焦敬品成 全劉德宇李 兵方 舟李光海

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 北京 100124) (2.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

基于超聲檢測的儲罐底板腐蝕等級評價方法研究

焦敬品1成 全1劉德宇2李 兵2方 舟2李光海2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 北京 100124) (2.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

本文針對常壓儲罐底板無損檢測發(fā)展了一種基于水浸式超聲檢測的儲罐底板腐蝕評價方法，開發(fā)了水浸式超聲檢測用儲罐底板腐蝕評價實驗系統(tǒng)；利用標準缺陷試件對開發(fā)的儲罐底板腐蝕評價實驗系統(tǒng)進行了性能測試，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于板結(jié)構(gòu)腐蝕試件的等級評價。

無損評價 儲罐底板 超聲C掃描成像 腐蝕檢測

常壓儲罐是石化裝置和儲運系統(tǒng)的重要組成部分,具有容積大,分布集中和可用于儲存易燃、易爆、有毒介質(zhì)等特點。近些年來,隨著世界石油工業(yè)的迅猛發(fā)展和能源需求的不斷增加,原油和成品油的儲備受到了各國的普遍關(guān)注,因此對各類油庫的儲備能力提出了更高的要求,各類儲罐的數(shù)量也急劇增加。目前, 10萬立方米儲罐已成為我國石油化工行業(yè)原油儲罐建設(shè)的主要結(jié)構(gòu)。

在常壓儲罐的使用過程中,由于承載介質(zhì)的壓力、溫度以及外界環(huán)境因素的共同影響,儲罐會產(chǎn)生腐蝕、裂紋等多種缺陷,其中罐底腐蝕是造成常壓儲罐失效的最主要原因之一。當儲罐發(fā)生外泄時,不僅會造成環(huán)境污染,而且可能釀成重大火災(zāi)及爆炸事故,給企業(yè)帶來無法挽回的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。因此,儲罐的安全運行直接影響到生產(chǎn)裝置的正常運作[1-3]。

解決罐底腐蝕問題,防止泄漏事故的手段有兩種:一是在儲罐建造期間加強防腐措施,防患于未然;二是使用期間加強監(jiān)測、監(jiān)控,提早發(fā)現(xiàn)問題,安排檢修計劃。長期以來,我國主要采取定期開罐檢查的方法評價儲罐強度和安全性;但目前,我國大型石化企業(yè)為提高經(jīng)濟效益,均實行裝置長周期運行,延長檢修周期。雖然該做法可得到較為可觀的經(jīng)濟效益,但隨著石化設(shè)備老化和安全問題的日漸突出,迫切需要既能保證安全又經(jīng)濟方便的儲罐在役檢測新方法。

因此,開展針對儲罐底板腐蝕缺陷的在役無損檢測技術(shù)研究是十分必要的,它對于大型常壓儲罐的安全運行、事故預(yù)防和成本維護具有重要意義。

1 基于超聲檢測的腐蝕評價方法研究

完善的腐蝕評價理論是實現(xiàn)腐蝕等級評價軟件開發(fā)及試件腐蝕等級定量評價的必要基礎(chǔ)。本文發(fā)展了一種基于超聲掃描成像的腐蝕評價方法。該方法主要包括:閾值分割、特征值差異度提取以及腐蝕等級計算三個主要步驟。首先,對圖像進行分割,分割出不同的小腐蝕區(qū)域。然后,通過特征值差異度計算,對每個位置點進行腐蝕等級評價。最后利用加權(quán)法求出整個結(jié)構(gòu)的腐蝕等級[4-7]。

1.1 腐蝕區(qū)域分割——閾值分割法

在對腐蝕區(qū)域進行等級評定時,首先要對圖像進行離散化處理。常用的圖像分割方法有很多,其中閾值分割是最常見的圖像分割技術(shù)。利用圖像中明顯的特征信息來選擇合適的灰度閾值,可以分割出灰度級明顯不同的目標和背景。將原始圖像分割成目標與背景部分,目標部分可以是一個或多個。閾值分割法的優(yōu)點是算法簡單、易于實現(xiàn)圖像分割,分割速度快、并且無須冗余的推理和分析。這種方法的缺點是圖像的分割效果依賴于閾值的選擇,這樣使得圖像分割的效果具有一定的隨機性。

1.2 特征值差異度處理——最小差異度法

本文通過將位置點對應(yīng)的特征值與標準等級值進行求差后,作比較,找出差值最小時所對應(yīng)的標準等級,從而實現(xiàn)對位置點腐蝕等級的量化評定。具體步驟如下:

1)根據(jù)操作設(shè)定的參數(shù)及C掃數(shù)據(jù),生成標準等級。

2)將每個位置點所對應(yīng)的特征值與等級標準值進行逐級作差。

3)求出標準等級與位置點特征值之差的最小值,將最小值對應(yīng)的標準等級定為該位置點的腐蝕等級。

1.3 評價等級——加權(quán)法

分析試件整體腐蝕情況,不僅需要得到每個小腐蝕區(qū)域的腐蝕程度,還需得到整個結(jié)構(gòu)的腐蝕等級。每個小腐蝕區(qū)域的面積和腐蝕程度都會影響整個結(jié)構(gòu)的腐蝕等級,考慮到這兩方面的因素,本文使用加權(quán)法計算試件綜合腐蝕等級。首先,統(tǒng)計每個等級中腐蝕區(qū)域的面積也就是該等級內(nèi)位置點個數(shù),之后將位置點個數(shù)與對應(yīng)等級權(quán)重相乘并將所有等級對應(yīng)值相加求和,用此和與總權(quán)重相除求取綜合等級。見式(1):

式中:

Ni——等級i中腐蝕區(qū)域面積也就是該等級內(nèi)位置點個數(shù);

Qi——腐蝕等級i在所有的等級中所占權(quán)重。

2 超聲成像腐蝕評價軟件開發(fā)

2.1 開發(fā)環(huán)境

基于LabVIEW平臺,本文進行了超聲腐蝕評價軟件開發(fā)。LabVIEW是一種圖形化編程語言,使用數(shù)據(jù)流編程方法來描述程序的執(zhí)行,執(zhí)行順序是由方塊圖間數(shù)據(jù)流的傳遞決定的。LabVIEW開發(fā)環(huán)境具有一系列優(yōu)點,從流程圖式的編程,并行執(zhí)行,不需預(yù)先編譯就存在語法檢測和調(diào)試過程使用的數(shù)據(jù)探針,到其豐富的函數(shù)、數(shù)值分析、信號處理和設(shè)備驅(qū)動等功能,都使其在編寫軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

2.2 系統(tǒng)模塊功能

超聲腐蝕評價系統(tǒng)分成三個功能模塊,每一個模塊實現(xiàn)系統(tǒng)某一特定功能。該系統(tǒng)通過導(dǎo)入的超聲掃描數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置繪制出試件的C掃描圖以及B掃描圖;隨后,軟件給出試件最深腐蝕等級、最大腐蝕深度等試件腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù);最后,得出試件最終腐蝕評價結(jié)果,可生成并保存為不同文件格式的評價報告。軟件評級思路流程圖功能如圖1所示。

圖1 軟件評級思路流程圖

3 基于超聲成像的板結(jié)構(gòu)缺陷評價實驗研究

3.1 超聲掃描系統(tǒng)

針對儲罐底板腐蝕研究需要,搭建超聲腐蝕評價系統(tǒng)[8-10]。首先,計算機通過軟件對運動控制卡進行控制,控制卡接收控制指令后,電機使探頭按預(yù)設(shè)軌跡運動,探頭對試件進行掃描,超聲激勵接收儀會按照一定的重復(fù)頻率發(fā)射脈沖,并加載到探頭上,超聲波在水中傳播時遇到試件后反射,缺陷平面的回波會有一定的衰減。反射回波被傳感器接收后,送入超聲激勵接收儀,接著送入高速數(shù)字化儀進行處理。高速數(shù)字化儀對接收波形進行處理,獲得特征值并送回計算機,由程序?qū)Ψ祷氐姆颠M行儲存,同時實時顯示試件表面的C掃描結(jié)果。超聲掃描成像系統(tǒng)原理圖,如圖2所示。

圖2 超聲掃描系統(tǒng)原理圖

3.2 試件制備

為了對搭建的超聲腐蝕評價系統(tǒng)進行性能測試,本文設(shè)計制作了一系列標準試件,試件上加工有多個不同類型的人工缺陷,模擬不同的腐蝕缺陷。缺陷主要包括兩大類:第一類是階梯(孔)缺陷,第二類是球形(孔)缺陷。每塊標準試件板上都有5個不同尺寸的缺陷。兩種缺陷類型的實驗鋼板各6塊,每塊鋼板的正反面特定位置分布有5處缺陷,鋼板示意圖如圖3所示。

第一類標準試件是階梯孔缺陷試件,6塊階梯孔鋼板,厚度分別為19mm、16mm、12mm、9.5mm、 7.5mm、5.5mm,鋼板正反面的固定位置分布5個階梯孔缺陷,其中正面3個,反面2個,階梯孔階梯數(shù)及孔徑大小依次遞減,如圖4所示。

第二類標準試件是球形孔缺陷試件,6塊球形孔鋼板,厚度分別為19mm、16mm、12mm、9.5mm、7.5mm、5.5mm,鋼板正反面的固定位置分布5個球形孔缺陷,其中正面3個,反面2個,球型孔缺陷的孔徑大小及孔徑深度依次遞減,如圖5所示。

圖3 典型缺陷試件一階梯孔鋼板示意圖

圖4 典型階梯孔缺陷示意圖

圖5 典型球形孔缺陷示意圖

3.3 成像方法的選擇

為了典型試件掃描評級實驗的成像效果達到最佳,從而更好地驗證評價系統(tǒng)的可信性和合理性,實驗前進行不同成像方式的對比實驗。超聲C掃描成像有兩種方式,分別為時間成像和幅值成像。為了能夠達到最佳實驗效果,分別使用上述兩種成像方式對兩種類型缺陷做控制變量的對比實驗,探究本實驗最佳成像方式。

●3.3.1 對比實驗一

本組對比試驗是在相同條件下進行的聚焦探頭階梯孔超聲掃描,成像方式是本實驗的唯一變量,實驗結(jié)果如圖6、圖7所示。通過對比可以看出,時間成像方式所繪制出的C掃圖缺陷階梯邊界明顯,其顏色變化較圖6(a)更加豐富。通過B掃圖可以更清楚地看出相較于幅值成像,時間成像方式能更清楚地反映階梯孔缺陷的深度變化及缺陷的輪廓。因此,在聚焦探頭檢測階梯孔缺陷的條件下,時間成像法優(yōu)于幅值成像法。

圖6 （a） 幅值成像C掃圖

圖6 （b） 時間成像C掃圖

圖7 （a） 幅值成像B掃圖

圖7 （b） 時間成像B掃圖

●3.3.2 對比實驗二

本組對比試驗是在相同條件下進行的聚焦探頭球形孔超聲掃描,成像方式是本實驗的唯一變量,實驗結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖可知,使用聚焦探頭對球形孔進行掃描,兩種成像方式的成像效果都不好,兩張C掃圖的顏色變化都不能完全反映缺陷深度的變化,同樣兩個B掃圖均無法反映缺陷的深度變化以及缺陷形狀;但通過橫向?qū)Ρ?仍能看出時間成像方式所做的B掃、C掃圖效果要略好于幅值成像,其對深度的描述與真實情況更為接近。因此,對于球形孔的檢測,聚焦探頭的檢測效果不佳,但時間成像法仍優(yōu)于幅值成像法。

圖8 （a） 幅值成像C掃圖

圖8 （b） 時間成像C掃圖

圖9 （a） 幅值成像B掃圖

圖9 （b） 時間成像B掃圖

根據(jù)對比試驗一、試驗二可知,對于聚焦探頭而言,無論是檢測階梯孔缺陷還是檢測球形孔缺陷,時間成像效果均優(yōu)于幅值成像。因此,選擇時間成像的方式進行后期標準試件的超聲評級實驗。

3.4 典型缺陷試件評級實驗結(jié)果

●3.4.1 階梯孔

首先,選擇水浸式聚焦探頭完成對于階梯孔缺陷的超聲檢測評級實驗。由于標準缺陷試件的缺陷深度、面積等數(shù)據(jù)是可以通過測量得到的,在完成對標準缺陷試件的掃描評級后,不僅可以得到缺陷的腐蝕圖像和腐蝕評價結(jié)果;同時還可以通過實驗評價值與真實測量值的對比,驗證評級系統(tǒng)的精準度和可信度。對于階梯孔缺陷實驗評價值和真實測量值的對比匯總見表1:

表1 6號階梯孔鋼板（板厚19.00mm）評級表

通過對階梯孔系列鋼板進行超聲檢測及腐蝕評級,并根據(jù)評級及測量結(jié)果列出的評級對比表,可以看出腐蝕評級結(jié)果與實際測量結(jié)果基本相符,誤差較小,從而驗證了前期搭建的超聲掃描系統(tǒng)能夠較好地完成對于階梯孔缺陷的超聲檢測,并為腐蝕評價提供較為準確的數(shù)據(jù)。同時,該軟件對于典型階梯孔缺陷能夠?qū)崿F(xiàn)較為準確的等級評價,評級軟件操作簡單、具有良好的穩(wěn)定性,評價結(jié)果具有一定可信度。

●3.4.2 球形孔

首先,選擇水浸式聚焦探頭完成對于球形孔缺陷的超聲檢測評級試驗。對于球形孔缺陷實驗評價值和真實測量值的對比匯總見表2:

表2 6號球形孔鋼板（板厚19.00mm）評級表

由于實驗所用探頭晶片直徑較大,當球形孔缺陷直徑與探頭直徑接近或小于探頭直徑時,現(xiàn)有探頭不能實現(xiàn)檢測;通過球形孔系列鋼板超聲檢測及腐蝕評級實驗結(jié)果可知,現(xiàn)有超聲腐蝕檢測系統(tǒng)對于孔徑較小的缺陷不能實現(xiàn)準確檢測,但對于系統(tǒng)可檢的球形孔缺陷,評級結(jié)果仍有較高的準確性。

●3.4.3 真實腐蝕試件評級實驗

前期進行的超聲腐蝕評價實驗都是針對標準試件的驗證性實驗。現(xiàn)選取真實腐蝕試件作為實驗對象,進行超聲腐蝕評價實驗。

1)聚焦探頭腐蝕檢測評級實驗。

根據(jù)前期針對不同成像方式對比實驗的結(jié)果及標準試件超聲檢測評級實驗結(jié)果,選擇時間成像方式,使用聚焦探頭對本腐蝕試件進行超聲檢測腐蝕評級實驗。

由圖10(a)腐蝕試件實物圖及圖10(b)評級軟件生成的C掃結(jié)果對比,可以看出掃描系統(tǒng)可以很好地完成對于真實腐蝕試件的超聲掃描檢測。以準確的超聲掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),超聲成像評級軟件所繪制出的B掃描結(jié)果如圖11(a)所示,B掃圖像能夠較為準確地繪制出腐蝕試件腐蝕區(qū)域的截面輪廓。結(jié)合超聲成像評級軟件所生成的腐蝕試件的B掃圖及C掃圖,可以看出試件的腐蝕面積以及腐蝕深度變化情況。

圖10 （a） 腐蝕試件實物圖

圖10 （b） 腐蝕試件C掃描圖

通過評級軟件評價結(jié)果圖11(b),可以讀取腐蝕試件的深度參數(shù)及腐蝕面積參數(shù),根據(jù)軟件評價結(jié)果及對于腐蝕試件真實數(shù)據(jù)的測量結(jié)果列出見表3的結(jié)果對比表。

圖11 （a） 腐蝕試件B掃描圖

圖11 （b） 腐蝕試件評價結(jié)果

表3 腐蝕試件評價值與真實值對照表

通過將評級軟件得出的評級結(jié)果與缺陷試件真實測量值對比,可以看出腐蝕評級結(jié)果與實際測量結(jié)果基本相符,誤差較小。

2)平探頭腐蝕檢測評級實驗。

根據(jù)前期實驗條件的對比研究以及對標準試件超聲檢測評級實驗結(jié)果,選擇時間成像方式,使用平探頭對本腐蝕試件進行超聲檢測腐蝕評級實驗。

根據(jù)評級軟件生成的腐蝕試件C掃結(jié)果圖12(a)可以看出,使用平探頭同樣可以實現(xiàn)對真實腐蝕試件的超聲掃描檢測。利用平探頭超聲掃描數(shù)據(jù)繪制出的B掃圖,如圖12(b)所示,基本繪制出腐蝕試件腐蝕區(qū)域的截面輪廓。結(jié)合腐蝕試件實物圖以及超聲成像評級軟件所生成的B掃圖及C掃圖,可以看出腐蝕試件的腐蝕面積以及腐蝕深度變化情況。

圖12 （a） 腐蝕試件C掃描圖

圖12 （b） 腐蝕試件B掃描圖

通過評級軟件評價結(jié)果見圖13,可以讀取腐蝕試件的深度參數(shù)及腐蝕面積,參數(shù)根據(jù)軟件評價結(jié)果及對于腐蝕試件真實數(shù)據(jù)的測量結(jié)果列出見表4的結(jié)果對比表。

圖13 腐蝕試件評價結(jié)果

表4 腐蝕試件評價值與真實值對照表

通過將評級軟件得出的評級結(jié)果與缺陷試件真實測量值對比,可以看出腐蝕評級結(jié)果與實際測量結(jié)果基本相符,誤差較小,使用平探頭同樣可以實現(xiàn)對真實腐蝕試件的較為準確的腐蝕等級評價。以上實驗結(jié)果說明,本文開發(fā)的水浸式超聲檢測用儲罐底板腐蝕評價實驗系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對真實腐蝕試件的檢測及等級評價。

4 結(jié)論

本課題基于超聲檢測手段,在結(jié)構(gòu)腐蝕等級評價理論基礎(chǔ)上,發(fā)展了一種基于水浸式超聲檢測的儲罐底板腐蝕評價方法,開發(fā)了水浸式超聲檢測用儲罐底板腐蝕評價實驗系統(tǒng),實現(xiàn)了對腐蝕標準缺陷及真實腐蝕試件的檢測。

本文在圖像腐蝕評級理論基礎(chǔ)上,運用閾值分割法、最小差異度法和面積加權(quán)法等算法,完成常壓儲罐底板腐蝕超聲成像評價軟件的開發(fā)。該軟件首先在讀取超聲掃描數(shù)據(jù)后,繪制掃描區(qū)域C掃描圖像和B掃描圖像;通過讀取超聲掃描數(shù)據(jù)及繪制腐蝕圖像,完成對掃描區(qū)域的腐蝕等級的評定工作。本文開發(fā)超聲掃描系統(tǒng)完成標準缺陷試件的腐蝕評級實驗,使用不同成像方式對標準缺陷試件完成超聲掃描對比實驗,確定了以時間成像方式的實驗條件。最后,通過對兩種典型缺陷系列鋼板進行每個缺陷的逐一掃描評級實驗并將評價值與真實值列表對比,驗證了理想情況下,液浸式超聲掃描系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對不同深度及面積的缺陷較為準確的掃描檢測,超聲成像評級軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷的腐蝕情況進行較為準確和可信的腐蝕情況等級評價。

[1] 鄔康迪，曾為民．大型常壓儲罐底板腐蝕的聯(lián)合檢測與評價[J]．化學(xué)工程與裝備，2014，(06)：168-171．

[2] 趙彥修，項軍杰，王十，等．大型常壓儲罐在用檢驗技術(shù)與策略[J]．中國特種設(shè)備安全，2014，30(06)：29-33+63．

[3] Safizadeha M S， Azizzadeha T． Corrosion detection of internal pipe line using NDT optical inspection system[J]．NDT and E International， 2012， 52(11) ： 144-148．

[4] 陳兵，樊玉光，周三平．基于信息融合的油氣管道內(nèi)腐蝕評價方法[J]．石油機械，2006，(09)：111-113．

[5] 郭秋月，劉磊，郭新鋒．天然氣管道內(nèi)腐蝕直接評價方法原理與范例[J]．焊管，2011，(03)：65-70．

[6] 彭麗麗．基于圖像顏色的材料腐蝕等級評價方法研究[D]．重慶：重慶理工大學(xué)，2013．

[7] 湯楠，穆向陽，徐娟．基于超聲檢測的管道內(nèi)腐蝕缺陷識別研究[J]．石油機械，2005，(11)：61-63+78+7．

[8] 張紅濤．超聲檢測數(shù)控水浸掃描系統(tǒng)與缺陷分類研究[D]．西安：西安科技大學(xué)，2009．

[9] 黃志剛，白基成，周正干，等．超聲波C掃描系統(tǒng)研制及其關(guān)鍵技術(shù)[J]．軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2007，(12)：40-42．

[10] 胡躍剛．超聲掃描系統(tǒng)及其分層成像方法研究[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013．

Study on Evaluation Method of Corrosion Damage on Bottom Plate of Oil Storage Tank by Ultrasonic Testing

Jiao Jingpin1Cheng Quan1Liu Deyu2Li Bing2Fang Zhou2Li Guanghai2
(1. College of Mechanical Engineering and Application Electronics Technology, Beijing University of Technology Beijing 100124)
( 2. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029 )

Aiming at the nondestructive testing of the atmospheric storage tank bottom, this article developed a baseboard corrosion evaluation method and a corresponding experiment system based on ultrasonic scanning; tested the performance of the developed ultrasonic evaluation system using standard test blocks; applied the developed ultrasonic evaluation system on the actual board structure corrosion evaluation.

Nondestructive evaluation Tank bottom Ultrasonic C scan Corrosion test

X924

B

1673-257X(2017)08-0029-06

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.08.008

焦敬品（1973～)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事無損檢測新技術(shù)、現(xiàn)代測控技術(shù)與方法等研究工作。

成全，E-mail： chengquan37@126．com。

國家重點研發(fā)計劃—陣列超聲導(dǎo)波多模態(tài)成像檢測關(guān)鍵技術(shù)研究及儀器研制（批準號：2016YFF0203002）

2017-03-16）