LD32－2PSP海洋平臺(tái)方形原油儲(chǔ)罐在役檢測(cè)

馮 勝，曲偉首，嚴(yán) 偉，李芳振

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300000；2.海洋石油工程股份有限公司檢驗(yàn)公司，天津 300000）

LD32－2PSP平臺(tái)上采用為國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)中最大的方形原油儲(chǔ)罐，該儲(chǔ)罐形狀沒(méi)有采取傳統(tǒng)的圓柱形，而是采用了儲(chǔ)油容量更大的方形結(jié)構(gòu)；儲(chǔ)罐本體也沒(méi)有采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)，而是采用罐壁和底板與平臺(tái)樁腿和結(jié)構(gòu)梁焊接為一體的整體結(jié)構(gòu)；管壁板沒(méi)有使用傳統(tǒng)的平鋼板，而是采用了一種適應(yīng)本體結(jié)構(gòu)的波紋板［1］。

LD 32－2PSP海洋平臺(tái)方形原油儲(chǔ)罐位于平臺(tái)下層甲板和中層甲板之間。原油儲(chǔ)存能力超過(guò)一萬(wàn)立方米，油儲(chǔ)存能力為國(guó)內(nèi)單體最大，內(nèi)部工作介質(zhì)為65℃。

基于LD32－2PSP海洋平臺(tái)方形圓油儲(chǔ)罐所具有的特點(diǎn)，在服役的安全性上面臨著比陸地儲(chǔ)罐更大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的復(fù)雜性，以及儲(chǔ)罐所處的特殊工況環(huán)境使得其在使用過(guò)程中可能產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的缺陷。聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來(lái)判斷內(nèi)部損傷程度的一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，與其它無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，有很多的優(yōu)點(diǎn)。首先，聲發(fā)射檢測(cè)方法是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，可以獲得關(guān)于缺陷的動(dòng)態(tài)信息，并據(jù)此評(píng)價(jià)缺陷的實(shí)際危害程度，以及結(jié)構(gòu)的完整性和預(yù)期使用壽命；其次，聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)線狀缺陷較為敏感，能探測(cè)到在外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下缺陷的活動(dòng)情況；而且它對(duì)能否接近被檢工件的要求不高，因而適用于在其他無(wú)損檢測(cè)方法難以或無(wú)法接近（如高低溫、核輻射、易燃、易爆和劇毒等）的環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)［2］；對(duì)于平臺(tái)儲(chǔ)罐罐體缺陷可能導(dǎo)致的問(wèn)題，采用一種快速有效的檢測(cè)技術(shù)，確定缺陷的位置，評(píng)估缺陷損傷嚴(yán)重程度，對(duì)用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)并防范風(fēng)險(xiǎn)，具有比較重要的意義。

1 聲發(fā)射檢測(cè)的基本原理

聲發(fā)射技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出的應(yīng)力波來(lái)判斷內(nèi)部損傷程度的一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法。它可以在構(gòu)件或材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷或潛在缺陷處于運(yùn)動(dòng)變化的過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)［3－4］。與常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比有兩個(gè)基本特點(diǎn)：一是對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感，在缺陷萌生和擴(kuò)展過(guò)程中能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)；二是聲發(fā)射波來(lái)自缺陷本身而非外部，可以得到有關(guān)缺陷的豐富信息，檢測(cè)靈敏度與分辨力高［5］。

儲(chǔ)罐底板及罐壁聲發(fā)射檢測(cè)的原理是：針對(duì)常壓儲(chǔ)罐底板及罐壁在儲(chǔ)罐的介質(zhì)液位由低到高發(fā)生變化時(shí)，其承壓部位—底板／罐壁母材及焊縫的連接區(qū)產(chǎn)生的裂紋或由腐蝕影響所產(chǎn)生的斷裂和局部變形及其他（諸如應(yīng)力腐蝕斷裂、一定的物理變化所引起的彎曲、變形及不同程度的脆化等）現(xiàn)象所產(chǎn)生的彈性波通過(guò)所屬介質(zhì)傳播到罐體材料的表面，在材料表面用聲發(fā)射傳感器將這種表面位移的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、處理和記錄，最終通過(guò)這些信號(hào)來(lái)分析產(chǎn)生聲發(fā)射的機(jī)理，從而確定相應(yīng)的缺陷狀況。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)使用美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的DISP－24型聲發(fā)射檢測(cè)儀，該儀器采用全波形采集技術(shù)，具有波形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。主要參數(shù)為：前放增益為40dB；探頭型號(hào)為PAC－R15I；主放增益為25dB；耦合劑為真空樹(shù)脂；信號(hào)電纜為同軸屏蔽電纜；固定方式為磁吸式。由于待檢儲(chǔ)罐屬于規(guī)則的立方體儲(chǔ)罐，根據(jù)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)情況及檢測(cè)要求，確定傳感器的布置方式及數(shù)量，將傳感器靠近焊縫擺放，采用面定位方式，依次輸入儲(chǔ)罐單個(gè)面的尺寸和焊縫結(jié)構(gòu)，利用軟件優(yōu)化傳感器的布置圖，在檢測(cè)面的中央單獨(dú)布置一個(gè)傳感器，增加信號(hào)強(qiáng)度及定位準(zhǔn)確性。

當(dāng)進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)儲(chǔ)罐加載來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。為了模擬載荷環(huán)境，采用水壓作為載荷。根據(jù)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力來(lái)決定試驗(yàn)的壓力，在加壓和保壓的過(guò)程中采集聲發(fā)射信號(hào)。檢測(cè)設(shè)備可以實(shí)時(shí)采集全波形及有效聲源信號(hào)特征參數(shù)，所以在采集信號(hào)的同時(shí)就可以得到預(yù)埋的缺陷信號(hào)特征參數(shù)（如信號(hào)幅度、能量、上升時(shí)間等等），對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以進(jìn)一步判定缺陷的損傷程度及坐標(biāo)。

2.2 加壓程序

水壓試驗(yàn)加載方式采取兩次加壓進(jìn)行，加壓程序如圖1所示。

圖1 加壓程序

升壓及保壓程序：以0.2MPa／min的速度勻速升壓至最高工作壓力4MPa，保壓15min；保壓結(jié)束后以0.2MPa／min的速度勻速升壓至試驗(yàn)壓力6MPa，保壓15min后卸壓。

2.3 探頭布置方案

定位方式：一共布置5個(gè)面，分別是罐壁四周及罐底板；每個(gè)面布置5個(gè)探頭，采用面定位，對(duì)模擬罐的罐壁及罐底單個(gè)面分5次檢測(cè)，探頭在罐體結(jié)構(gòu)上布置方式如圖2所示。

圖2 探頭在罐體結(jié)構(gòu)上布置方式

2.4 儀器調(diào)整及設(shè)置

①打開(kāi)主機(jī)，對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)預(yù)采背景噪聲來(lái)設(shè)置門(mén)檻值40dB；②根據(jù)分析需要對(duì)分析軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，例如各種關(guān)聯(lián)圖及定位圖；③檢測(cè)過(guò)程按圖1所確定的加載曲線進(jìn)行加壓，并采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)過(guò)程及分析

模擬罐聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程分為兩部分，分別在內(nèi)部介質(zhì)保持常溫30℃和加熱到65℃時(shí)進(jìn)行。通過(guò)對(duì)不同溫度下的聲發(fā)射有效聲源信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)特征參數(shù)的差異。在確定了加壓程序、布點(diǎn)方案及布點(diǎn)完畢后，開(kāi)始進(jìn)行水壓試驗(yàn)條件下的聲發(fā)射檢測(cè)，如圖3所示。另外模擬噪聲水平，將一個(gè)大功率空壓機(jī)放置距離模擬罐0.7m處，利用機(jī)械振動(dòng)模擬真實(shí)儲(chǔ)罐可能發(fā)生的噪聲。

圖3 水壓試驗(yàn)條件下的歷程圖

3.1 30℃時(shí)南側(cè)罐壁的檢測(cè)

內(nèi)部介質(zhì)30℃時(shí)，對(duì)南側(cè)罐壁進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)壓力勻速增加至4MPa時(shí)，聲源信號(hào)隨機(jī)出現(xiàn)，且較為分散，大部分聲源信號(hào)幅度較低，均維持在40dB附近，接近噪聲幅度，未發(fā)現(xiàn)高幅度的集中聲源信號(hào)。停止升壓，保壓10min進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)周?chē)h(huán)境可能存在的干擾因素進(jìn)行排除，提高門(mén)檻值至45dB。保壓期間，僅有少量的隨機(jī)信號(hào)出現(xiàn)，且不集中，能量低，持續(xù)時(shí)間短，距離預(yù)埋缺陷位置偏差很大。當(dāng)壓力由4MPa勻速升至6MPa時(shí)，信號(hào)逐漸增多，能量急劇增高，在預(yù)埋缺陷部位區(qū)域出現(xiàn)了較為密集的高幅度信號(hào)，幅值集中于70～90dB，撞擊數(shù)為10～40之間，且聲源信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，能量高，信號(hào)幅值和能量水平處于斷續(xù)增加狀態(tài)。

對(duì)預(yù)埋缺陷位置所在的探頭陣列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)集中的定位聲源信號(hào)，表明該處存在嚴(yán)重缺陷。通過(guò)軟件分析，聲源信號(hào)集中位置坐標(biāo)與實(shí)際預(yù)埋缺陷位置基本相符，且嚴(yán)重程度與常規(guī)的檢測(cè)結(jié)果也基本一致。

從儲(chǔ)罐整個(gè)加壓過(guò)程的歷程圖圖4可以看出，所采集的信號(hào)為離散信號(hào)而非由泄漏引起的連續(xù)信號(hào)。因?yàn)檫B續(xù)的泄漏信號(hào)會(huì)表現(xiàn)在整個(gè)加壓過(guò)程中的能量持續(xù)上升，而非局部突變，進(jìn)而可見(jiàn)該儲(chǔ)罐無(wú)泄漏跡象。

圖4 30℃時(shí)南側(cè)罐壁歷程圖

3.2 65℃時(shí)南側(cè)罐壁的檢測(cè)

內(nèi)部介質(zhì)65℃時(shí)，對(duì)南側(cè)罐壁進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)壓力勻速增加至4MPa時(shí)，聲源信號(hào)只出現(xiàn)了一個(gè)，且遠(yuǎn)離預(yù)埋缺陷位置。停止升壓，保壓10min進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保壓期間，僅有極少量的隨機(jī)信號(hào)出現(xiàn)，且不集中、能量低、持續(xù)時(shí)間短。當(dāng)壓力由4MPa勻速升至6MPa時(shí)，信號(hào)逐漸的增多，能量急劇增高，在預(yù)埋缺陷部位所在區(qū)域出現(xiàn)了較為密集的高幅度信號(hào)，幅值集中于75～90dB，撞擊數(shù)為10～20之間，且聲源信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，能量高，信號(hào)幅值和能量水平處于斷續(xù)增加狀態(tài)。

3.3 對(duì)比30℃及65℃時(shí)南側(cè)罐壁的檢測(cè)

通過(guò)對(duì)比30℃及65℃時(shí)南側(cè)罐壁的歷程圖，如圖5所示可以明顯看出對(duì)于最終的缺陷定位坐標(biāo)基本一致，而且在壓力由4MPa升至6MPa的過(guò)程中聲源信號(hào)的出現(xiàn)方式及特征參數(shù)基本一致，僅信號(hào)撞擊數(shù)值在65℃時(shí)有所降低，通過(guò)分析有可能是因?yàn)槌霈F(xiàn)了凱賽爾（Kaiser）效應(yīng)。材料的受載歷史對(duì)重復(fù)加載聲發(fā)射特性有重要影響，重復(fù)載荷到達(dá)原先所加最大載荷之前不發(fā)生明顯聲發(fā)射，這種聲發(fā)射不可逆的性質(zhì)稱為凱賽爾（Kaiser）效應(yīng)。凱塞爾效應(yīng)表明：在材料未受到損傷的前提下，當(dāng)升壓達(dá)到之前所承受的最大載荷前，不出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)；對(duì)已發(fā)生損傷的材料，在低于之前所承受的最大載荷時(shí)就會(huì)發(fā)生顯著的聲發(fā)射。聲發(fā)射出現(xiàn)的應(yīng)力水平越低，說(shuō)明材料受到的損傷越嚴(yán)重，由于預(yù)埋缺陷種類(lèi)多，且缺陷性質(zhì)較為嚴(yán)重。為了保證試驗(yàn)安全的進(jìn)行，試驗(yàn)最大壓力低于設(shè)計(jì)壓力的25%，實(shí)際儲(chǔ)罐的使用過(guò)程中由于最上層設(shè)計(jì)了惰性氣體保護(hù)，且日常液面變化中都未達(dá)到滿液狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況及試驗(yàn)要求將試驗(yàn)最高壓力定位在6MPa。通過(guò)分析西側(cè)罐壁30℃和65℃時(shí)的試驗(yàn)圖，其試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析與南側(cè)罐壁也基本保持一致。

圖5 30℃和65℃時(shí)西側(cè)罐壁的歷程圖

3.4 30℃和65℃時(shí)罐底的檢測(cè)

罐底的檢測(cè)工藝與南側(cè)罐壁及西側(cè)罐壁的檢測(cè)工藝一致，檢測(cè)結(jié)果分析及聲源信號(hào)的特征參數(shù)也基本保持一致。通過(guò)仿真分析考慮到罐底板極有可能出現(xiàn)腐蝕缺陷，因此在罐底板預(yù)埋了模擬較為嚴(yán)重的點(diǎn)蝕及面蝕缺陷。唯一不同的是罐底板承受的外力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于罐壁，其噪聲信號(hào)表現(xiàn)為極低的持續(xù)時(shí)間，加壓過(guò)程幾乎沒(méi)有明顯的噪聲信號(hào)；在保壓階段噪聲信號(hào)的持續(xù)時(shí)間明顯增加，噪聲信號(hào)的主頻低于主信號(hào)主頻，略高于空壓機(jī)造成的噪聲信號(hào)幅度，該噪聲可能是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)摩擦等因素所帶來(lái)的噪聲在這個(gè)加壓過(guò)程中增加持續(xù)時(shí)間，且信號(hào)的活性較強(qiáng)，該效果會(huì)表現(xiàn)在保壓階段，但是，對(duì)于同一持續(xù)時(shí)間的信號(hào)，其上升時(shí)間不同。如圖6所示通過(guò)歷程圖分析可以看出點(diǎn)蝕區(qū)域相對(duì)于大面積腐蝕區(qū)域來(lái)說(shuō)信號(hào)較弱，聲源定位結(jié)果與實(shí)際預(yù)埋缺陷位置基本符合，從全程檢測(cè)結(jié)果分析可以看出，不同水壓階段的定位情況并非完全重復(fù)，穩(wěn)定時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)檢測(cè)結(jié)果也有影響。由于罐底板受力高，其穩(wěn)定時(shí)間也應(yīng)高于罐壁的檢測(cè)工藝。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，罐底板的檢測(cè)精度在－1～1m之內(nèi)是比較理想的。當(dāng)然定位精度還與罐體大小、介質(zhì)、工作溫度等多種因素有關(guān)。

圖6 30℃和65℃時(shí)罐底的歷程圖

4 結(jié)論

在海洋平臺(tái)設(shè)備中，部分在役壓力容器因生產(chǎn)或結(jié)構(gòu)等因素?zé)o法用常規(guī)無(wú)損探傷技術(shù)檢測(cè)。而聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)具有不開(kāi)罐、不停產(chǎn)、檢測(cè)周期短，又能檢測(cè)動(dòng)態(tài)缺陷等特點(diǎn)，成為金屬容器檢測(cè)和評(píng)價(jià)的可行檢測(cè)方法之一。通過(guò)對(duì)LD32－2PSP平臺(tái)原油儲(chǔ)罐模擬罐在役檢測(cè)的研究，可以確定聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在對(duì)其內(nèi)部檢驗(yàn)和焊縫中可能存在的超標(biāo)缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)定時(shí)是一種可行的檢測(cè)技術(shù)。

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