铅，产生应力波，表征该处出现了微小的裂纹开裂，观察传感器是否可以有效接收到不同位置的开裂信号，以及接收信号幅度的程度，从而判断检测过程的有效性和可行性。

图3为传感器接收到的断铅模拟信号幅度图，测试结果表明，模拟信号源发出突发型信号可以远距离传输到传感器，即使在最远端的封头中部依然可以有效接收到近70 dB的信号，即声发射传感器可以有效检测到LNG各个部位处的模拟信号，表明声发射检测裂纹信号的可行性。

图3 断铅时传感器接收到的信号幅度图

2）泄漏信号模拟测试。泄漏信号属于连续型信号，通过摩擦的方式进行模拟。利用铅芯在LNG储罐表面进行连续摩擦，模拟不同强度的连续信号，在不同的距离进行连续激励，表征该处出现了泄漏，观察传感器是否可以有效接收到不同位置的泄漏信号。图4为传感器接收到的摩擦模拟信号幅度图，测试结果表明，模拟信号源发出的连续信号可以被传感器有效接收到，表明声发射对于检测LNG储罐泄漏信号具有可行性。

3.2 在役LNG储罐的声发射检测

分别选择对中国石油华港燃气有限公司1#和2#两台参数完全一致的LNG储罐进行泄漏检测，其中1#储罐在使用过程中发生了泄漏。为便于对比验证，将传感器布置在两台储罐相同位置，检测示意图如图5所示，其中1通道、2通道分别位于1#、2#储罐液相进出口所在封头端部，3通道、4通道分别位于1#、2#储罐尾端封头抽真空接口下部。图6、图7分别表征了1#、2#LNG储罐在相同位置接收到的声发射信号。

图4 摩擦时传感器接收到的信号幅度图

图5 LNG储罐现场泄漏检测图

图6 1#LNG储罐声发射信号幅度图

图7 2#LNG储罐声发射信号幅度图

分析结果显示位于液相进出口处1通道、3通道350 s内接收到的撞击数分别为978次和980次，在相同条件下由于液位的波动产生相同特征的声发射信号。位于尾端封头抽真空接口处的2通道、4通道350 s内接收到的撞击数分别为991次和10次，据此判定2通道处，即1#储罐真空测试口处可能产生泄漏，这与真空度测试的结果一致，证实了声发射检测在实际应用中的可行性。

4 结论

通过对LNG储罐的失效模式进行分析，结合声发射检测的技术原理，对声发射技术在LNG储罐监测中的可行性进行了理论分析和实验验证，得出如下主要结论。

1）理论分析表明，声发射技术能够对LNG内外壳运行过程中的微损伤信号进行监测，为LNG储罐的在线监测提供了新的手段。

2）现场测试表明，采用声发射技术可以有效监测到LNG储罐的裂纹或泄漏信号，因此可有效地应用于LNG储罐的监测和评价。