摘? ?要： 檢驗單位通過聲發(fā)射檢測信號特征的研究準(zhǔn)確地判斷出常壓儲罐底板泄漏等缺陷的性質(zhì)及位置，能夠更有針對性地指導(dǎo)使用單位對常壓儲罐進行維修。建造了一臺模擬泄漏常壓儲罐，在模擬工況下，探討泄漏信號對特征參數(shù)——參考有效電壓（RMS）和平均電平信號（ASL）的影響。研究發(fā)現(xiàn)：連續(xù)信號持續(xù)時間比突發(fā)信號持續(xù)時間長，可據(jù)此將泄漏信號與腐蝕信號區(qū)分開來;泄漏信號與噪聲信號的RMS值區(qū)分度不大;ASL≥15 dB可以作為有效地區(qū)分泄漏信號與噪聲信號的依據(jù)值。經(jīng)驗證，采用ASL≥15 dB結(jié)合定位信號和聚類分析的方法對常壓儲罐底板泄漏情況進行檢測，具有操作簡便、準(zhǔn)確等優(yōu)勢，在2018-2020年常壓儲罐底板聲發(fā)射檢測中得到了有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射檢測信號特征;常壓儲罐;泄漏;參考有效電壓（RMS）;平均電平信號（ASL）

中圖分類號：TE88? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：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

長期以來，大型儲罐，尤其是常壓儲罐的制造和檢驗一直未被納入強制管理的范疇，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也比較少，很多常壓儲罐超期服役或長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，未得到有效的安全檢測，運行安全無法從根本上得到保障。近年來，與常壓儲罐相關(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)常壓儲罐的檢驗工作正逐步推進。

在常壓儲罐檢驗技術(shù)方面，檢驗機構(gòu)缺乏高效可靠的檢測手段，往往只能做外觀檢查、厚度測定等工作，檢測項目少、效率低、缺陷檢出率低，在儲罐運行過程中產(chǎn)生的某些缺陷難以被及時發(fā)現(xiàn)，而一些關(guān)鍵的項目，如儲罐底板泄漏、腐蝕檢測與評價等技術(shù)沒有很好地得到實施和應(yīng)用，致使事故隱患不能被及時地預(yù)報。

儲罐事故不僅危害生產(chǎn)和人身安全，還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。結(jié)合儲罐使用現(xiàn)狀及現(xiàn)有檢驗技術(shù)，對大型儲罐開展有針對性的檢驗技術(shù)研究，十分必要。

因此，在實驗室自建了一個模擬常壓儲罐底板泄漏的平臺，主要研究儲罐底板泄漏乃至腐蝕時的聲發(fā)射檢測信號特征。本文首先分析檢測信號特征，得到有效地區(qū)分泄漏信號;接著與噪聲信號進行比較，以得到是否泄露的判斷依據(jù)值。本文可有針對性地指導(dǎo)使用單位對常壓儲罐進行維修。

1? 常壓儲罐聲發(fā)射檢測泄漏的基本原理

聲發(fā)射檢測泄漏的基本原理是：當(dāng)儲罐底板泄漏時，聲發(fā)射的彈性波經(jīng)液體傳播到達儲罐壁的表面，引起罐壁的聲發(fā)射傳感器產(chǎn)生表面位移，這些傳感器將機械振動轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過前置放大器、信號采集處理系統(tǒng)、記錄與顯示系統(tǒng)被放大、處理和顯示。

此次模擬聲發(fā)射檢測泄漏研究重點：通過泄漏信號特征找到判定儲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。而在實際的檢測應(yīng)用中，對于有泄漏時的聲發(fā)射檢測信號，可通過目視檢測、便攜式單通道系統(tǒng)的逐點檢測和對泄漏點進行多點測試來驗證。對于因結(jié)構(gòu)原因不能逐點檢測的，要開罐結(jié)合超聲、磁粉、滲透等其他無損檢測方法進行局部復(fù)驗，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（ASL）兩個特征參數(shù)，它們都適用于對連續(xù)型信號活動性的評價，具有測量簡便、不受門限影響等優(yōu)勢，對幅度動態(tài)范圍要求高而時間分辨率要求不高的連續(xù)信號尤為有用。RMS和ASL的計算公式為[2]

Preamp Gain—探頭前置放大器的增益值。

2? 模擬泄漏常壓儲罐聲發(fā)射試驗

儲罐材質(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，無保溫，盛裝介質(zhì)為水，出廠液壓試驗壓力為0.6 MPa。為研究泄漏時的聲發(fā)射檢測信號，在儲罐的底部人為地開設(shè)了8個帶閥門的模擬用泄漏孔，同時在儲罐底板上預(yù)埋了數(shù)條位置已知的人為焊接缺陷。試驗現(xiàn)場如圖1所示，具體泄漏孔的位置如圖2所示。

3? 試驗檢測方案

3.1? 聲發(fā)射檢測參數(shù)

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

3.2? 傳感器布置

如圖2所示，在儲罐壁板上距離底板上方300 mm處沿周向均布6個傳感器。正北方向為1號探頭方向。

3.3? 檢驗流程

（1）將儲罐內(nèi)加至滿液位，穩(wěn)定保持該液位靜置2 h以上，同時切斷與儲罐相連的進出口閥門，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，對各個通道進行模擬源聲發(fā)射幅度值靈敏度校準(zhǔn)，每個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）測量聲速，即根據(jù)傳感器間距和時差計算聲速。

（4）背景噪聲測試，設(shè)置門檻值。

（5）運行聲發(fā)射檢測儀，檢測時通過人為地打開、關(guān)閉指定的模擬泄漏閥門，按不同的泄漏量記錄聲發(fā)射檢測信號，檢測結(jié)束后，再次按步驟（2）對各個通道進行靈敏度校準(zhǔn)。

（6）檢測結(jié)束后，提取出有用的參數(shù)進行分析，觀察泄漏信號的特征和規(guī)律。

試驗得到L3和L4閥門在泄漏量為1.2 L/min時的二維、三維定位圖，如圖3和圖4所示。

4? 檢測結(jié)果分析

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

為了區(qū)別底板腐蝕和泄漏引起的聲發(fā)射檢測信號，通過應(yīng)用能量—持續(xù)時間和計數(shù)—持續(xù)時間關(guān)聯(lián)圖對聲發(fā)射檢測信號特征進行進一步分析，比對連續(xù)信號（泄漏信號，圖6）和突發(fā)信號（腐蝕信號，圖7）的特征。不難發(fā)現(xiàn)，在兩個關(guān)聯(lián)圖中，儲罐底板的連續(xù)信號持續(xù)時間都比對應(yīng)的突發(fā)信號持續(xù)時間長得多。據(jù)此，為了研究泄漏信號的聲發(fā)射特性，可以在數(shù)據(jù)處理時將底板腐蝕引起的聲發(fā)射檢測信號屏蔽。

通過大量試驗數(shù)據(jù)可以得到噪聲信號的RMS值≤0.000 4 V，泄漏信號穩(wěn)定時的RMS≥0.000 6 V，如圖8所示。以上數(shù)值在用于區(qū)分噪聲信號和泄漏信號時區(qū)分度不大。經(jīng)過式（2）理論換算得知，噪聲信號的ASL≤12 dB，泄漏信號的ASL≥15 dB。

在L3、L4兩個閥門分別開啟后，模擬泄漏量為1.2 L/min時的RMS值，并隨機抽查任意時間點的ASL值，如圖9所示。泄漏信號的ASL值集中在20 dB以上，而對應(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)分真實泄漏信號與背景噪聲信號的依據(jù)值[5]。而結(jié)合實際采集的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，其值對應(yīng)的泄漏信號與背景噪聲在數(shù)值上區(qū)分度不大。因此在以后的儲罐檢測中，使用ASL數(shù)值結(jié)合定位信號和聚類分析的方法來判斷是否有泄漏更為直觀。

其次，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)可進一步得出通過ASL值來判斷是否有泄漏更具可靠性?？拷孤┰刺幍腁SL值高于遠離泄漏源處的信號電平。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測量值最高處的位置確定為泄漏點。而在不同時段的實際檢測中，若不止一個探頭位置的ASL值較大，就要結(jié)合單通道系統(tǒng)的逐點檢測，通過泄漏點進行多點測試，進一步確認泄漏的位置。

5? 應(yīng)用

如表1所示，通過2018-2020年對常壓儲罐底板聲發(fā)射檢測的應(yīng)用，在排除了現(xiàn)場背景噪聲和腐蝕聲發(fā)射檢測信號（突發(fā)信號）等影響后，我們進一步確認，ASL≥15 dB結(jié)合定位信號和聚類分析這一依據(jù)能夠比較快速地幫助檢驗人員在現(xiàn)場判斷儲罐是否存在泄漏的情況。結(jié)合分析信號的特征，可開展進一步的驗證性檢驗（如延長現(xiàn)場聲發(fā)射檢測的時間、開罐目視、采用超聲等其他無損檢測方法進行局部復(fù)檢），以更為準(zhǔn)確地定位泄漏點。

6? 結(jié)論與展望

本文使用多通道聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，在儲罐壁上布置探頭陣列，對儲罐底板多個部位進行了檢測。主要結(jié)論有：

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

（2）經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)得出，對于一般的常壓儲罐底板，可以以ASL值≥15 dB為發(fā)生泄漏的依據(jù)值[5]。經(jīng)驗證，該依據(jù)值結(jié)合定位信號和聚類分析的方法判斷常壓儲罐是否泄漏的操作簡便、有效。

同時，試驗發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射檢測方法在進行時差定位時，定位準(zhǔn)確度不足，需要額外的方法進行進一步的復(fù)驗，以縮小泄漏定位的范圍。

參考文獻

[1] 無損檢測 聲發(fā)射泄漏檢測方法： GB/T 33643-2017[S].

[2] 楊晶， 李錄平， 高倩霞， 等. 基于聲發(fā)射檢測的閥門內(nèi)泄漏率定量診斷技術(shù)[J]. 動力工程學(xué)報， 2013， 33（6）： 455-460.

[3] 無損檢測 常壓金屬儲罐聲發(fā)射檢測及評價方法： JB/T 10764-2007[S].

[4] 沈功田. 聲發(fā)射檢測技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2015.

[5] 孔德連， 霍臻， 楊元慶. 聲發(fā)射技術(shù)在閥門泄漏在線監(jiān)測方面的應(yīng)用[D]. 北京： 北京化工大學(xué)， 2010.

作者簡介：

吳錚（1987—），通信作者，男，漢族，工程師，大型儲罐檢驗實驗室負責(zé)人，學(xué)士，主要從事壓力容器的制造、在用檢驗和大型常壓儲罐的安全評估。

E-mail： 271496598@qq.com

（收稿日期：2020-08-12）