摘? ?要： 檢驗(yàn)單位通過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)特征的研究準(zhǔn)確地判斷出常壓儲(chǔ)罐底板泄漏等缺陷的性質(zhì)及位置，能夠更有針對(duì)性地指導(dǎo)使用單位對(duì)常壓儲(chǔ)罐進(jìn)行維修。建造了一臺(tái)模擬泄漏常壓儲(chǔ)罐，在模擬工況下，探討泄漏信號(hào)對(duì)特征參數(shù)——參考有效電壓（RMS）和平均電平信號(hào)（ASL）的影響。研究發(fā)現(xiàn)：連續(xù)信號(hào)持續(xù)時(shí)間比突發(fā)信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可據(jù)此將泄漏信號(hào)與腐蝕信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái);泄漏信號(hào)與噪聲信號(hào)的RMS值區(qū)分度不大;ASL≥15 dB可以作為有效地區(qū)分泄漏信號(hào)與噪聲信號(hào)的依據(jù)值。經(jīng)驗(yàn)證，采用ASL≥15 dB結(jié)合定位信號(hào)和聚類分析的方法對(duì)常壓儲(chǔ)罐底板泄漏情況進(jìn)行檢測(cè)，具有操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，在2018-2020年常壓儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射檢測(cè)中得到了有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)特征;常壓儲(chǔ)罐;泄漏;參考有效電壓（RMS）;平均電平信號(hào)（ASL）

中圖分類號(hào)：TE88? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 05-118-07

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.05.022

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，大型儲(chǔ)罐，尤其是常壓儲(chǔ)罐的制造和檢驗(yàn)一直未被納入強(qiáng)制管理的范疇，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也比較少，很多常壓儲(chǔ)罐超期服役或長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，未得到有效的安全檢測(cè)，運(yùn)行安全無(wú)法從根本上得到保障。近年來(lái)，與常壓儲(chǔ)罐相關(guān)的重特大事故頻發(fā)，引起了廣泛的重視，港口、化工園區(qū)常壓儲(chǔ)罐的檢驗(yàn)工作正逐步推進(jìn)。

在常壓儲(chǔ)罐檢驗(yàn)技術(shù)方面，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)缺乏高效可靠的檢測(cè)手段，往往只能做外觀檢查、厚度測(cè)定等工作，檢測(cè)項(xiàng)目少、效率低、缺陷檢出率低，在儲(chǔ)罐運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的某些缺陷難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而一些關(guān)鍵的項(xiàng)目，如儲(chǔ)罐底板泄漏、腐蝕檢測(cè)與評(píng)價(jià)等技術(shù)沒(méi)有很好地得到實(shí)施和應(yīng)用，致使事故隱患不能被及時(shí)地預(yù)報(bào)。

儲(chǔ)罐事故不僅危害生產(chǎn)和人身安全，還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。結(jié)合儲(chǔ)罐使用現(xiàn)狀及現(xiàn)有檢驗(yàn)技術(shù)，對(duì)大型儲(chǔ)罐開(kāi)展有針對(duì)性的檢驗(yàn)技術(shù)研究，十分必要。

因此，在實(shí)驗(yàn)室自建了一個(gè)模擬常壓儲(chǔ)罐底板泄漏的平臺(tái)，主要研究?jī)?chǔ)罐底板泄漏乃至腐蝕時(shí)的聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)特征。本文首先分析檢測(cè)信號(hào)特征，得到有效地區(qū)分泄漏信號(hào);接著與噪聲信號(hào)進(jìn)行比較，以得到是否泄露的判斷依據(jù)值。本文可有針對(duì)性地指導(dǎo)使用單位對(duì)常壓儲(chǔ)罐進(jìn)行維修。

1? 常壓儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)泄漏的基本原理

聲發(fā)射檢測(cè)泄漏的基本原理是：當(dāng)儲(chǔ)罐底板泄漏時(shí)，聲發(fā)射的彈性波經(jīng)液體傳播到達(dá)儲(chǔ)罐壁的表面，引起罐壁的聲發(fā)射傳感器產(chǎn)生表面位移，這些傳感器將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器、信號(hào)采集處理系統(tǒng)、記錄與顯示系統(tǒng)被放大、處理和顯示。

此次模擬聲發(fā)射檢測(cè)泄漏研究重點(diǎn)：通過(guò)泄漏信號(hào)特征找到判定儲(chǔ)罐底板是否有泄漏的依據(jù)值，以及確定聲發(fā)射源的部位。而在實(shí)際的檢測(cè)應(yīng)用中，對(duì)于有泄漏時(shí)的聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)，可通過(guò)目視檢測(cè)、便攜式單通道系統(tǒng)的逐點(diǎn)檢測(cè)和對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證。對(duì)于因結(jié)構(gòu)原因不能逐點(diǎn)檢測(cè)的，要開(kāi)罐結(jié)合超聲、磁粉、滲透等其他無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行局部復(fù)驗(yàn)，以精確確定缺陷的性質(zhì)與大小。

根據(jù)GB/T 33643-2017[1]，判斷儲(chǔ)罐是否泄漏的依據(jù)主要參考有效電壓（RMS）和平均電平信號(hào)（ASL）兩個(gè)特征參數(shù)，它們都適用于對(duì)連續(xù)型信號(hào)活動(dòng)性的評(píng)價(jià)，具有測(cè)量簡(jiǎn)便、不受門(mén)限影響等優(yōu)勢(shì)，對(duì)幅度動(dòng)態(tài)范圍要求高而時(shí)間分辨率要求不高的連續(xù)信號(hào)尤為有用。RMS和ASL的計(jì)算公式為[2]

Preamp Gain—探頭前置放大器的增益值。

2? 模擬泄漏常壓儲(chǔ)罐聲發(fā)射試驗(yàn)

儲(chǔ)罐材質(zhì)為Q235B，容積為3.16 m3，規(guī)格為∮2 000 mm×1 000 mm，結(jié)構(gòu)形式為固定頂，無(wú)保溫，盛裝介質(zhì)為水，出廠液壓試驗(yàn)壓力為0.6 MPa。為研究泄漏時(shí)的聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)，在儲(chǔ)罐的底部人為地開(kāi)設(shè)了8個(gè)帶閥門(mén)的模擬用泄漏孔，同時(shí)在儲(chǔ)罐底板上預(yù)埋了數(shù)條位置已知的人為焊接缺陷。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，具體泄漏孔的位置如圖2所示。

3? 試驗(yàn)檢測(cè)方案

3.1? 聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)

檢測(cè)儀器：SAMOS PCI-8 48通道聲發(fā)射檢查系統(tǒng);傳感器信號(hào)：R3I-AST;檢測(cè)頻率：20 kHz ～100 kHz;增益：40 dB;門(mén)檻電平：40 dB;檢測(cè)參考標(biāo)準(zhǔn)：JB/T 10764-2007[3]。

3.2? 傳感器布置

如圖2所示，在儲(chǔ)罐壁板上距離底板上方300 mm處沿周向均布6個(gè)傳感器。正北方向?yàn)?號(hào)探頭方向。

3.3? 檢驗(yàn)流程

（1）將儲(chǔ)罐內(nèi)加至滿液位，穩(wěn)定保持該液位靜置2 h以上，同時(shí)切斷與儲(chǔ)罐相連的進(jìn)出口閥門(mén)，排除干擾外部因素，以降低環(huán)境背景噪聲。

（2）如圖2所示布置傳感器，對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行模擬源聲發(fā)射幅度值靈敏度校準(zhǔn)，每個(gè)通道的幅度值與所有通道的平均幅度值之差不應(yīng)大于±4 dB。

（3）測(cè)量聲速，即根據(jù)傳感器間距和時(shí)差計(jì)算聲速。

（4）背景噪聲測(cè)試，設(shè)置門(mén)檻值。

（5）運(yùn)行聲發(fā)射檢測(cè)儀，檢測(cè)時(shí)通過(guò)人為地打開(kāi)、關(guān)閉指定的模擬泄漏閥門(mén)，按不同的泄漏量記錄聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)，檢測(cè)結(jié)束后，再次按步驟（2）對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)。

（6）檢測(cè)結(jié)束后，提取出有用的參數(shù)進(jìn)行分析，觀察泄漏信號(hào)的特征和規(guī)律。

試驗(yàn)得到L3和L4閥門(mén)在泄漏量為1.2 L/min時(shí)的二維、三維定位圖，如圖3和圖4所示。

4? 檢測(cè)結(jié)果分析

從L1～L8閥門(mén)的模擬泄漏聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)波形圖可以看出，該信號(hào)為連續(xù)信號(hào)（圖5）。根據(jù)定位信號(hào)和聚類分析可得L1～L8閥門(mén)的聲發(fā)射信號(hào)定位圖（例如圖3、4），與設(shè)計(jì)圖紙比對(duì)可以得出連續(xù)泄漏的聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)在該試驗(yàn)中的時(shí)差定位精度并不高，對(duì)于疊加突發(fā)型聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)而言，該方法可提供參考[1]。目前已有學(xué)者對(duì)泄漏引起的連續(xù)聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)提出了更準(zhǔn)確的方法，如幅度衰減測(cè)量區(qū)域定位方法、互相關(guān)式定位方法等[4]。此次試驗(yàn)更注重于分析泄漏信號(hào)的特征，對(duì)定位準(zhǔn)確性的研究將在后續(xù)試驗(yàn)中進(jìn)行。

為了區(qū)別底板腐蝕和泄漏引起的聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)應(yīng)用能量—持續(xù)時(shí)間和計(jì)數(shù)—持續(xù)時(shí)間關(guān)聯(lián)圖對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)特征進(jìn)行進(jìn)一步分析，比對(duì)連續(xù)信號(hào)（泄漏信號(hào)，圖6）和突發(fā)信號(hào)（腐蝕信號(hào)，圖7）的特征。不難發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)關(guān)聯(lián)圖中，儲(chǔ)罐底板的連續(xù)信號(hào)持續(xù)時(shí)間都比對(duì)應(yīng)的突發(fā)信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)得多。據(jù)此，為了研究泄漏信號(hào)的聲發(fā)射特性，可以在數(shù)據(jù)處理時(shí)將底板腐蝕引起的聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)屏蔽。

通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到噪聲信號(hào)的RMS值≤0.000 4 V，泄漏信號(hào)穩(wěn)定時(shí)的RMS≥0.000 6 V，如圖8所示。以上數(shù)值在用于區(qū)分噪聲信號(hào)和泄漏信號(hào)時(shí)區(qū)分度不大。經(jīng)過(guò)式（2）理論換算得知，噪聲信號(hào)的ASL≤12 dB，泄漏信號(hào)的ASL≥15 dB。

在L3、L4兩個(gè)閥門(mén)分別開(kāi)啟后，模擬泄漏量為1.2 L/min時(shí)的RMS值，并隨機(jī)抽查任意時(shí)間點(diǎn)的ASL值，如圖9所示。泄漏信號(hào)的ASL值集中在20 dB以上，而對(duì)應(yīng)的采集前背景噪聲的ASL值集中在15 dB以下，從而得出ASL≥15 dB為可以作為有效地區(qū)分真實(shí)泄漏信號(hào)與背景噪聲信號(hào)的依據(jù)值[5]。而結(jié)合實(shí)際采集的RMS值和式（1）可以分析出，RMS值是用電壓這一物理量表示泄漏的，其值對(duì)應(yīng)的泄漏信號(hào)與背景噪聲在數(shù)值上區(qū)分度不大。因此在以后的儲(chǔ)罐檢測(cè)中，使用ASL數(shù)值結(jié)合定位信號(hào)和聚類分析的方法來(lái)判斷是否有泄漏更為直觀。

其次，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步得出通過(guò)ASL值來(lái)判斷是否有泄漏更具可靠性。靠近泄漏源處的ASL值高于遠(yuǎn)離泄漏源處的信號(hào)電平。如圖9所示，通道3和通道4附近的ASL值總體上高于其他通道，但由于儲(chǔ)罐的底板尺寸較小，L3、L4探頭與毗鄰探頭的ASL值區(qū)分度不大，據(jù)此，將ASL測(cè)量值最高處的位置確定為泄漏點(diǎn)。而在不同時(shí)段的實(shí)際檢測(cè)中，若不止一個(gè)探頭位置的ASL值較大，就要結(jié)合單通道系統(tǒng)的逐點(diǎn)檢測(cè)，通過(guò)泄漏點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，進(jìn)一步確認(rèn)泄漏的位置。

5? 應(yīng)用

如表1所示，通過(guò)2018-2020年對(duì)常壓儲(chǔ)罐底板聲發(fā)射檢測(cè)的應(yīng)用，在排除了現(xiàn)場(chǎng)背景噪聲和腐蝕聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)（突發(fā)信號(hào)）等影響后，我們進(jìn)一步確認(rèn)，ASL≥15 dB結(jié)合定位信號(hào)和聚類分析這一依據(jù)能夠比較快速地幫助檢驗(yàn)人員在現(xiàn)場(chǎng)判斷儲(chǔ)罐是否存在泄漏的情況。結(jié)合分析信號(hào)的特征，可開(kāi)展進(jìn)一步的驗(yàn)證性檢驗(yàn)（如延長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射檢測(cè)的時(shí)間、開(kāi)罐目視、采用超聲等其他無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行局部復(fù)檢），以更為準(zhǔn)確地定位泄漏點(diǎn)。

6? 結(jié)論與展望

本文使用多通道聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，在儲(chǔ)罐壁上布置探頭陣列，對(duì)儲(chǔ)罐底板多個(gè)部位進(jìn)行了檢測(cè)。主要結(jié)論有：

（1）由于模擬泄漏儲(chǔ)罐底板尺寸的限制，靠近泄漏源處探頭的ASL值區(qū)分度不明顯，但是明顯高于遠(yuǎn)離泄漏源處的ASL值。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)增加采集時(shí)間進(jìn)行聚類分析，根據(jù)各個(gè)通道的信號(hào)電平水平，將ASL最高測(cè)量值出現(xiàn)次數(shù)最多的通道傳感器所覆蓋的區(qū)域確定為泄漏點(diǎn)所在區(qū)域。

（2）經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，對(duì)于一般的常壓儲(chǔ)罐底板，可以以ASL值≥15 dB為發(fā)生泄漏的依據(jù)值[5]。經(jīng)驗(yàn)證，該依據(jù)值結(jié)合定位信號(hào)和聚類分析的方法判斷常壓儲(chǔ)罐是否泄漏的操作簡(jiǎn)便、有效。

同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射檢測(cè)方法在進(jìn)行時(shí)差定位時(shí)，定位準(zhǔn)確度不足，需要額外的方法進(jìn)行進(jìn)一步的復(fù)驗(yàn)，以縮小泄漏定位的范圍。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

吳錚（1987—），通信作者，男，漢族，工程師，大型儲(chǔ)罐檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，學(xué)士，主要從事壓力容器的制造、在用檢驗(yàn)和大型常壓儲(chǔ)罐的安全評(píng)估。

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（收稿日期：2020-08-12）