康葉偉,林明春,王維斌,熊 敏

(中國石油管道研究中心,廊坊 065000)

石化行業(yè)大量應(yīng)用地面立式金屬儲罐承載各種化工原料和產(chǎn)品。金屬儲罐常年在自然環(huán)境下工作,經(jīng)受內(nèi)含物的侵蝕,不可避免地會受到腐蝕。統(tǒng)計結(jié)果表明,在用儲罐的罐底板腐蝕最為嚴重。因此,儲罐腐蝕檢測、維修的重點一般放在底板上[1]。目前,我國大型地面立式儲罐底板檢測的常用手段是定期離線無損檢測。檢測過程包括停工、倒空、清洗、除銹(甚至拆保溫)以及檢測等工序,主要采用超聲、磁粉和真空檢測等技術(shù),存在費用高、檢測時間長等不足。在這種情況下, 在線檢測技術(shù)突顯其優(yōu)勢。

與離線檢測相對,在線檢測不需要停工、倒空、清洗和除銹等工序,檢測時間短,而且由于避免了儲罐排空、通風(fēng)以及清洗的操作,因而能減少溫室氣體的排放[2]。目前,國際上儲罐底板在線檢測的方法主要有聲發(fā)射、導(dǎo)波以及機器人技術(shù)三種。

1 聲發(fā)射檢測技術(shù)

1.1 儲罐罐底聲發(fā)射在線檢測原理

儲罐在載荷變化時,罐底腐蝕減薄區(qū)產(chǎn)生變形而引起的腐蝕層脫落與開裂,以及泄漏產(chǎn)生的湍流聲等都會產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。通過按一定陣列固定布置在儲罐外壁上的換能器(傳感器),接收來自罐底板“聲源”的信號,應(yīng)用專門的軟硬件對這些信息進行數(shù)據(jù)采集與處理分析,即可判斷罐底板的腐蝕情況,并對儲罐是否存在泄漏作出判斷。

1.2 儲罐聲發(fā)射在線檢測技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀

聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于大型常壓金屬儲罐底板腐蝕檢測的研究始于20 世紀80 年代[3]。自90 年代開始,美國物理聲學(xué)公司陸續(xù)對8 000 多臺常壓和承壓儲罐進行聲發(fā)射在線檢測,其中1 000 多臺實施了與常規(guī)開罐檢測結(jié)果的對比[4], 最終研發(fā)了TANKPACTM大型常壓金屬儲罐底板檢測專家系統(tǒng),用于對儲罐底板的腐蝕和泄漏狀況進行評價。目前,殼牌、?？松吞帐匣瘜W(xué)等多家國際石油化工公司均采用該技術(shù)對其所擁有的儲罐進行在線檢測。此外,俄羅斯、澳大利亞、日本、韓國和德國等國的科研人員也對基于聲發(fā)射原理的常壓儲罐底板在線檢測技術(shù)進行了理論分析和實驗研究,推動了儲罐聲發(fā)射檢測技術(shù)的實用化。

國內(nèi)儲罐檢測主要還是采用傳統(tǒng)的開罐檢測方法。隨著國外儲罐聲發(fā)射檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用,國內(nèi)許多單位開始了相關(guān)研究,并在儲罐聲發(fā)射在線檢測機理、分析處理方面取得了一定成果,其中大慶石油學(xué)院、浙江省特種設(shè)備檢驗中心、天津大學(xué)、浙江大學(xué)和中國特種設(shè)備檢測研究院等單位都開展了有效的常壓儲罐聲發(fā)射在線檢測研究。但與國外差距仍舊較大,主要原因是:多數(shù)研究單位受行業(yè)限制,往往不能對石油化工行業(yè)的大型儲罐進行聲發(fā)射在線檢測現(xiàn)場試驗,不能獲得大型儲罐的資料,因而有效檢驗的石油儲罐非常少,特別是容積在5 萬方以上的大型儲罐。此外,被檢儲罐能夠跟隨進行常規(guī)開罐檢測驗證的更少,因而研究成果缺乏實踐驗證支撐,不能獲得很好的推廣應(yīng)用。中國石油管道研究中心針對這一現(xiàn)狀,結(jié)合自身行業(yè)優(yōu)勢,開展有關(guān)研究,在近三年時間取得了很大進展[5]。

目前,我國通過修改采標的方式頒布了針對常壓儲罐的聲發(fā)射檢測標準JB/T 10764—2007《常壓金屬儲罐聲發(fā)射檢測及評價方法》。該標準的推出將大大推動儲罐聲發(fā)射檢測技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

1.3 聲發(fā)射在線檢測技術(shù)的優(yōu)點

聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測技術(shù)。這一特點決定了聲發(fā)射檢測技術(shù)具有實時、在線的特性,從而為其迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了有力的保證。同時,聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種整體檢測技術(shù)。通過按一定陣列布置少量固定不動的傳感器,聲發(fā)射儀就可獲得被檢對象中聲源在檢測過程中的活動信息,并可大致地確定聲源的位置,這為實際檢測和評價工作帶來了極大的方便。

2 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

2.1 儲罐罐底超聲導(dǎo)波技術(shù)原理

采用導(dǎo)波進行儲罐底板在線檢測時,通過探頭在儲罐底板外露部分激發(fā)Lamb 波,并接收底板上缺陷返回的反射波,通過分析處理獲得儲罐罐底的腐蝕狀況[6]。

2.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況

立陶宛考納斯理工大學(xué)在實驗室的模擬罐上開展了采用導(dǎo)波進行罐底板腐蝕檢測的研究[7]。英國超聲導(dǎo)波公司(GU L)于2008 年也在儲罐導(dǎo)波在線檢測技術(shù)方面開展研究,尚處于發(fā)展起步階段。荷蘭RTD 公司的超聲導(dǎo)波技術(shù)只能夠?qū)薜装宓倪吘壈?1 m 范圍內(nèi))進行在線檢測,對中幅板則無法檢測。

國內(nèi)解放軍后勤工程學(xué)院基于模擬板進行了超聲導(dǎo)波罐底板缺陷檢測的研究[8]。中國石油管道研究中心近年來在管道超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)研究方面取得了較大的突破和發(fā)展,形成專項檢測與分析技術(shù),同樣開展了導(dǎo)波檢測儲罐底板的研究工作,取得一定成果,目前正向超長距超聲導(dǎo)波方向發(fā)展。

總之,目前國際上應(yīng)用超聲導(dǎo)波進行罐底檢測的技術(shù)多處于研究探索階段,對于大型儲罐,由于底板焊縫對導(dǎo)波的嚴重衰減作用,因而只適合小型儲罐底板或者大型儲罐底板邊緣板檢測。

2.3 超聲導(dǎo)波技術(shù)特點

相對于傳統(tǒng)的超聲波技術(shù),導(dǎo)波技術(shù)無需對整個罐底表面進行掃描就可以得到罐底的大部分甚至全部的缺陷信息,檢測速度快,檢測成本低,是一種定量的評價技術(shù)。

3 機器人在線檢測技術(shù)

3.1 儲罐機器人在線檢測原理

機器人在線檢測技術(shù)融合多種先進技術(shù),包括計算機視覺技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、防爆隔離技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、通訊技術(shù)、用于罐底掃描的超聲技術(shù)及漏磁技術(shù)等。機器人在線檢測技術(shù)可以認為是傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的自動式作業(yè),它可以根據(jù)不同的環(huán)境,攜帶不同的傳感器,對儲罐罐底或者內(nèi)部罐壁甚至其它部位進行定量檢測,這是其它方法不可比擬的。

儲罐罐底機器人在線檢測的原理如圖1 所示。機器人從罐頂人孔放置到儲罐內(nèi)部,通過罐外的操作控制車(或者操作平臺)進行遠程遙控,兩者的通信由臍帶纜繩實現(xiàn),并通過機器人自身攜帶的無損檢測傳感器對罐底進行檢測。

圖1 機器人在線檢測罐底原理圖

3.2 機器人在線檢測技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀

國際上,有據(jù)可查的儲罐在線檢測機器人產(chǎn)品主要有M averick,O TIS(On-stream Tank Inspection System)[2], Neptune[9], RobTank[10]和FPSO兩棲機器人[11]等。

Maverick 機器人(圖2)是美國愛達荷國家工程與環(huán)境實驗室, Solex 機器人公司, 美國能源部(DOE′s)全國工業(yè)之能源、環(huán)境和經(jīng)濟競爭力突破(NIC E3)計劃組,德克薩斯自然資源保護委員會參與開發(fā)的可潛入式的機器人系統(tǒng)產(chǎn)品。它通過動力輪牽引實現(xiàn)在儲罐罐底的運動,通過特殊的傳感器以及成像系統(tǒng)檢測儲罐焊接鋼板的腐蝕與磨損情況,采用超聲技術(shù)檢測金屬板厚度。為了不影響超聲成像效果,機器人前端裝有刷子用來清除罐底的淤泥。在檢測期間可遠程遙控機器人,因而不會對操作人員的健康和生命產(chǎn)生威脅,同時也降低了儲罐倒空和清洗時的溢出風(fēng)險。

圖2 Maverick 機器人

O TIS 機器人是美國馬里蘭州羅萊爾的InTank服務(wù)公司推出的儲罐在線檢測機器人,遵循美國石油協(xié)會以及其它立式儲罐定期檢測的標準,是國際上最為成熟的儲罐罐底在線檢測機器人產(chǎn)品。In-TANK 的技術(shù)已經(jīng)被?？松梨?、英國BP、馬拉松-阿什蘭石油公司、陶氏化學(xué)公司以及美國國防部進行了驗證。

目前,InTANK 可為儲罐檢測提供整套機器人方案,其中包括:清理以及檢查含有輕/中型蒸餾物的立式儲罐的O TIS 機器人;檢測含有高揮發(fā)性產(chǎn)品(汽油,石腦油)立式儲罐的OT IS-G 機器人;檢測含有化學(xué)品和所有石油產(chǎn)品包括高揮發(fā)性產(chǎn)品的小儲罐的OTIS-G 探針;檢測重質(zhì)產(chǎn)品,如6#油以及輕原油的OT IS-HD 機器人(圖3);檢查內(nèi)浮頂罐二次密封和內(nèi)部罐結(jié)構(gòu)的Quick-Look(TM)機器人;用于焦糊,盆地以及池塘清理的Scavenger(TM)機器人。

圖3 OTIS-H D 機器人

2007 年8 月BSI(Berkeley Springs Instruments)購買了InTANK 和OTIS 商標保護下的在線服務(wù)機器人掃描技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)。目前BSI 在全球范圍內(nèi)市場化該技術(shù)以及設(shè)備。截止2009 年11月,全球已有1025 臺儲罐采用OTIS 機器人進行了在線檢測。

Neptune 是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)的成像與腐蝕檢測機器人系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由獨立的六部分構(gòu)成:機器人爬行器(圖4),帶有可轉(zhuǎn)換磁性的履帶;車載視覺與超聲;車載控制與遙感系統(tǒng);導(dǎo)航系統(tǒng);放置系統(tǒng);遠程遙控終端以及顯示與控制軟件等[9]。

圖5 RobTank 機器人

RobTank(圖5)是歐盟委員會基金項目支持開發(fā)的石化行業(yè)儲罐罐底與罐壁在線檢測機器人,能夠在罐內(nèi)液體中游動和罐底爬行。是歐洲出于戰(zhàn)略目的的產(chǎn)物,該機器人在馬德里2004 年國際爬行與移動機器人會議(C LAWA R)上被授予工業(yè)機器人創(chuàng)新獎。

FPSO(Floating Production Storage Oil)即浮式生產(chǎn)儲油罐,是用于近海岸平臺船舶上的油罐,為海上運輸原油提供存儲服務(wù)。FPSO 兩棲機器人是在Rob Tank 的基礎(chǔ)發(fā)展起來的,利用了RobTank機器人具有游動和爬行的功能。

對比分析上述機器人,發(fā)現(xiàn)如下的共同點:

(1)由于儲罐檢測開發(fā)機器人對安全性的要求極高,它們的開發(fā)都獲得廣泛的合作與支持。

(2)所有的機器人都采用遠程遙控方式。

(3)都選擇從灌頂人孔進入儲罐。

(4)罐底檢測主要采用超聲技術(shù)。

各儲罐內(nèi)檢測機器人之間也有差異,其對比情況如表1。從表中可見,M averick,O TIS 機器人應(yīng)用廣泛,其中InTank 公司的OT IS 系列機器人是目前最好的儲罐罐底在線檢測機器人產(chǎn)品,國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)代理公司開始推廣該技術(shù)。

3.3 機器人在線檢測技術(shù)特點

機器人在線檢測技術(shù)能夠?qū)薜滓约肮迌?nèi)壁腐蝕狀況進行定量評價,是常規(guī)無損檢測的自動式作業(yè),可靠性高,省時省力,經(jīng)濟效益明顯。

表1 各類機器人的對比

4 三種在線檢測技術(shù)的對比

聲發(fā)射技術(shù)利用材料的聲發(fā)射現(xiàn)象進行腐蝕評價。該技術(shù)只能定性地對儲罐的腐蝕程度進行評價,不能定量評價儲罐的腐蝕。對于大量儲罐的檢測而言,聲發(fā)射檢測是一種非常高效的快速篩選方法,可為常規(guī)開罐檢測提供合理的決策依據(jù),避免頻繁檢測“好”罐或者漏檢“壞”罐。

超聲導(dǎo)波作為無損檢測領(lǐng)域內(nèi)的新興技術(shù),近幾年在儲罐罐底腐蝕檢測方面的研究日漸增多,它通過主動發(fā)生聲波并接收反射回的聲波來判斷缺陷位置以及類型,具有廣闊的應(yīng)用前景。由于導(dǎo)波傳播距離的限制,比較適合檢測罐底邊緣板。

機器人在線檢測技術(shù)可以認為是傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)的自動式作業(yè),它可以根據(jù)不同的環(huán)境攜帶不同的傳感器,對儲罐底板或者內(nèi)部罐壁甚至其它部位進行定量檢測,是一種超前的檢測技術(shù)。但是,受儲罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)制約,不能檢測內(nèi)部附件復(fù)雜的儲罐,如內(nèi)有大量加熱盤管的原油儲罐。三種技術(shù)之間對比情況如表2。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,石化行業(yè)的大型儲罐數(shù)量會越來越多,在線技術(shù)必將在儲罐的維護檢測方面發(fā)揮巨大的作用。

[1] 譚小川, 劉麗川, 柳明.立式鋼制油罐底板的腐蝕機理及防蝕措施[J] .石油化工腐蝕與防護,2004, 21(4):24-26.

[2] Vineet K. Masuraha, S tacy Carr. Advanced Aboveground Storage Tank Inspections – In-Service Robotics Tank Inspections[C] .San Antonio:2004 NPRA Environmental Conference, 2004:1-15.

[3] 關(guān)衛(wèi)和,沈純厚,陶元宏, 等.大型立式儲罐在線聲發(fā)射檢測與安全性評估[J] .壓力容器, 2005, 25(1):40-44.

[4] Phil Cole, Jon Watson.Acoustic emission for corrosion detection[J] .Advanced Materials Research,2006,13-14:231-236.

[5] 熊敏, 林明春,康葉偉.儲罐罐底板聲發(fā)射在線檢測技術(shù)研究[J] .聲學(xué)技術(shù), 2008,27(5):168-169.

[6] 劉鎮(zhèn)清.超聲無損檢測中的導(dǎo)波技術(shù)[J] .無損檢測,1999, 21(8):367-369.

[7] L.Ma? eika, R.Ka? ys, R.Rai? utis, R.?literis.Ultrasonic guided w ave tomography for the inspection of the fuel tank floor[C] .Chania:14th international conference of NDT, 2007:1-8.

[8] 肖賢軍, 劉麗川,劉子厚, 等.超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測儲罐底板缺陷[J] .無損檢測,2008,31(1):23-25.

[9] Hagen Schempf.Neptune Above -Ground Storage Tank Inspection Robot System[J] .IEEE.Robotics and Automation Society Magazine,1995, 2(2):9-15.

[10] A.Correia Cruz and M.Silva Ribeiro.In Service Inspection Robotized Tool for Tanks Filled with Hazardous Liquids – Robtank Inspec.[C] .Spain:Proceedings of the 7th International Conference Claw ar,2004:1019-1031.

[11] Sattar T P, Rodriguez H E L, Shang J, et al.Automated NDT of Floating Production Storage Oil Tanks with a Swimming and Climbing Robot[C] .London:Proceedings of the 8th International Conference on Climbing and Walking Robots and their Supporting Technologies,2005:935-942.