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常壓儲罐，一般是指鋼制立式圓筒形焊接儲罐，是國家能源保障、戰略?xún)洹⑸虡I(yè)儲備以及石油石化行業(yè)生產(chǎn)必不可少的重要儲存設備。據統計，至2017年，我國已建成九大國家石油儲備基地，原油儲備能力達3770萬(wàn)噸/4400萬(wàn)立方米。按照《國家石油儲備中長(cháng)期規劃》的要求，到2020年我國的石油儲備能力將達到8500萬(wàn)噸/10000萬(wàn)立方米，折合10萬(wàn)立方米儲罐1000臺。加上商業(yè)儲備公司、社會(huì )倉儲公司以及石油石化等行業(yè)生產(chǎn)用各類(lèi)儲罐，在役常壓儲罐數量非常可觀(guān)。

在役儲罐一旦發(fā)生破壞，不僅會(huì )造成物料損失，還可能引發(fā)燃燒、爆炸、中毒等事故。2014年1月，美國自由工業(yè)公司一臺175立方米的常壓儲罐發(fā)生事故，造成了嚴重的生命和財產(chǎn)損失。事故的直接原因是，儲罐投用后至少10年沒(méi)有進(jìn)行過(guò)檢驗和維修，致使罐底板腐蝕穿孔，近40噸4-甲基-1-環(huán)己烷甲醇(MCHM)和聚乙二醇醚(PPH)混合物滲流進(jìn)入儲罐周?chē)乃槭屯寥乐校罱K進(jìn)入河流和居民的飲用水系統。

因此，加強常壓儲罐的在役檢驗具有非常重要的意義，而無(wú)損檢測技術(shù)在其中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。

1、常壓儲罐的主要損傷機理和失效模式

常壓儲罐的設置方式、操作條件和受力狀態(tài)決定了其損傷機理和失效模式與壓力容器不同，標準API 575-2014《常壓和低壓儲罐的檢測》指出：腐蝕是鋼制儲罐及其輔助設備失效、破壞的主要損傷機理，儲罐檢測的主要目的是查找腐蝕位置，確定腐蝕程度。罐體腐蝕減薄導致的失穩和穿孔滲漏是常壓儲罐的主要損傷模式。此外，材料劣化、焊縫裂紋、機械接觸損傷、疲勞裂紋等也是大型儲罐失效的常見(jiàn)原因，儲罐的檢測方法應針對其失效機理進(jìn)行選擇。

2、無(wú)損檢測技術(shù)的選擇及應用

目視檢測

目視檢測，指用人的眼睛對被檢件進(jìn)行檢查，是最為古老、用途最為廣泛的無(wú)損檢測方法，必要時(shí)也可借用簡(jiǎn)單的輔助工具，比如檢測錘、放大鏡、焊縫尺等。從廣義上來(lái)說(shuō)，只要用視覺(jué)進(jìn)行的檢查都可以稱(chēng)為目視檢測。2012年國內以標準的形式將目視檢測明確為承壓設備行業(yè)的一種專(zhuān)業(yè)無(wú)損檢測方法，標準代號為NB/T 47013.7-2012《承壓設備無(wú)損檢測 第7部分：目視檢測》。

目視檢測同樣適用于常壓儲罐的在役檢驗，目視檢測不但可以發(fā)現缺陷，而且在某些方面比采用儀器檢測更為直觀(guān)，例如在結構完整性、罐體腐蝕、變形、泄漏、表面裂紋、罐體保溫層、防腐層的損壞等方面。目視檢測是宏觀(guān)檢查的主要手段，通過(guò)目視檢測還可以明確需要做進(jìn)一步檢驗的部位或部件及其檢驗重點(diǎn)。

超聲波測厚

超聲波測厚是厚度測定最常用的方法，是檢查設備腐蝕減薄最為直接有效、經(jīng)濟可靠的辦法，通過(guò)厚度測定可以找出設備相應部位的腐蝕規律，及時(shí)發(fā)現隱患。對于常壓儲罐而言，壁板的重點(diǎn)檢測區域一般為底板向上1 m的范圍，拱頂的檢測重點(diǎn)為腐蝕嚴重部位，浮頂的檢測重點(diǎn)為明顯腐蝕部位。

為了解決手工測厚需要搭設腳手架的問(wèn)題，國內外儀器廠(chǎng)商已開(kāi)發(fā)出了多款自動(dòng)爬壁檢測機器人，通過(guò)遙控操作，可使機器人到達罐壁任意指定位置，采用水耦合或者空氣耦合，不需要對罐壁進(jìn)行處理，即可進(jìn)行厚度檢測或者超聲波A/B/C掃描檢測，有的產(chǎn)品檢測速度可達10m/min，還可以順利通過(guò)厚度25mm以上的焊縫，從而大大提高檢測效率。

超聲波測厚方法適用于罐壁板、頂板均勻腐蝕的檢測，但一般不宜將其作為主要腐蝕狀態(tài)為非均勻腐蝕的底板腐蝕的檢測手段。由超聲波測厚的原理(見(jiàn)圖1)可以知道，超聲波傳感器發(fā)出的脈沖穿過(guò)被檢物體到達材料的分界面時(shí)，脈沖被垂直反射回傳感器，通過(guò)測定超聲波在材料中傳播的時(shí)間即可確定材料的厚度，而罐底板腐蝕形貌主要是潰瘍狀的坑腐蝕，腐蝕部位上下表面不平行，超聲波不能被反射回發(fā)出脈沖的傳感器，因而很難檢測出腐蝕部位的實(shí)際厚度。

圖1 超聲波測厚原理示意

底板漏磁檢測

漏磁檢測是一種高效的無(wú)損檢測方法，廣泛應用于各種鐵磁性材料的缺陷檢測與評估。20世紀70年代英國天然氣公司將該技術(shù)應用于在役管道的檢驗并開(kāi)展定量分析，漏磁檢測技術(shù)取得了長(cháng)足的進(jìn)展，我國在2007年即推出了JB/T 10765-2007《無(wú)損檢測金屬常壓儲罐漏磁檢測方法》。漏磁檢測是目前檢測有效性、準確性和檢測效率最高的儲罐底板腐蝕檢測方法。采用漏磁檢測儀能夠準確地檢測出腐蝕位置，水平較高的儀器位置準確度可以達到毫米級。

漏磁檢測原理如圖2所示。當一個(gè)含缺陷的鐵磁性工件被施加磁場(chǎng)時(shí)，由于鐵磁材料的磁導率與缺陷處的不同，磁通在缺陷處發(fā)生畸變，一部分磁通(圖中第3部分)會(huì )逸出工件表面，穿過(guò)空氣后再回到S極，這一部分就是所謂的漏磁，漏磁場(chǎng)的強度與缺陷的大小和深度成一定的比例關(guān)系，用霍爾元件檢測到這部分磁通的大小，通過(guò)計算即可知曉缺陷的大小和深度。

圖2 漏磁檢測原理示意

由于漏磁揚的強度與缺陷的大小和深度都有關(guān)系，檢測結果顯示的腐蝕深度為當量深度，而非實(shí)際腐蝕深度。因此，漏磁檢測結果需要采用超聲波直探頭或超聲波C掃描等方式復查確認。圖3為某儲罐底板的漏磁檢測結果。

圖3 某儲罐底板漏磁檢測結果

漏磁檢測的局限性在于只能在開(kāi)罐狀態(tài)下實(shí)施，必須事先進(jìn)行清罐處理，不但會(huì )產(chǎn)生高額的輔助工作費用而且還會(huì )造成停產(chǎn)損失。另外，由于檢驗條件和儀器自身限制，檢測范圍不能達到100%，邊角部位、盤(pán)管覆蓋等部位無(wú)法覆蓋到。為了保證檢測覆蓋率，需要用小型的手動(dòng)邊角掃查器進(jìn)行補充檢測。

底板聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射檢測在承壓設備檢測中的應用已非常成熟，對裂紋類(lèi)或蠕變類(lèi)損傷的聲發(fā)射機理已經(jīng)比較清楚，在管道和容器的檢測和監測中，均有很多實(shí)際應用成功案例。對于儲罐腐蝕檢測，雖尚未完全搞清腐蝕產(chǎn)生聲發(fā)射的機理，但聲發(fā)射技術(shù)在常壓儲罐檢測上的應用也越來(lái)越多，其主要用來(lái)探測底板的腐蝕狀態(tài)或滲漏位置。研究人員常用的做法是，通過(guò)安裝在罐壁下部的聲發(fā)射傳感器陣列采集腐蝕或泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，根據檢測結果劃分綜合等級。按照現行標準，可將底板腐蝕狀態(tài)分為5個(gè)等級，如表1所示。

承壓設備與常壓儲罐聲發(fā)射檢測的比對如表2所示。

高頻導波檢測

導波檢測是一種以點(diǎn)代面的快速母材超聲波檢測技術(shù)，可以通過(guò)一個(gè)很小的檢測區域對周?chē)欢ǚ秶M(jìn)行100％面積的覆蓋檢測，檢測效率高，檢測結果直觀(guān)，具有一定的檢測靈敏度和定位精度，是目前對各種板材或者復合板材比較有效的缺陷檢測方法，可以準確地發(fā)現板材中毫米級以上的腐蝕坑或線(xiàn)性缺陷。導波檢測一般可以與聲發(fā)射技術(shù)相結合，在線(xiàn)檢測儲罐邊緣底板的腐蝕狀況，驗證聲發(fā)射檢測結果，也可以在開(kāi)罐狀態(tài)下，作為漏磁檢測的補充。高頻導波檢測的缺點(diǎn)是衰減快，傳播距離短，一般檢測范圍只有1~2 m。

三維激光掃描檢測

罐體變形是大型常壓儲罐主要的失效模式。儲罐在服役過(guò)程中，受風(fēng)載、地基沉降、液位靜壓等因素的影響，罐體可能發(fā)生變形、傾斜、沉降等損害，不僅影響儲罐的計量精度，嚴重時(shí)會(huì )造成卡盤(pán)、沉頂、泄漏、破裂等事故，因此對罐體的變形檢測和監測非常重要。傳統的罐體測量方法主要有圍尺法、光學(xué)參比線(xiàn)法、光電測距法、全站儀法等，這些檢測方法普遍存在測量時(shí)間長(cháng)、工作強度大、檢測成本高、結果精度低等缺點(diǎn)。此外，由于油罐所處地形及周?chē)h(huán)境復雜、罐體較大、罐間距較小，傳統檢測方法實(shí)施起來(lái)也會(huì )遇到各種各樣的困難。

三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)出現的新的測量技術(shù)，也被稱(chēng)為“實(shí)景復制技術(shù)”，其利用激光測距的原理，通過(guò)記錄被測物體表面密集點(diǎn)云的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復制出被測目標的三維模型及線(xiàn)、面、體等數據，從而獲取精準的測量數據和結果。從掃描圖上可以直觀(guān)地看出各部位的變形情況，一般將可接受區域以綠色表示，外凸超標區域以紅色表示，內凹超標區域以藍色表示，并且可以讀出指定部位的檢測值。圖4~7為某常壓儲罐的掃描檢測結果。

圖7 罐體某母線(xiàn)垂直度掃描結果

焊縫表面檢測

磁粉檢測和滲透檢測是兩大常規表面檢測方法。磁粉檢測適用于鐵磁性材料表面和近表面缺陷的檢測，其靈敏度高、檢測速度快，能直觀(guān)地顯示缺陷的長(cháng)度和形狀，但難以確定其深度。滲透檢測適用于表面開(kāi)口缺陷的檢測，對于鋼制儲罐而言，其檢測有效性、準確性、靈敏度均劣于磁粉檢測，而且探傷劑一般都具有毒性，因而常壓儲罐的表面檢測應優(yōu)選磁粉檢測，在不能實(shí)施磁粉檢測時(shí)，可選用滲透檢測。

從罐體受力狀況分析，立式常壓儲罐是典型的薄殼結構，殼體在自重和液體靜壓的共同作用下，承受環(huán)向薄膜內力和彎曲內力，按第四強度理論計算，其等效應力最大值位于罐壁下部。根據經(jīng)驗公式，最大應力位置距底板的高度H為：

H=

式中：R為罐體半徑；T為罐體厚度。

對于容積為100000立方米的儲罐，H≈2.3m；對于容積為2000立方米的儲罐，H≈0.8m；可見(jiàn)儲罐最大應力的位置一般位于第一層壁板或第二層壁板靠近一、二層壁板間環(huán)焊縫的位置，對于底板而言，中幅板主要受液體的靜壓作用，應力值很小，而邊緣板由于受到向外擴張的壁板的作用，承受很大的徑向彎曲應力，邊緣部位受力較大，向里則迅速衰減。表面裂紋的產(chǎn)生主要與承受的應力大小有關(guān)，因而應對第一、二層壁板間的丁字縫、第一層壁板縱焊縫、大角焊縫、邊緣底板對接焊縫、接管與壁板連接的角焊縫以及宏觀(guān)檢查發(fā)現有滲漏痕跡的部位實(shí)施表面檢測。

焊縫內部檢測

射線(xiàn)檢測和超聲檢測是應用最廣泛的焊縫內部缺陷檢測方法， 超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)技術(shù)也可用于焊縫內部缺陷的檢測。對于常壓儲罐而言，射線(xiàn)檢測體積型缺陷的檢出率很高，缺陷定量準確，有膠片作為檢測記錄；而超聲檢測面積型缺陷的檢出率較高，檢測成本低、速度快，對缺陷在工件厚度方向上的定位較準確，但沒(méi)有直觀(guān)的缺陷記錄；TOFD適用于板厚12mm以上的板材，檢測效率高，可靠性好，定量精度高，能全程記錄信號，長(cháng)久保存數據。

焊縫內部缺陷一般都是在建造施工過(guò)程中產(chǎn)生的，諸如夾渣、氣孔、未熔合、未焊透等。由于常壓儲罐在運行過(guò)程中的受力狀態(tài)較為簡(jiǎn)單，應力較小，焊縫中原始制造缺陷擴張的可能性較低，焊縫中即使保留某些超標缺陷也不會(huì )導致焊縫開(kāi)裂或罐體失效。筆者在檢驗實(shí)踐中曾多次遇到過(guò)壁板焊縫，甚至整圈焊縫存在發(fā)現大面積超標缺陷的情況，參照GB/T 19624-2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》進(jìn)行評定后，發(fā)現這些缺陷的存在不影響儲罐的安全運行。因而一般情況下，不必進(jìn)行焊縫埋藏缺陷的檢測。

3、無(wú)損檢測技術(shù)綜合比較

結 論 

無(wú)損檢測技術(shù)在常壓儲罐在役檢驗中應用非常廣泛，不同檢測方法有其不同的應用范圍，儲罐檢測的重點(diǎn)是腐蝕檢測。開(kāi)罐檢驗中應首選漏磁檢測；在線(xiàn)檢驗中應首選聲發(fā)射和超聲導波檢測；表面檢測和3D掃描檢測也是常用的檢測方法。隨著(zhù)儲罐的大型化、復雜化、高參數化，對新的無(wú)損檢測技術(shù)的需求也會(huì )日益增長(cháng), 希望能有更加智能化、自動(dòng)化的無(wú)損檢測儀器應用于常壓儲罐的在役檢驗中。

作者：趙彥修1， 田紅巖2， 陳彥澤1，王金龍2

中國特種設備檢測研究院

中國石油商儲油分公司

第一作者：趙彥修，高級工程師，主要從事危險品儲罐的檢驗及其技術(shù)研究工作。

來(lái)源：《無(wú)損檢測》2020年9期

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