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声发射技术在储罐腐蚀、管道腐蚀泄露、 阀门泄…
发布时间：2017-07-27 11:57编辑：pxaes阅读（）
声发射技术在储罐腐蚀、管道腐蚀泄露、 阀门泄漏及结构完整性方面的应用
一 前言
储运设施(储罐、管道、阀门、动设备等)在石化行业占据重要的位置，储运设施是石油、石化和仓储单位生产过程的重要单元，承担着存储，中转以及其他特种功能作用，其内部介质往往具有易燃、易爆、高毒、强腐蚀的特点，其危险等级较高。一旦出现事故将造成重大的经济损失，以及严重的甚至较难恢复的环境污染问题，严重影响人民群众的生命财产安全。因此保证储运设施的安全运行，具有现实的重要的价值和意义。以储罐为例，国内的储罐现状是建罐时间不一，基础质量以及管理方式不科学，使得在用的储罐存在着较大的安全风险。安全管理上往往以生产为主忽略安全监测，存在不科学的日常管理方式，盲目的开罐检测是较为突出的现象。
尽管现行的定期例行检测方法可以避免一些腐蚀引起的泄漏事故，但按现行的维护策略，付出大量费用进行清罐检查的罐可能是不需要维修的好罐，这种情况在实际工作中经常发生，且随着近年材料、建造、维护方法的改进，罐体的使用年限不断延长，因此定期维护虽然在一定程度上保证了罐体的安全运营，但其经济性已经严重影响到运营成本。通常情况是一些罐在例行维修之前就已经发生了严重腐蚀，而另一些罐在达到例行维修期时，还远没有出现有害腐蚀。因此本文论述采用声发射在线评估技术能帮助管理者列出贮罐的维修优先顺序，不仅能节省费用，更能节省时间，是一种科学、有效、经济的在线安全评估方法。同时声发射技术在管道、阀门等关键设施的应用得到了广泛认可。
二 声发射技术
2．1 声发射机理
声发射检测是一种在役，实时，动态检验方法；实时反映被测构件内的损伤发生、发展的动态变化过程，使得监检测人员根据现场的数据及时采取相应措旌，防止重大事故的发生。声发射是一种动态检验方法，对线性缺陷较为敏感，在一次实验中，能够整体探测和评价整个结构中缺陷的状态。
基于以上机理，对于材料的微观形变和开裂以及裂纹的发生和发展，就可以利用声发射来提供他们的动态信息，声发射源往往是材料灾难性破坏的发源地，由于声发射现象往往在材料破坏之前就会出现，因此只要及时捕捉这些信息，根据其声发射信号的特征及其发射强度，就可以推论得知声发射远的目前状态，以及它形成的历史并对其发展趋势进行预报。
2．2 腐蚀过程声发射监测原理
金属在腐蚀过程中由于化学、电化学或物理反应释放能量，产生弹性波。腐蚀过程往往伴随着其他因素的影响，在役设备体积较大，其自身重力及结构形状常常在腐蚀区域造成应力集中，材料在应力与腐蚀的共同作用下加速裂纹的萌生与扩展。由于使用年限的增长，设备在各种环境下不断发生腐蚀，形成具有一定厚度的腐蚀层，由于腐蚀层与材料本体力学性能差异，会不断与本体层间剥离和脱落，产生声发射信号。实际环境中还伴随着氢鼓泡，析氢反应中气泡破裂以及腐蚀过程中能量的转换与释放，都会产生声发射现象。
2．3泄露过程声发射监测原理
泄露过程往往存在着介质与容器壁之间的摩擦冲击，流体的动能转化为壁面的振动(波动信号)，该波动信号沿着容器壁面和介质向远处传播，被贴放在容器壁面的传感器接收到，根据不同传感器接收的时间以及接收的信号能量大小，可以定性以及定量的反映出是否泄露以及泄露的位置情况，有利于远距离判断泄露源，减少工作量，特别适合于一些无法开挖的地段。目前声发射泄露广泛应用与管道泄露以及阀门泄露的检测工作中。
三 储罐声发射检测
3．1 必要性
常压储罐历来维修策略的弊端主要有两点，盲目开罐与事后维护，这主要由于没有一种可靠的在线评估方法，导致管理方式的固定和不科学，造成巨大的经济损失以及环境污染事故。盲目开罐主要来自于储罐管理制定方案，在定检周期进行开罐清理维护，其结果是许多不需要维护的安全运营的储罐不得不停产，倒灌，清罐，排空，常规检测，再填充满物料，这种基于固定周期的维护策略不符合当今储罐的科学管理方法，特别是检修费用不足以对当年所有到期储罐进行全部开罐检测，这就会带来一个储罐开罐检测的顺序问题，同时更严重的将造成巨大的人力、物力和资金浪费。事后维护是由于没有进行有计划的储罐在线维护方案而导致储罐超期服役或者在两次定检周期之间发生泄漏事故。
声发射的优势在于：对罐群感兴趣的储罐进行快速的分类、筛查、排序，将储罐内部罐底的腐蚀活动性状态按照严重性级别进行排序，这样，便可以可靠地有依据的对该罐群的重点储罐进行优先维护。既可以保证坏罐得到及时的安全维护，同时可以使得好罐得到继续正常运营。这是一种科学的罐群管理方法。
3．2 检测原理
声发射罐底腐蚀在线检测主要接收储罐罐底腐蚀信号以及与腐蚀相关的次腐蚀信号，其中包括腐蚀产物(氧化物、水化物、气泡等)的活动，次腐蚀的信号是由于腐蚀产物的活性而产生，其信号的强烈程度可以间接表征腐蚀发生的强烈过程。同时，罐底腐蚀是一个时间一能量累积与释放过程，罐底的强烈腐蚀信号有可能掩盖微小泄漏信号，同理较强的泄漏信号会掩盖了微弱的腐蚀信号。
图1为声发射罐底腐蚀检测简图。这种设备并不复杂，它由传感器、前置放大器、电缆线、声发射处理卡、计算机及软件等构成。所有检测过程都非常简单和方便。
显然，上述过程不需要倒罐及清罐，只是在检测前需关闭阀门和泵几小时(最多24小时)，检测完成后罐可立即投入使用。此外，由于它也非常省时省力，它比其他象超声，磁粉等离线检测方法更省费用。如果把倒罐、清罐、检测、重新充罐以及停产等所有因素都考虑进去，这种方法的经济高效的特点是非常显著的。
图2给出一贮罐在维修前后声发射检测结果，维修前的E级罐(a)维修后变成A级罐(b)，显然声发射技术成功地区分开两种不同状况的罐。图3为检测到D级储罐以及开罐验证，图4为监测到泄露以及开罐验证。
3 3 工业使用验证
经验表明超过50％的罐为不必立即维修的A类B类对没有可见指示位置和泄漏，疑似泄露在管道段的长度罐，这意味着占总数50％以上的A类和B类罐不需要开的4．3公里范围内的任何地方。采用声发射方法识别和采罐而可立即重新投入使用。需进一步采取行动的只是c一用互相关定位方法找出泄漏源。E级罐，但优先维修的计划可基于C—E等级及维修费用等。基于这种策略所带来的经济效益是非常显著的对于一个工业现场用户，一年节省数百万美元的检修费用不是不可能的。
四 声发射管道泄露检测
4．1检测必要性
埋地管道泄漏检测方法较多，包括内检测机器人中的漏磁和声波检测，由于管道机器人的使用对管道结构、管道的直径，内部介质，管道走向，管道内部情况等要求较高，存在一些无法使用内检测机器人的情况。而管道长期使用过程中由于应力腐蚀，焊接缺陷裂纹扩展等又不可避免发生泄漏，造成重大经济损伤和环境污染，甚至引起爆炸，造成严重的人员伤亡，因此需要一种新的管道泄漏检测技术进行检测。
4．2检测机理：
通常最有效的声发射定位检测方法为线性定位，根据管道的已知信号幅值衰减曲线或者现场测试的信号幅值衰减曲线，按照传感器接收到的信号幅值判断泄露产生的管段，继而对该管段的特点采用不同数量的传感器进行进一步的精确定位。泄漏段的流体在静载压力的作用下紊流状态激发高强度的冲击和气蚀以及颗粒与罐壁的碰撞，管道内部的介质是良好的声导体，有利于信号的远距离传播，为远距离监测提供便利条件。
4．3检测要求，优势和特点
在埋地管道相邻一定距离确定监测点，对监测点需要开挖，并且管道的保护层需要去除15*15cm2的范围，用来安装传感器。检测过程采用静载加压，避免流动过程的干扰。
针对每一个开挖的测点，采用手持式设备进行信号幅值测量，该过程简单快速，根据每一管段两端的传感器测量值可以判断泄露点发生的管段，采用多通道系统对该管段进行多通道的线性定位检测，用以精确定位泄露源的位置。
成功的检测与AE泄漏取决于泄漏从AE的距离传感器，管材料(厚度，材料等)的衰减特性和类型的流体(气体，液体)管内。它还取决于周围的环境(空气，土壤)和条件(雷诺数)的泄漏孔，这反过来又依赖于流速，差压，孔的尺寸和流体的类型。在一般情况下，较高的雷诺数(例如，更高的压力差)，更有利于可检测到泄漏。
4．4现场测试
在新管线的8Mpa水压试验，测试过程中压力不断下降，雇主估计存在约120升，小时的泄漏率。有泄漏的绝对没有可见指示位置和泄漏，疑似泄露在管道段长度的4．3公里范围内的任何地方。采用声发射方法识别和采罐而可立即重新投入使用。需进一步采取行动的只是c一用互相关定位方法找出泄漏源。
图5为该管段个点监测信号幅值，针对该管段的不同结构特征，确定了29个测点位置，每两个测点的间距在125米左右，采用便携式设备在0．8Mpa的压力下进行测试，确定了泄漏源位于如图所示的1-4通道覆盖的长度为375米的范围，采用多通道系统对375米的范围进行多点线性定位，确定了泄漏源的位置，直接测量得到其在2Mpa的压力下，泄漏率达到80升／小时。整个检测时间持续4天。图6为泄露点。
4．5声发射管道腐蚀检测
腐蚀过程的声发射机理已经在前面论述过，管道腐蚀过程的声发射监测容易受到外界噪音大干扰，因此同样需要管道内介质不流动，将传感器贴放在管道本体上，腐蚀信号由管道内介质沿着轴向前后传播，采用低频传感器(储罐检测用传感器)进行远距离接收腐蚀信号，通过对腐蚀信号的采集、处理分析，综合管道运行工况和运行介质判断内部腐蚀严重程度，并给出后续的维护策略，从完整性管理的角度进行评估。图7为管道腐蚀现场检测图。
五 阀门泄漏检测／监测
5．1检测必要性
这里的阀门泄露指阀门关闭状态下的内漏，这不像外部泄漏容易察觉。一个炼油厂每年的天然气损失大概是50万至500万美元之间。众多设备的阀门泄露是其中的一个重要原因。对每个阀门进行泄露检测并评估其泄漏率是一种行之有效的办法。
内漏的发生除了造成重大经济损失，同时存在较大的安全风险，其内部介质往往存在易燃、易爆、高毒、强腐蚀等特点，其泄露会造成大量人员伤亡和严重的环境污染，甚至是不可恢复的。
泄露过程的紊流过程产生的高频信号可以有效的被贴在阀体上的传感器接收到，同时可以较好的屏蔽振动噪音的干扰，这是声发射可以用于检测阀门泄漏的原因。这大大增加了阀门内漏在线检测的价值和工程意义。
5．2检测机理
通过检测阀门不同部位的信号值，即可以现场判断阀门是否存在内漏，根据所采集到的内漏信号值以及阀门的基础信息，可以得到阀门在该工况下的泄漏率以及泄漏量。
阀门完全关闭时若有内漏，内部会产生湍流流体，声发射仪器可以检测到这种湍流流体产生的信号，仪器可以检测出这种湍流信号的强度，再根据数据库进一步确定其泄漏率，图8为阀门内漏检测现场图。
5．3检测适用场合
检测适用范围很宽，包括炼油厂、海上采油平台、化学工、天然气储运公司、发电厂
5．4在线防爆监测
根据巡检的结果可以实时判断存在内漏的阀门，由于生产任务以及阀门的成本考量等因素，阀门不能立即更换；另一方面是希望对某些重点阀门进行长期监测，在其运行过程中及早预报内漏的发生，避免发生重大安全事故，因此可以采用在线防爆监测方法，数据可以直接存储到客户的数据采集系统中。
六声发射完整性管理应用
6．1完整性管理
完整性管理定义为：面对不断变化的因素，对油气储运设施运行中面临的风险因素进行识别和评价，通过监测、检测、检验等各种方式，获取与专业管理相结合的完整性的信息，制定相应的风险控制对策，不断改善识别到的不利影响因素，从而将运行的风险水平控制在合理的、可接受的范围内，最终达到持续改进、减少和预防事故发生、经济合理地保证安全运行的目的。完整性管理是一个与时俱进的连续过程，失效模式是一种时间依赖的模式。腐蚀、老化、疲劳、自然灾害、机械损伤等能够引起失效的多种过程，随着岁月的流逝不断地侵蚀，必须持续不断进行风险分析、检测、完整性评价、维修等。图9为完整性管理流程图。
6．2声发射在完整性管理上的应用
声发射是一种在线、实时、动态、整体性的检测，监测方法，在线的特点避免了设备的停产、停车造成的生产损失，同时保证了设备的正常运行，保证流程生产的完整性；实时检测体现了声发射方法的监测优势，实时检测判断损伤的萌生、发展、变化过程趋势，有利于实时判断设备的结构完整性，避免产生重大的不可恢复的事故发生；动态更能体现出监测过程的真实信息，真实的反映被检测结构的损伤实时信息，避免信息的滞后导致事故的发生，起到了预报预测的功能；整体性的特点体现了一次性检测或监测可以整体判断结构的整体安全状态，避免漏检以及其他抽检、定检方法的局限性，是完整性评估管理不可或缺的方法。综上所述，声发射检测的特点对于设施的完整性管理具有在线、实时、动态、完整性的特点。
七结束语
从应用的角度讲，声发射技术在完整性管理上的应
用主要表现在以下几个方面：
(1)、声发射技术在压力容器的完整性管理上实现了在线长期安全监测，并根据检测的数据进行自动评级，根据不同的级别给出不同的后续维护策略，这依赖于20000多台套不同直径，不同结构，不同介质，不同工况的检验数据库开发而成的专家系统。
(2)、声发射常压储罐完整性管理专家系统，建立于8000多台套不同罐径，不同介质，不同年限的常压储罐在线监测以及开罐验证的数据库开发而成，基于经验数据表明，罐底腐蚀的安全情况是影响储罐完整性管理的重大危险源，声发射技术正是对罐底腐蚀状态的安全评估，根据评估结果对储罐单体，罐群以及从上层管理角度给出科学的、合理的后续维修策略，避免漏检，盲目开罐，减少环境污染以及带来了科学的管理策略，具有极好的经济效益和社会价值。
(3)、阀门在线定性定量检测评估系统，从完整性角度着手，科学合理的安排巡检时间，根据阀门的作用以及维护的必要性，科学合理的安排后续维护策略，这种阀门完整性管理的方法历时10年开发而成，并涵盖了目前的所用阀门类型，使得现场检测阀门内漏更加可靠、方便、快捷，实现了泄漏量的定量评估计算。
(4)、声发射在管道上的完整性管理，体现在管道的腐蚀监测与泄露监测两个方面，需要综合考虑管道的运行参数和工况，同时考虑声发射方法使用的特点，综合考量声发射技术在管道完整性管理的应用可行性，对未来管道的安全运行具有更大的指导意义。
八、参考文献：
【1]沈功田，耿荣生，刘时风．声发射信号的参数分析方法[J]．无损检测，2002，24(2)：72—77
【2】沈功田，耿荣生，刘时风．声发射源定位技术[J]．无损检测，2002，24(3)：114—117
[3】3耿荣生，沈功田，刘时风．模态声发射基本理论[J】．无损检测，2002，24(7)：302—306
[4]沈功田，耿荣生，刘时风．连续声发射信号的源定位技术[J]．无损检测，2002，24(4)：164—167
【5】李光海，刘时风，耿荣生，等．声发射源特征识别的最新方法【J】．无损检测，2002，24(12)：534—538
[6】Yuyama S，Kishi T，Hisamatsu Y．Corrosion Fatigue Characteristicis of 304-Stainless Steel and AE Analysis During the Process Monitoring of Cracking and AE Source[J]．JapanInst．Metals．1982，46(1)：85-93
[7]Nozne A，Kishi T．Evaluation of Hydrogen-InducedCracking Unit of AISI-4340 Steel by Acoustic Emission Technique[J]。Japan Inst．Metals，1981，45(1)，1305-1309
【8】Yuyama S，Kishi T，Hisamatsu Y，Kakimi T．Effect of Environments，Mechanical Conditions and Sensitization on Crack Growth and AE Behavior During Corrosion Fatigue Process of Sensitized 304——Stainless Steel(AE Source Identification by SEM
Observations)[J]．Japanlnst．Metals，1982，46(5)；509
【9】Yuyama S，Kishi T，Hisamatsu Y，Kakimi T．SCC Characteristics of Ti-6AI-4V Alloy and Analysis of Cracking Process by Visual Observations and AE Technique[J]．Boshoku Gijutsu(Corrosion Engineering)，1981，30：684
[10]Kusanagi H，Kimura H，Sasaki H，Stress Effect on the Magnitude of Acoustic Emission During Magnetization of Ferromagnetic Materials[J]． Acoustical Society America，1978：175—180
[1 1】Suzuki Y，Tsujukawa S，Hisamatsu J．Studies on the Mechanism of Stress Corrosion Cracking of Pure Copper by Using Acoustic Emission Technique[J]．Boshoku Gujltsu，1976，25：1 55
汪文有
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