危化品罐區埋地穿越管道腐蝕聲發射檢測的可行性分析
2023-06-30 15:47:34
作者：張延兵，周琦，等 來源：腐蝕與防護
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危化品罐區作為重要的化工原料儲存基地，主要用于存儲原油、柴油、汽油以及諸如甲醇、乙二醇、芳烴、燒堿、醋酸等化工生產必須的液體原料等，為人民生活和工業生產提供了源源不斷的原料輸送，其安全重要性不言而喻。罐區主要涉及的設備為儲罐及管道，傳統無損檢測技術在這些地面設備上已經得到了廣泛的應用，有效保障了罐區的安全運行。
但是，罐區仍然存在著許多穿越道路、建筑物或混凝土地面的埋地管道，這些管道建造日期較為久遠且缺乏類似長輸管道的陰極保護措施，定期檢測需要在開挖狀態下進行。實際上，開挖檢測對于危化品罐區來說基本難以實現，導致罐區穿越埋地管道長期處于未檢狀態。
隨著設備完整性管理體系在大型石油石化企業中的推廣應用，罐區管道的安全監管“盲點”也愈發引起重視，迫切需要技術手段實現在線檢測。
對某原油儲存罐區的穿越混凝土路面輸送管道進行在線聲發射腐蝕檢測試驗，管道結構形式為套管，設計溫度為常溫，埋地段長度為24.1 m，外徑為900 mm，材料為L245M，壁厚為9.1 mm，設計壓力為1.6 MPa，輸送介質為原油，2014年投入使用。
檢測時選用Micro-II Express型聲發射檢測儀器，傳感器型號為R3I-AST，前置放大器增益為40 dB，濾波器下限為20 kHz，上限為100 MHz。檢測時管道內部充滿原油，且介質靜止無輸送流動現象。
2021年3月該企業進行埋地管道開挖檢修作業，此時分別在管道兩端及底部各布置一個傳感器，對管道進行聲信號傳播距離衰減測試、腐蝕缺陷聲發射特征參數表征、傳感器布置優化方案測試等。
2022年3月，在管道土壤覆蓋層回填并穩定12個月后，再次對管道進行檢測，對比兩次試驗的結果，從而驗證埋地穿越管道腐蝕在線聲發射檢測的可行性。
試驗采用斷鉛和人工敲擊來模擬埋地管道在日常使用過程中最常出現的泄漏及腐蝕，研究埋地管道中的聲發射信號傳輸特點及在線檢測的可行性。
對開挖后的管道分別在傳感器1和3處施加斷鉛激勵，如圖1所示，分析其信號傳播特征。
當從左側進行斷鉛激勵時，可以發現隨著傳播距離的增大，聲發射信號幅值的衰減并非呈線性特點，在1號和2號傳感器之間，幅值衰減速度非常快（總共衰減24 dB），而在2號和3號傳感器間，幅值僅衰減5 dB。
這主要是由于從左側進行斷鉛激勵時，聲發射信號向前傳播時首先要經過兩個彎頭的阻滯和頻散，從而幅值出現大幅衰減；而當聲發射信號越過2號傳感器進入直管段傳播時，信號的頻散和結構幾何突變影響大大降低，幅值的降低速率下降非常明顯。由于能量和幅值均為表征聲發射信號強度的指標，隨著聲音傳播距離的增大，能量的衰減幅度對結構幾何變化更敏感，在1號和2號傳感器之間，能量衰減達到97.8%，在直管段能量的衰減速率趨于緩和。
另一方面由于管道中聲發射信號的傳播路徑基本趨于直線，路徑單一，極少出現信號反射、散射及相互干涉導致的波形畸變，因此聲發射信號的平均頻率隨傳播距離的增加幾乎沒有太大的變化；但聲發射信號上升時間則呈現相對線性的遞增趨勢。
當從右側進行斷鉛激勵時，聲發射信號首先進入管道的直管段傳播，經過16.9 m的傳播后幅值衰減6 dB，在通過管道左側的兩個彎頭后再次衰減12 dB，這相對于左側斷鉛時的聲發射信號幅值衰減下降了50%。上升時間在直管段的變化規律同左側斷鉛時上升時間的變化規律類似；能量則呈現出較為緩和的下降趨勢，并未出現大比例成倍下降的情況；平均頻率隨傳播距離的增加仍無太大變化。
管道在回填的前期階段，土壤和管道本體的結合還處于不穩定狀態，其腐蝕環境和長周期使用的埋地管道有很大的不同，因此選擇1年后再次對該管道進行試驗，最大程度模擬管道的實際運行工況，提高檢測數據的可信性。
在左側1號傳感器位置進行敲擊時，隨著激勵幅值的增大，3號傳感器接收到的信號幅值也隨之增大并呈現階梯狀（如圖2所示，圖中上部分為1號傳感器信號，下部分為3號傳感器信號）。
圖2 左側斷鉛1號傳感器和3號傳感器幅值及能量變化
當1號傳感器位置發出的信號幅值小于61 dB時，3號傳感器基本上采集不到聲發射信號（門檻為30 dB），相對于開挖狀態其信號衰減幅度明顯增加。
這主要是土壤覆蓋、防腐層噴涂及纏繞等因素阻礙了聲發射信號在管道本體上的傳播，導致有效傳播距離明顯縮短，但隨著激勵信號幅值的增大，3號傳感器接收到的信號幅值衰減程度相較于開挖之后管道信號的幅值衰減程度并未出現大幅下降，從能量圖的變化也可以觀察到相同的規律。埋地穿跨越管道對高幅值高能量檢測信號的影響較小，對低幅值低能量的信號影響較大。
在右側3號傳感器位置進行敲擊時，激勵信號強度達到60 dB時，在24.1 m處的1號傳感器仍然可以采集到幅值為38 dB的聲發射信號（如圖3所示，圖中上部分為3號傳感器信號，下部分為1號傳感器信號），證明其聲發射檢測效果良好。甚至激勵信號為40 dB的低幅值信號時，1號傳感器仍然采集到了零星的信號，信號衰減為7~12 dB，可見土壤層的影響相較于從左側1號傳感器激勵的影響要小得多。
圖3 右側斷鉛1號傳感器和3號傳感器幅值及能量變化
綜合上述兩個試驗進行對比分析，當從1號傳感器進行激勵時，產生的高幅值和高能量聲發射信號在向前傳播過程中受到兩個彎頭的影響，其強度大幅減低，再加上土壤覆蓋層和防腐層的影響，其衰減速度迅速提升，嚴重影響了其向前傳播的距離，也直接限制了聲發射檢測的有效距離。相反從右側3號傳感器進行激勵，信號首先從直管段進行傳播，在傳播十幾米之后才通過彎頭，此時受到土壤覆蓋、防腐涂層和彎頭的影響要小得多，在24.1 m內仍然有良好的檢測效果。
在管道兩端的環向各布置3個傳感器，進而對這段管道進行在線監測，從25 min內采集到的聲發射數據可以看出（見圖4），撞擊數只有30，幅值均不大于40 dB，表明在有效的檢測覆蓋范圍內，該段管道的腐蝕狀況良好（這主要是由于該段管道重新進行了清污理和防腐處理，管道近似新裝狀態）。由于實際檢測過程中，聲發射源產生的位置位于1號和3號傳感器之間，其傳播距離要小于該節試驗1和試驗2的24.1 m，因此其檢測可靠性也更高。
(1) 在埋地管道腐蝕聲發射檢測中，由于管道缺陷信號對結構突變非常敏感（如彎頭），應將聲發射檢測傳感器的位置盡量布置于直管段，檢測范圍之內避免出現結構不連續。如不能避免，當缺陷位置位于彎頭附近時，彎頭處聲發射檢測的精度大大降低。在相同精度下，直管段一次檢測覆蓋范圍可達到彎頭處的2~3倍。
(2) 埋地管道缺陷的聲發射信號在傳播過程中頻率變化不大，這對于缺陷與噪聲的甄別非常有意義，通過頻率的濾波處理即可最大程度減少噪聲對缺陷檢測的影響。同時幅值和上升時間受傳播距離的影響相對較小，通過計算機輔助仿真，模擬在不同管徑、幾何截面、結構形式的管道中聲發射信號的傳播速率，輔助以管道兩端采集到的聲發射信號時差（可以通過相關分析進行計算），即可以實現埋地管道內部的缺陷定位。
(3) 高幅值高能量信號在管道中的傳播受到外部覆蓋層影響較小；對于信號強度較低的腐蝕和滲漏檢測，應盡量對布置于直管段的傳感器進行檢測評價，且在可能情況下盡可能縮小檢測距離（以衰減測試距離為準），提高檢測精度。
(4) 在合理的距離范圍之內，使用聲發射檢測埋地穿越管道的腐蝕和泄漏是完全可行的，特別是對于有重點泄漏風險的位置進行局部監測，聲發射技術的檢測精度較高。
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