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常壓儲(chǔ)罐，一般是指鋼制立式圓筒形焊接儲(chǔ)罐，是國(guó)家能源保障、戰(zhàn)略儲(chǔ)備、商業(yè)儲(chǔ)備以及石油石化行業(yè)生產(chǎn)必不可少的重要儲(chǔ)存設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2017年，我國(guó)已建成九大國(guó)家石油儲(chǔ)備基地，原油儲(chǔ)備能力達(dá)3770萬噸/4400萬立方米。按照《國(guó)家石油儲(chǔ)備中長(zhǎng)期規(guī)劃》的要求，到2020年我國(guó)的石油儲(chǔ)備能力將達(dá)到8500萬噸/10000萬立方米，折合10萬立方米儲(chǔ)罐1000臺(tái)。加上商業(yè)儲(chǔ)備公司、社會(huì)倉(cāng)儲(chǔ)公司以及石油石化等行業(yè)生產(chǎn)用各類儲(chǔ)罐，在役常壓儲(chǔ)罐數(shù)量非?？捎^。

在役儲(chǔ)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(guó)自由工業(yè)公司一臺(tái)175立方米的常壓儲(chǔ)罐發(fā)生事故，造成了嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失。事故的直接原因是，儲(chǔ)罐投用后至少10年沒有進(jìn)行過檢驗(yàn)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(chǔ)罐周圍的碎石和土壤中，最終進(jìn)入河流和居民的飲用水系統(tǒng)。

因此，加強(qiáng)常壓儲(chǔ)罐的在役檢驗(yàn)具有非常重要的意義，而無損檢測(cè)技術(shù)在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1、常壓儲(chǔ)罐的主要損傷機(jī)理和失效模式

常壓儲(chǔ)罐的設(shè)置方式、操作條件和受力狀態(tài)決定了其損傷機(jī)理和失效模式與壓力容器不同，標(biāo)準(zhǔn)API 575-2014《常壓和低壓儲(chǔ)罐的檢測(cè)》指出：腐蝕是鋼制儲(chǔ)罐及其輔助設(shè)備失效、破壞的主要損傷機(jī)理，儲(chǔ)罐檢測(cè)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(dǎo)致的失穩(wěn)和穿孔滲漏是常壓儲(chǔ)罐的主要損傷模式。此外，材料劣化、焊縫裂紋、機(jī)械接觸損傷、疲勞裂紋等也是大型儲(chǔ)罐失效的常見原因，儲(chǔ)罐的檢測(cè)方法應(yīng)針對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行選擇。

2、無損檢測(cè)技術(shù)的選擇及應(yīng)用

目視檢測(cè)

目視檢測(cè)，指用人的眼睛對(duì)被檢件進(jìn)行檢查，是最為古老、用途最為廣泛的無損檢測(cè)方法，必要時(shí)也可借用簡(jiǎn)單的輔助工具，比如檢測(cè)錘、放大鏡、焊縫尺等。從廣義上來說，只要用視覺進(jìn)行的檢查都可以稱為目視檢測(cè)。2012年國(guó)內(nèi)以標(biāo)準(zhǔn)的形式將目視檢測(cè)明確為承壓設(shè)備行業(yè)的一種專業(yè)無損檢測(cè)方法，標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為NB/T 47013.7-2012《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第7部分：目視檢測(cè)》。

目視檢測(cè)同樣適用于常壓儲(chǔ)罐的在役檢驗(yàn)，目視檢測(cè)不但可以發(fā)現(xiàn)缺陷，而且在某些方面比采用儀器檢測(cè)更為直觀，例如在結(jié)構(gòu)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(cè)是宏觀檢查的主要手段，通過目視檢測(cè)還可以明確需要做進(jìn)一步檢驗(yàn)的部位或部件及其檢驗(yàn)重點(diǎn)。

超聲波測(cè)厚

超聲波測(cè)厚是厚度測(cè)定最常用的方法，是檢查設(shè)備腐蝕減薄最為直接有效、經(jīng)濟(jì)可靠的辦法，通過厚度測(cè)定可以找出設(shè)備相應(yīng)部位的腐蝕規(guī)律，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。對(duì)于常壓儲(chǔ)罐而言，壁板的重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域一般為底板向上1 m的范圍，拱頂?shù)臋z測(cè)重點(diǎn)為腐蝕嚴(yán)重部位，浮頂?shù)臋z測(cè)重點(diǎn)為明顯腐蝕部位。

為了解決手工測(cè)厚需要搭設(shè)腳手架的問題，國(guó)內(nèi)外儀器廠商已開發(fā)出了多款自動(dòng)爬壁檢測(cè)機(jī)器人，通過遙控操作，可使機(jī)器人到達(dá)罐壁任意指定位置，采用水耦合或者空氣耦合，不需要對(duì)罐壁進(jìn)行處理，即可進(jìn)行厚度檢測(cè)或者超聲波A/B/C掃描檢測(cè)，有的產(chǎn)品檢測(cè)速度可達(dá)10m/min，還可以順利通過厚度25mm以上的焊縫，從而大大提高檢測(cè)效率。

超聲波測(cè)厚方法適用于罐壁板、頂板均勻腐蝕的檢測(cè)，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(cè)手段。由超聲波測(cè)厚的原理(見圖1)可以知道，超聲波傳感器發(fā)出的脈沖穿過被檢物體到達(dá)材料的分界面時(shí)，脈沖被垂直反射回傳感器，通過測(cè)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(cè)出腐蝕部位的實(shí)際厚度。

圖1 超聲波測(cè)厚原理示意

底板漏磁檢測(cè)

漏磁檢測(cè)是一種高效的無損檢測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于各種鐵磁性材料的缺陷檢測(cè)與評(píng)估。20世紀(jì)70年代英國(guó)天然氣公司將該技術(shù)應(yīng)用于在役管道的檢驗(yàn)并開展定量分析，漏磁檢測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，我國(guó)在2007年即推出了JB/T 10765-2007《無損檢測(cè)金屬常壓儲(chǔ)罐漏磁檢測(cè)方法》。漏磁檢測(cè)是目前檢測(cè)有效性、準(zhǔn)確性和檢測(cè)效率最高的儲(chǔ)罐底板腐蝕檢測(cè)方法。采用漏磁檢測(cè)儀能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出腐蝕位置，水平較高的儀器位置準(zhǔn)確度可以達(dá)到毫米級(jí)。

漏磁檢測(cè)原理如圖2所示。當(dāng)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(dǎo)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(qiáng)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(cè)到這部分磁通的大小，通過計(jì)算即可知曉缺陷的大小和深度。

圖2 漏磁檢測(cè)原理示意

由于漏磁揚(yáng)的強(qiáng)度與缺陷的大小和深度都有關(guān)系，檢測(cè)結(jié)果顯示的腐蝕深度為當(dāng)量深度，而非實(shí)際腐蝕深度。因此，漏磁檢測(cè)結(jié)果需要采用超聲波直探頭或超聲波C掃描等方式復(fù)查確認(rèn)。圖3為某儲(chǔ)罐底板的漏磁檢測(cè)結(jié)果。

圖3 某儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)結(jié)果

漏磁檢測(cè)的局限性在于只能在開罐狀態(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(fèi)用而且還會(huì)造成停產(chǎn)損失。另外，由于檢驗(yàn)條件和儀器自身限制，檢測(cè)范圍不能達(dá)到100%，邊角部位、盤管覆蓋等部位無法覆蓋到。為了保證檢測(cè)覆蓋率，需要用小型的手動(dòng)邊角掃查器進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)。

底板聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射檢測(cè)在承壓設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用已非常成熟，對(duì)裂紋類或蠕變類損傷的聲發(fā)射機(jī)理已經(jīng)比較清楚，在管道和容器的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中，均有很多實(shí)際應(yīng)用成功案例。對(duì)于儲(chǔ)罐腐蝕檢測(cè)，雖尚未完全搞清腐蝕產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)理，但聲發(fā)射技術(shù)在常壓儲(chǔ)罐檢測(cè)上的應(yīng)用也越來越多，其主要用來探測(cè)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(hào)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果劃分綜合等級(jí)。按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，可將底板腐蝕狀態(tài)分為5個(gè)等級(jí)，如表1所示。

承壓設(shè)備與常壓儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)的比對(duì)如表2所示。

高頻導(dǎo)波檢測(cè)

導(dǎo)波檢測(cè)是一種以點(diǎn)代面的快速母材超聲波檢測(cè)技術(shù)，可以通過一個(gè)很小的檢測(cè)區(qū)域?qū)χ車欢ǚ秶M(jìn)行100％面積的覆蓋檢測(cè)，檢測(cè)效率高，檢測(cè)結(jié)果直觀，具有一定的檢測(cè)靈敏度和定位精度，是目前對(duì)各種板材或者復(fù)合板材比較有效的缺陷檢測(cè)方法，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)板材中毫米級(jí)以上的腐蝕坑或線性缺陷。導(dǎo)波檢測(cè)一般可以與聲發(fā)射技術(shù)相結(jié)合，在線檢測(cè)儲(chǔ)罐邊緣底板的腐蝕狀況，驗(yàn)證聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果，也可以在開罐狀態(tài)下，作為漏磁檢測(cè)的補(bǔ)充。高頻導(dǎo)波檢測(cè)的缺點(diǎn)是衰減快，傳播距離短，一般檢測(cè)范圍只有1~2 m。

三維激光掃描檢測(cè)

罐體變形是大型常壓儲(chǔ)罐主要的失效模式。儲(chǔ)罐在服役過程中，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(chǔ)罐的計(jì)量精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成卡盤、沉頂、泄漏、破裂等事故，因此對(duì)罐體的變形檢測(cè)和監(jiān)測(cè)非常重要。傳統(tǒng)的罐體測(cè)量方法主要有圍尺法、光學(xué)參比線法、光電測(cè)距法、全站儀法等，這些檢測(cè)方法普遍存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、工作強(qiáng)度大、檢測(cè)成本高、結(jié)果精度低等缺點(diǎn)。此外，由于油罐所處地形及周圍環(huán)境復(fù)雜、罐體較大、罐間距較小，傳統(tǒng)檢測(cè)方法實(shí)施起來也會(huì)遇到各種各樣的困難。

三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新的測(cè)量技術(shù)，也被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，其利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面密集點(diǎn)云的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)制出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等數(shù)據(jù)，從而獲取精準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果。從掃描圖上可以直觀地看出各部位的變形情況，一般將可接受區(qū)域以綠色表示，外凸超標(biāo)區(qū)域以紅色表示，內(nèi)凹超標(biāo)區(qū)域以藍(lán)色表示，并且可以讀出指定部位的檢測(cè)值。圖4~7為某常壓儲(chǔ)罐的掃描檢測(cè)結(jié)果。

圖7 罐體某母線垂直度掃描結(jié)果

焊縫表面檢測(cè)

磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)是兩大常規(guī)表面檢測(cè)方法。磁粉檢測(cè)適用于鐵磁性材料表面和近表面缺陷的檢測(cè)，其靈敏度高、檢測(cè)速度快，能直觀地顯示缺陷的長(zhǎng)度和形狀，但難以確定其深度。滲透檢測(cè)適用于表面開口缺陷的檢測(cè)，對(duì)于鋼制儲(chǔ)罐而言，其檢測(cè)有效性、準(zhǔn)確性、靈敏度均劣于磁粉檢測(cè)，而且探傷劑一般都具有毒性，因而常壓儲(chǔ)罐的表面檢測(cè)應(yīng)優(yōu)選磁粉檢測(cè)，在不能實(shí)施磁粉檢測(cè)時(shí)，可選用滲透檢測(cè)。

從罐體受力狀況分析，立式常壓儲(chǔ)罐是典型的薄殼結(jié)構(gòu)，殼體在自重和液體靜壓的共同作用下，承受環(huán)向薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力，按第四強(qiáng)度理論計(jì)算，其等效應(yīng)力最大值位于罐壁下部。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，最大應(yīng)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(duì)于容積為100000立方米的儲(chǔ)罐，H≈2.3m；對(duì)于容積為2000立方米的儲(chǔ)罐，H≈0.8m；可見儲(chǔ)罐最大應(yīng)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(duì)于底板而言，中幅板主要受液體的靜壓作用，應(yīng)力值很小，而邊緣板由于受到向外擴(kuò)張的壁板的作用，承受很大的徑向彎曲應(yīng)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(yīng)力大小有關(guān)，因而應(yīng)對(duì)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(duì)接焊縫、接管與壁板連接的角焊縫以及宏觀檢查發(fā)現(xiàn)有滲漏痕跡的部位實(shí)施表面檢測(cè)。

焊縫內(nèi)部檢測(cè)

射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)是應(yīng)用最廣泛的焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法， 超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)技術(shù)也可用于焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。對(duì)于常壓儲(chǔ)罐而言，射線檢測(cè)體積型缺陷的檢出率很高，缺陷定量準(zhǔn)確，有膠片作為檢測(cè)記錄；而超聲檢測(cè)面積型缺陷的檢出率較高，檢測(cè)成本低、速度快，對(duì)缺陷在工件厚度方向上的定位較準(zhǔn)確，但沒有直觀的缺陷記錄；TOFD適用于板厚12mm以上的板材，檢測(cè)效率高，可靠性好，定量精度高，能全程記錄信號(hào)，長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)。

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

3、無損檢測(cè)技術(shù)綜合比較

結(jié) 論 

無損檢測(cè)技術(shù)在常壓儲(chǔ)罐在役檢驗(yàn)中應(yīng)用非常廣泛，不同檢測(cè)方法有其不同的應(yīng)用范圍，儲(chǔ)罐檢測(cè)的重點(diǎn)是腐蝕檢測(cè)。開罐檢驗(yàn)中應(yīng)首選漏磁檢測(cè)；在線檢驗(yàn)中應(yīng)首選聲發(fā)射和超聲導(dǎo)波檢測(cè)；表面檢測(cè)和3D掃描檢測(cè)也是常用的檢測(cè)方法。隨著儲(chǔ)罐的大型化、復(fù)雜化、高參數(shù)化，對(duì)新的無損檢測(cè)技術(shù)的需求也會(huì)日益增長(zhǎng), 希望能有更加智能化、自動(dòng)化的無損檢測(cè)儀器應(yīng)用于常壓儲(chǔ)罐的在役檢驗(yàn)中。

作者：趙彥修1， 田紅巖2， 陳彥澤1，王金龍2

中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院

中國(guó)石油商儲(chǔ)油分公司

第一作者：趙彥修，高級(jí)工程師，主要從事危險(xiǎn)品儲(chǔ)罐的檢驗(yàn)及其技術(shù)研究工作。

來源：《無損檢測(cè)》2020年9期

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