中文摘要 大型儲罐及管道是石化行業(yè)中油品儲存和運輸?shù)闹匾O(shè)施，一旦發(fā)生事故， 極易引起火災(zāi)和爆炸，并造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。研究先進的無損檢測技術(shù)，對于 保障石油儲運設(shè)施的安全穩(wěn)定運行，減少和避免環(huán)境污染具有重要意義。本文主 要對基于聲發(fā)射方法的大型金屬儲罐底板和管道在線檢測技術(shù)進行了研究。 本文首先分析了聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的機理及聲發(fā)射檢測的基本原理，并對不同 模態(tài)的聲發(fā)射波的傳播和衰減特性進行了研究。通過對無載荷和水載作用下鋼板 中聲發(fā)射波的傳播特性分析，確定了大型常壓金屬儲罐內(nèi)罐底有效聲發(fā)射源的傳 播路徑，并以此為依據(jù)，對罐底檢測聲發(fā)射傳感器的頻率及傳感器的布置方案進 行了研究，實現(xiàn)了罐底聲發(fā)射信號的采集與定位。 針對非檢測區(qū)域的噪聲干擾問題，提出了基于雙傳感器組的傳感器優(yōu)化布置 方案，對罐底聲發(fā)射檢測過程中聲源的方向進行識別，有效屏蔽了來自非檢測區(qū) 域的干擾聲源信號。通過對容積3 0 0 0m 3 的固定頂煤油儲罐的現(xiàn)場檢測實驗，驗 證了該方法的有效性。 本文采用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對罐底聲發(fā)射信號進行模式識別，消除了機械噪聲和 電磁噪聲的干擾。通過提取聲發(fā)射信號在不同小波分解頻帶上的特征系數(shù)，構(gòu)造 b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本集的特征向量，優(yōu)化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的性能，提高了 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對罐底腐蝕、裂紋擴展和泄漏等不同性質(zhì)的聲發(fā)射源的判別能力，使基 于聲發(fā)射在線檢測技術(shù)的儲罐底板結(jié)構(gòu)完整性評價結(jié)果更加精確。 在聲發(fā)射管道檢測方面，本文首先對管道腐蝕裂紋聲發(fā)射信號的檢測及定位 技術(shù)進行了研究，并提出了相應(yīng)的定位補償方法。采用聲發(fā)射參數(shù)對管道在加載 過程中裂紋“開裂前兆一開裂一擴展一快速斷裂”的全部過程進行解釋， 彌補了根據(jù)常規(guī)力學(xué)方法在管道裂紋擴展速率預(yù)測方面的不足。 研究了管道泄漏聲發(fā)射信號參數(shù)隨壓力、泄漏孔徑大小、信號傳播距離等的 變化規(guī)律，并首次把h i l b e r t - - h u a n g 時頻分析方法引入到聲發(fā)射信號分析與特征 提取的研究領(lǐng)域。將管道泄漏聲發(fā)射信號分解為多個固有模式函數(shù)，通過提取包 含有效聲發(fā)射特征的i m f 分量進行信號重構(gòu)，提高了管道泄漏點的定位精度。 驗證了h h t 變換是表征聲發(fā)射信號的非平穩(wěn)特征及參數(shù)提取的有效工具。 關(guān)鍵詞：聲發(fā)射儲罐底板管道模式識別b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)小波分析 h i l b e r t - - h u a n g 時頻分析 a b s t r a c t l a r g es t o r a g et a n k sa n dp i p e l i n ea r es i g n i f i c a n te q u i p m e n t sf o ro i ls t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o ni no i la n dc h e m i c a li n d u s t r y o n c et h e r ei s a na c c i d e n to c c u r r e do n t a n k so rp i p e l i n e ，i tm a yc a u s ef i r eo re x p l o s i o n ，a n dr e s u ki ns e v e r ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n t h e r e f o r e ，a d v a n c e dn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi sk e y t oi n s u r e s a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fo i ls t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t ，a sw e l la s a v o i de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e do na c o u s t i c e m i s s i o nn o n d e s t r u c t i v ea n do n - l i n ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yf o rl a r g em e t a ls t o r a g e t a n kb o t t o ma n d p r e s s u r ep i p e l i n e f i r s t l y , t h em e c h a n i s mo fa eg e n e r a t i o na n db a s i cp r i n c i p l eo fa c o u s t i ce m i s s i o n w a sa n a l y z e da n dt h ep r o p a g a t i o na n da t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n ta c o u s t i c e m i s s i o nw a v e sw e r er e s e a r c h e d t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o fa ew a v e p r o p a g a t i n gi nt h es t e e lp l a t e w i t h o u ta n dw i t hf l u i d l o a dw a sa n a l y z e d ，a n dt h e p r o p a g a t i o np a t ho fe f f e c t i v ea es o u r c ei nt h et a n kb o t t o mw a sc l a r i f i e d o nt h e b a s i s o ft h a t ，t h ef r e q u e n c ya n da r r a n g e m e n to f a es e n s o r sw e r ed i s c u s s e d d u r i n gt h ep r o c e s so fa e t a n kb o t t o mi n s p e c t i o n ，i ti sl i a b l et ob ei n t e r f e r e dw i t h n o i s eo u t s i d et h ei n s p e c t i o na r e aw h e nt h et a n kh a sf i x e dt o pa n dc o n t a i n sv o l a t i l e m e d i a t h i sd i s s e r t a t i o nb r o u g h tf o r w a r da no p t i m a ls e n s o ra r r a n g e m e n tm e t h o d b a s e do nd o u b l es e t so fs e n s o ra r r a y s ，w h i c hi su s e dt od i s t i n g u i s ha c o u s t i ce m i s s i o n s o u r c ed i r e c t i o nt ot h em a i ns e n s o ra r r a ya n ds u p p r e s si n t e r f e r e n c en o i s eo u t s i d e i n s p e c t i o na r e a 。t h ei n - s i t ei n s p e c t i o nt e s to na3 0 0 0mf i x e dt o pt a n kc o n t a i n i n g a v i a t i o nk e r o s e n ed e m o n s t r a t e dt h ee f f e c t i v e n e s so f 廿l i sm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , b pn e u r a ln e t w o r kw a sa d o p t e dt or e c o g n i z et h ep a t t e mo f a es i g n a l sf r o mt a n kb o t t o m , a n dm u c hm e c h a n i c a la n de m in o i s ec o u l db e d i s t i n g u i s h e da n de l i m i n a t e db yt h en e t w o r k w a v e l e tt r a n s f o r mw a su s e dt oo p t i m i z e t h ep a t t e r nr e c o g n i t i o np e r f o r m a n c eo ft h eb pn e u r a ln e t w o r kb ye x t r a c t i n gt h e f r e q u e n c y o re n e r g ye i g e n v e c t o ro ft h ea es i g n a lf r o md i f f e r e n t w a v e l e t d e c o m p o s i t i o nf r e q u e n c yb a n d w a v e l e tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw e r eu s e d a si n p u t v e c t o r so ft h en e u r a ln e t w o r k , a n dt h en e t w o r k sr e c o g n i t i o nc a p a b i l i t yt oc o r r o s i o n , c r a c ke x t e n s i o n ，a n dl e a k a g ew a si n c r e a s e d t h u s ，s t r u c t u r ei n t e g r i t ye v a l u a t i o nb a s e d o na eo n 1 i n ei n s p e c t i o nw o u l db em o r ec o r r e c t 。 i nt h ea s p e c to fp r e s s u r ep i p e l i n ea ei n s p e c t i o n ，d e t e c t i o na n dl o c a t i o no f p i p e l i n ec o r r o s i o na n dc r a c ke x t e n s i o nw e r es t u d i e d , a n da l g o r i t h mf o rl o c a t i o n c o m p e n s a t i o nw a sb r o u g h tf o r w a r d a c o u s t i ce m i s s i o nc o u n t sw e r eu s e dt oe x p l a i n t h ew h o l ep r o c e s so fc r a c kf o r m a t i o n , e x t e n s i o n ，a n dr u p t u r e ，w h i c hw a sa ne f f e c t i v e c o m p e n s a t i o nf o rc o n v e n t i o n a lf r a c t u r em e c h a n i ce s t i m a t i n gt h ee x t e n s i o ns p e e do f p i p e l i n ec r a c k t h er u l eo f p i p e l i n el e a ka ep a r a m e t e r sv a r y i n gw i t hp r e s s u r ei np i p e l i n e ，s i z eo f t h el e a k i n gp o i n t ，a n dp r o p a g a t i n gd i s t a n c ew a ss t u d i e di nd e t a i l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， h i l b e r t - h u a n gt i m e f r e q u e n c yt r a n s f o r mm e t h o dw a sa p p l i e dt ot h ef i e l do fa es i g n a l a n a l y s i sa n dc h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o n t h ep i p e l i n el e a ka es i g n a l sw e r ed e c o m p o s e d t os e v e r a li n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n s ，a n dr e c o n s t r u c t e dw i t hi m f sc o n t a i n i n gt y p i c a l a c o u s t i ce m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h et w or e c o n s t r u c t e ds i g n a l sw e r ea n a l y z e da n d t h e i rc r o s s - c o r r e l a t i o np a r a m e t e rw a sc m c u l m e d t h el o c a t i o na c c u r a c yo ft h el e a k i n g p o i n tc a l c u l a t e dw i t ht h er e c o n s t r u c t e ds i g n a l sw a sg r e a t l yi n c r e a s e d t h u s i ti s d e m o n s t r a t e dt h a th i l b e r t h u a n gt r a n s f o r mi sa ne f f e c t i v et o o lf o rd e m o n s t r a t i n gt h e n o n - s t a b l ec h a r a c t e r i s t i co fa c o u s t i c a ls i g n a l sa n df e a t u r ee x t r a c t i o no fp i p e l i n el e a k s i g n a l s k e yw o r d s ：a c o u s t i ce m i s s i o n ，s t o r a g et a n kb o t t o m , p i p e l i n e ，p a t t e r n r e c o g n i t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m , h i l b e r t - - h u a n gt i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得：叁洼盤堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：3 ，) 、汰簽字日期：a 年五月j 7 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤鲞盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)苤鲞盤鱟可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：劃、五波 導(dǎo)師簽名： 簽字日期：a e 年lz 月3 - 7 日簽字日期：“年7t ，月z7 日 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 隨著我國能源結(jié)構(gòu)的變革和對能源需求的不斷增加，石油、天然氣在我國能 源需求中的比例逐年加大。石油從開采、儲存、加工到使用，每一個環(huán)節(jié)都至關(guān) 重要。從油氣井中開采出來的石油、天然氣，經(jīng)過礦場油氣集輸系統(tǒng)的收集和初 步處理后，將通過長輸管道運往全國各地的煉廠、化工廠或其它相關(guān)部門的大型 儲罐內(nèi)貯存，進而供給工業(yè)或民用用戶。 隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展和能源需求的不斷增加，原油和成品油的儲備受到 了世界各國的普遍關(guān)注，對各類油庫的油品儲備能力的要求也越來越高。近年來， 我國陸續(xù)在全國建設(shè)了4 個大型石油戰(zhàn)略儲備基地，與普通油庫相比，不僅儲罐 數(shù)量激增，而且儲油罐的設(shè)計及施工也朝著大型化的方向發(fā)膨。目前，基地內(nèi) 單臺儲罐的容積一般都在5 1 5 萬1 1 1 3 ，1 0 萬m 3 的儲罐已經(jīng)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)。儲罐大型化具有很多優(yōu)點，但大型儲罐容積大、 分布集中，且多用來儲存易燃、易爆、有毒介質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏或爆炸事故，往 往會造成災(zāi)難性的后果及嚴(yán)重的環(huán)境污染，給社會帶來巨大損失和危害。1 9 7 4 年1 2 月，日本水島煉廠5 0 0 0 0 m 3 儲罐發(fā)生罐底破裂事故，原油泄漏4 3 萬m 3 ， 油從罐壁與罐底之間沖出，并沖開了防油堤，污染地面1 4 8 3m z ，約9 0 0 0m 3 的 原油流到海面；1 9 8 8 年1 月，美國賓西法尼亞州a s h l a n d 石油公司的容積為4 0 0 萬加侖的柴油儲罐解體并倒塌，造成7 5 萬加侖的柴油流入m o n o n g a h e l a 和o h i o 河，對河流造成極大污染1 2 j 。 而管道由于在運送氣體、液體、漿體等散裝物品方面所具有的獨特優(yōu)勢，世 界各國已經(jīng)普遍采用長距離管道輸送原油、天然氣和成品油等。迄今為止，全世 界主要管道干線的總長已經(jīng)超過了2 3 0 萬公里，其中原油和成品油管道8 0 萬公 里，天然氣管道1 5 0 萬公里，并且每年以4 萬公里的速度在增長，已經(jīng)形成許多 地區(qū)性、全國性，甚至國際性、洲際性的大型油氣輸送管網(wǎng)【3 ，4 】。然而，隨著管 線的增多，由于管道的腐蝕、磨損，以及服役時間延長等造成的管道事故不斷發(fā) 生。1 9 8 9 年，前蘇聯(lián)烏拉爾山區(qū)的一條輸氣干線泄漏，附近火車引起的火花引 爆了泄漏的天然氣，造成6 0 0 多人死亡，燒毀森林?jǐn)?shù)百公頃；1 9 9 9 年，c o l o n i a l 第一章緒論 管道公司運營的成品油管道在位于田納西州東部的諾克斯維爾發(fā)生了一起破裂 溢油事故，泄漏了2 0 2 7m 3 的高硫燃料柴油，財產(chǎn)損失達(dá)7 0 0 萬美元【5 】。我國的 管道也曾不同程度的發(fā)生各種事故，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至1 9 9 0 年，我國僅輸油 管道在近2 0 年的時間里，共發(fā)生大小事故6 2 8 次，天然氣管道也曾多次發(fā)生事 故，這一期問的事故主要是由于管道腐蝕、野蠻施工或操作失誤造成的。到了 9 0 年代以后，我國的管道泄漏事故中人為打孔破壞造成的事故占了相當(dāng)大的比 例。 隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，安全、環(huán)境及災(zāi)害防治 的要求越來越高，反映在油氣儲運系統(tǒng)上就是保障油氣儲存及運輸設(shè)備的安全生 產(chǎn)、避免環(huán)境與生態(tài)污染、防止災(zāi)害的發(fā)生。因此，研究安全有效的無損檢測技 術(shù)，尤其是在線檢測技術(shù)，為石油儲運設(shè)施的長周期可靠運行提供有利保障，具 有重要的意義。 1 2 我國石油儲運設(shè)施的建設(shè)及發(fā)展?fàn)顩r 1 2 1 我國儲罐的建設(shè)及發(fā)展概況 儲罐是輸油系統(tǒng)中的重要生產(chǎn)設(shè)施，立式常壓儲罐是原油貯存、分離、外輸、 中轉(zhuǎn)的重要設(shè)備，是油田中使用最為普遍、在役時間較長的設(shè)備之一。由于能源 危機，許多靠進口原油的工業(yè)發(fā)達(dá)國家都增加了原油的儲備量。近十余年來，油 罐的數(shù)量快速增長，與此同時，油罐的設(shè)計也朝著大型化的方向發(fā)展。有關(guān)大型 化主要有以下優(yōu)點【6 j ： 1 、節(jié)省鋼材及投資。油罐越大，每立方米容積消耗的鋼材越少，投資越省。 2 、占地面積小，便于管理?？傮w積相同時，幾座大罐要比一群小罐占地面 積小，且在檢測、維護和保衛(wèi)等方面都比較方便。 3 、節(jié)省管路、閥門、儀表以及有關(guān)配件等。 近年來，大型油罐在油庫總?cè)莘e中占的比例越來越大。油罐大型化后，油庫 的結(jié)構(gòu)大為改觀，但油罐大型化后的危險性也增加了，首先，大型油罐更容易產(chǎn) 生危險；其次，出現(xiàn)問題以后的危害性也特別大。 儲罐內(nèi)儲存的介質(zhì)主要為原油或污水，還有少量為汽油、柴油等成品油，多 數(shù)是易燃易爆、具有環(huán)境污染的介質(zhì)。由于金屬儲罐常年在自然環(huán)境和液位變化 條件下運行，受到多種不利因素，包括地震、洪澇災(zāi)害等的影響，因此不可避免 地受到各種損傷，特別是環(huán)境中的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕所引發(fā)的腐蝕穿孔、裂 紋擴展以及破裂等。儲罐事故的主要原因是由罐底腐蝕和泄漏引起的，由于其破 第一章緒論 壞的嚴(yán)重性，世界各國均以法律的形式要求必須定期對儲罐罐底的腐蝕及泄漏情 況進行檢測。美國的a p i6 5 3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)赳7 】，每5 年至少進行一次運行中常壓儲罐的 外部宏觀檢查。若腐蝕速率未知，超聲測厚在線檢測周期為5 年：已知腐蝕速率 后，超聲測厚在線檢測周期應(yīng)根據(jù)實際計算而定，但最長不大于1 5 年。底板檢測 周期應(yīng)根據(jù)實際計算確定，但最長不大于2 0 年。2 0 0 4 年，美國b pp l c 的a t l a n t i c r i c h f i e l d ( a r e o ) 公司就因為沒有按時檢測和更新它在加利福尼亞州的5 9 個地下 儲油罐，給油站的安全造成巨大威脅而受到加州政府的指控。a r c o 公司被判支付 四千五百八十萬美元的罰款用于繳納罰金及儲油罐的更新，這是美國歷史上涉及 儲油罐管理的最大一筆現(xiàn)金處罰。在我國，按照國務(wù)院頒布的危險品化學(xué)安全 管理條例的要求，必須對化學(xué)危險品儲罐進行定期檢驗，但目前具體年限和檢 驗規(guī)則還沒有明確的要求；s y 仃5 9 2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，新建儲罐第一次檢測修理期限 不大于l o 年，以后的檢驗周期為5 7 年博j 。 常壓儲罐的設(shè)計壽命一般為2 0 年，隨著使用時間的延長，像其它設(shè)備一樣， 儲罐不可避免地會出現(xiàn)各種腐蝕和老化現(xiàn)象，存在著很大的安全隱患。而在儲罐 的使用單位，對儲罐設(shè)備的管理也沒有像鍋爐壓力容器一樣納入依法管理軌道， 特別是現(xiàn)在很多大型石化企業(yè)為提高經(jīng)濟效益，通常都實行裝置的長周期運行。 延長檢修周期帶來的經(jīng)濟效益雖然非?？捎^，但石化企業(yè)的設(shè)備老化和安全問題 也侶漸突出。例如，我國東北地區(qū)的儲罐大部分是7 0 年代制造并投入運行的， 已有近3 0 年的歷史，隨著時間的變化和環(huán)境介質(zhì)的影響，部分儲罐已經(jīng)出現(xiàn)材 料老化、腐蝕等缺陷，造成儲罐抗突發(fā)性荷載( 如地震、地質(zhì)作用) 的能力下降。 伴隨著儲罐服役期的延長，近年來不少常壓儲罐使用單位都曾出現(xiàn)過大大小小的 問題，如上世紀(jì)末，大慶某采油廠一臺污水罐由于罐底腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致罐底圈板 開裂，造成儲罐倒塌。該臺儲罐倒塌時，由于互相連接的管線的沖頂，致使另一 污水罐嚴(yán)重變形被迫報廢，造成直接經(jīng)濟損失5 0 0 多萬元【劌。 1 2 2 我國油氣管道建設(shè)及發(fā)展概況 2 0 世紀(jì)9 0 年代以來，我國的管道建設(shè)得到了快速發(fā)展。至2 0 0 3 年底，我 國油氣管道累計長度已達(dá)4 5 8 6 5k m ，管道長度居世界第六位。其中，原油管道 1 5 9 1 5k m ，天然氣管道2 1 2 9 9k m ，成品油管道6 5 2 5k m ，海底管道2 1 2 6k m ，己 形成了東北、華北、中原、華東和西北廣大地區(qū)的地下管道運輸網(wǎng)絡(luò)【l ，全國石 油、天然氣產(chǎn)量的9 0 通過長輸管道源源不斷地輸向煉油廠、化工廠及海運碼頭。 我國目前已形成了東北、華東原油管網(wǎng)和西北區(qū)域性原油管網(wǎng)。東北原油管網(wǎng)連 接了撫順、錦州、錦西、大連各煉油廠和大連新港、秦皇島油港，華東原油管網(wǎng) 聯(lián)接了黃島油港和儀征油港，東北和華東地區(qū)基本形成了以管道運輸為主，并與 第一章緒論 油港聯(lián)運原油的格局。2 0 0 4 年投產(chǎn)的西氣東輸工程橫貫中國西東，放射型的支 線覆蓋中國許多大中城市，構(gòu)成我國南北天然氣管道環(huán)網(wǎng)。目前，我國已初步形 成西氣東輸、陜京二線、忠武線三條輸氣干線，川渝、京津冀魯晉、中部、中南、 長江三角洲五個區(qū)域管網(wǎng)并存的供氣格局【1 1 1 。我國海底油氣管道建設(shè)還不到2 0 年時間，管道數(shù)量不多，但技術(shù)上都達(dá)到了國際先進水平。1 9 9 4 年，我國與國 外公司合作鋪設(shè)了南海崖1 3 一l 氣田至香港全長7 7 8 k m 海底管道，水深最大為 1 4 0 m ，其長度為世界第二，亞洲第一【1 2 j 。 油氣長輸管道具有管徑大、運輸距離長、輸送壓力高和運量大等特點。其起 點一般建在油氣田，終點為煉廠、石油化工廠或油庫等部門。管道沿途一旦發(fā)生 事故，不僅會給管道系統(tǒng)本身造成嚴(yán)重后果，而且會給社會和環(huán)境帶來災(zāi)難。隨 著管線的增多、管齡的增長，由于管道腐蝕、自然災(zāi)害和人為損壞等因素使得管 道安全問題變得日益嚴(yán)重。管道安全事故不僅會影響管道輸送的正常進行，而且 當(dāng)管道輸送有毒、有害、易燃和易爆介質(zhì)時，還會給人們的生命財產(chǎn)和生存環(huán)境 造成巨大的威脅。據(jù)歐盟各石油公司成立的“空氣與水保護組織”( c o n c a w e ) 統(tǒng)計的資料表明【l3 j ：1 9 7 1 - , 1 9 9 5 年西歐及美國輸油管道事故中因腐蝕而造成的 事故占事故總數(shù)的3 0 以上，事故統(tǒng)計表見表1 1 。 表1 11 9 7 1 1 9 9 5 年西歐及美國輸油管道的事故統(tǒng)計 比例 地區(qū) 外力損傷腐蝕機械損傷操作失誤自然災(zāi)害其它 西歐3 3 3 0 2 5 7 4 l 美國 3 4 3 3 1 8 2 5 4 5 8 我國的輸油管道多建在2 0 世紀(jì)七八十年代，當(dāng)時采用的設(shè)備、管材質(zhì)量較 差，相當(dāng)一部分管線已經(jīng)步入衰老期，泄漏事故時有發(fā)生。目前我國大慶、勝利、 大港、遼河、華北、中原等油田所屬的很多管線已達(dá)到設(shè)計年限，正處于超齡服 役階段，因而管道事故隱患較多，給管道和環(huán)境安全帶來極大的危險。1 9 7 0 - 1 9 9 0 年我國東部輸油管道的事故統(tǒng)計【1 4 】參見表1 2 。與表1 1 對比可知，當(dāng)時我國管 道的自動化水平不高，管材質(zhì)量等造成的設(shè)備腐蝕、操作失誤是造成管道事故的 主要原因。 表1 2 我國東部輸油管道事故統(tǒng)計( 1 9 7 0 - - , - , 1 9 9 0 ) 破壞原因 外力損傷 設(shè)備故障腐蝕 操作失誤 管材質(zhì)量 其它 比例 8 3 3 0 3 2 1 3 2 0 5 8 5 1 1 1 4 第一章緒論 由于上述原因，我國油氣管道的事故率比發(fā)達(dá)國家要高出許多倍。據(jù)統(tǒng)計， 近3 0 年來，歐洲、俄羅斯、美國的輸氣管道事故率( 次( 1 0 3 砌口) 分別為o 4 2 、 0 4 6 、0 6 0 。據(jù)2 0 世紀(jì)9 0 年代統(tǒng)計，中國四川地區(qū)1 2 條輸氣管道的事故率為 4 3 ，東北和華北地區(qū)輸油管道自運行以來，粗略統(tǒng)計事故率也要超過2 0 【1 5 】。管 道一旦發(fā)生事故，不僅對管道的安全運行危害極大，而且維修、維護極為困難。 因此，如果能夠及時發(fā)現(xiàn)管道安全隱患，并確定其位置，尤其是在不停產(chǎn)的條件 下對管道進行在線檢測，就可以有效地減輕事故造成的危害，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟和 社會效益。 1 3 大型儲罐底板及管道檢測方法綜述 1 3 1 罐底檢測技術(shù)綜述 常壓儲罐的罐底檢測方法和手段有著相當(dāng)?shù)木窒扌浴ｉL期以來，儲罐罐底的 缺陷檢測一直采用離線檢測方法定期開罐進行檢測，即按照儲罐的安全檢測周 期，停工后將儲罐內(nèi)的油品全部清空，再采用常規(guī)的無損檢測方法，如漏磁、渦 流、超聲、滲透等方法對整個儲罐底板進行檢測。常用的罐底離線檢測方法主要 有超聲波罐底檢測、渦流罐底檢測、漏磁罐底檢測等，而聲發(fā)射方法是目前國際 上唯一認(rèn)可的大型常壓金屬儲罐底板在線檢測方法，下面將逐一進行介紹。 ( 一) 罐底超聲波測厚技術(shù)【1 6 1 罐底超聲檢測主要是利用超聲波測厚儀進行板厚的測量，其測厚的原理是用 探頭將超聲波脈沖透過耦合劑發(fā)射至被測物體，其中一部分聲波將被物體表面反 射，探頭接收由被測物體底面反射的回波，并計算超聲波的往返時間，經(jīng)轉(zhuǎn)換后 顯示出厚度數(shù)據(jù)。 超聲波測厚的優(yōu)點是使用方便、靈活，儀器成本低，維護保養(yǎng)容易；缺點是 只能進行點的測量，整體檢測效率低，對被測物體的表面狀況要求較高( 要求表 面平整，光滑) ，清洗和打磨勞動強度大、檢測周期長、費用高，同時漏檢率較 高。 ( 二) 罐底渦流檢測技術(shù)【1 7 】 渦流檢測只適用于導(dǎo)電材料，普通的渦流探傷法( e t ) 由于浸透性不足，一 般僅能檢測出鋼板表面和近表面的缺陷，而對于背面缺陷則無法檢出。低頻渦流 技術(shù)( 低頻電磁感應(yīng)法) 使試驗頻率下降后，提高了浸透性，可以對背面缺陷進 行檢測。低頻渦流技術(shù)利用在交變磁場作用下不同材料會有不同振幅和相位的渦 流值來檢測鐵磁性和非鐵磁性材料的物理性能、結(jié)構(gòu)和冶金情況等。這種技術(shù)的 第一章緒論 優(yōu)點是檢測效率較高，對表面清潔度要求低，不需耦合劑就可以確定缺陷的大小 和形狀；缺點是對使用者的技術(shù)要求較高，而且儀器價格昂貴。 ( - - ) 漏磁檢測技術(shù) 8 - 2 0 鐵磁性材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于其它非鐵磁性介質(zhì)( 如空氣) 的磁導(dǎo)率，當(dāng)磁場 作用于被測對象并采用適當(dāng)?shù)拇怕穼⒋艌黾杏诓牧暇植繒r，一旦材料表面存在 缺陷，缺陷附近將有一部分磁場外泄出來。用傳感器檢測這一外泄磁場可以確定 有無缺陷，進而可以評價缺陷的形狀尺寸。漏磁檢測與磁粉檢測類似，都是建立 在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率特性之上，只不過用靈敏度高的磁敏元件來代替磁粉， 從而使檢測更加智能化，更加簡便快捷，結(jié)果更準(zhǔn)確可高。 漏磁檢測技術(shù)的檢測結(jié)果具有很好的定量性、客觀性和可記錄性。該技術(shù)在 國外已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用。代表性的儀器有s l i v e r w i n g ( 英國) 公司生產(chǎn)的 f l o o r m a p 2 0 0 0 和m f l2 0 0 0 罐底板腐蝕掃描器等，儀器對現(xiàn)場清潔程度要求較低， 操作方便，檢測速度快，精度較高，穿透力強，其不足表現(xiàn)為：儀器本身較重， 且只適用于鐵磁性材料，現(xiàn)在還不能對焊縫進行有效的檢測。當(dāng)需要對板間的對 接或搭接焊縫以及底板與簡體的大角縫檢測時，還要采用表面檢測技術(shù)和真空查 漏技術(shù)進行補充。 ( 四) 聲發(fā)射在線檢測 它無需清罐，檢測周期短，而且基本不影響生產(chǎn)，極大地提高了檢測效率， 節(jié)省了大量檢測費用。 作為一種動態(tài)檢測方法，聲發(fā)射技術(shù)用于在役儲罐的在線檢測及結(jié)構(gòu)完整 性評價，可以彌補其它常規(guī)無損檢測方法的不足。聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于儲罐結(jié)構(gòu)完 整性檢測與評價主要可分為三個方面：( i ) 新制儲罐的聲發(fā)射檢測與評價；( 2 ) 在用儲罐的聲發(fā)射檢測和評定；( 3 ) 儲罐的聲發(fā)射在線監(jiān)測和安全性評定。從 目前的應(yīng)用來看，聲發(fā)射技術(shù)在實現(xiàn)儲罐的在線檢測及評估方面最具優(yōu)勢1 2 。 通過定期清罐對罐底進行離線檢測不僅檢測費用高，而且清罐清出的罐底殘 油如果直接排放也會對環(huán)境造成極大污染。聲發(fā)射儲罐罐底檢測技術(shù)可以在不停 產(chǎn)的情況下對儲罐罐底進行評估，以延長“好罐”的檢測周期，減少和避免因清 罐造成的環(huán)境污染，使用戶獲得直接和潛在的經(jīng)濟效益，同時也可以及時發(fā)現(xiàn)和 維修“壞罐”，避免其誘發(fā)事故所造成的損失。 采用聲發(fā)射技術(shù)對儲罐罐底進行在線檢測主要是利用載荷變化時，罐底腐蝕 和泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。通過布置在儲罐外壁上的傳感器來接收罐底腐蝕和泄 漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，經(jīng)過分析處理，即可對罐底的腐蝕損傷程度及罐底是否存 在泄漏做出判斷，計算出腐蝕區(qū)域和泄漏點的位置，從而對罐底的整體完整性及 安全性做出評估。采用聲發(fā)射方法對罐底進行檢測所帶來的經(jīng)濟效益是非常顯著 6 第一章緒論 的，目前，許多國際石油公司均采用聲發(fā)射方法對儲罐進行定期在線檢測。 1 3 2 管道檢測技術(shù)及其特點 隨著能源需求量的增加，油氣管道運輸作為一種安全、經(jīng)濟的運輸方式得到 了更廣泛的應(yīng)用。作為管道運行監(jiān)控重要組成部分的管道安全檢測技術(shù)一直受到 世界各國科技人員的重視。目前已有多種管道安全檢測方式和技術(shù)應(yīng)用于管道的 檢測和維護，由于管道安全檢測技術(shù)是多領(lǐng)域多學(xué)科知識的綜合，各種管道檢測 方式和技術(shù)差別較大。 管道安全檢測技術(shù)從不同的側(cè)重點出發(fā)可以有不同的分類方法，從檢測管道 泄漏的角度可以將各種檢測方法分為直接檢漏法和間接檢漏法。直接檢漏法是利 用安裝在管道外的檢測器，直接檢測漏到管外的輸送液體或其揮發(fā)氣體，從而達(dá) 到檢漏目的；間接檢漏法是指檢測由于泄漏引起的管道運行參數(shù)的變化，如根據(jù) 流體壓力、流量的變化來判斷是否發(fā)生泄漏。其中包括流量平衡法、負(fù)壓波法、 壓力梯度法、密封加壓法、實時模型法等。從檢測方位的角度可以將各種檢測方 法分為外部檢測法和內(nèi)部檢測法；從檢測技術(shù)的角度可以將可分為基于物理學(xué)、 聲學(xué)、化學(xué)、光學(xué)等原理的檢測方法。由于管道檢測方法種類繁多，因此本文將 僅對當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的基于聲學(xué)原理的管道安全檢測方法和技術(shù)進行概述，其 它更為詳盡的管道檢測技術(shù)方法分類參見文獻(xiàn)【2 2 】。 ( 一) 負(fù)壓波法【2 3 彩】 當(dāng)管道發(fā)生泄漏時，泄漏處由于流體物質(zhì)損失而引起局部流體密度減小，造 成泄漏處的壓力突然下降，壓降由泄漏處向上、下游傳播，當(dāng)以泄漏前的壓力作 為參考標(biāo)準(zhǔn)，泄漏產(chǎn)生的壓降稱之為負(fù)壓波，其傳播速度與聲波在流體中的傳播 速度相同。該波以一定的速度自泄漏點經(jīng)過若干時間以后分別傳到上下游的壓力 傳感器，壓力傳感器檢測到負(fù)壓波信號以后，通過分析兩端的測試信號，即可進 行管道泄漏的判斷。由于管壁的波導(dǎo)作用，負(fù)壓波傳播過程衰減較小，可以傳播 相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，因而采用負(fù)壓波測試技術(shù)可以對長輸管道的泄漏進行監(jiān)測。利用 負(fù)壓波通過上、下游測量點的時間差以及負(fù)壓波在管線中的傳播速度，可以確定 泄漏位置。 負(fù)壓波方法可以檢測出管道的突發(fā)型泄漏，并可以進行較長距離的監(jiān)測，因 此是目前國際上廣泛重視的管道泄漏檢測和漏點定位方法。在管道實際運行過程 中，泵、閥的正常作業(yè)也會引起負(fù)壓波，但是來自泵站方向的負(fù)壓波與泄漏產(chǎn)生 的負(fù)壓波方向不同，為區(qū)分因泄漏引起的負(fù)壓波和正常作業(yè)產(chǎn)生的負(fù)壓波，國外 采用在管道的兩端各設(shè)置兩個壓力變送器，用以區(qū)分負(fù)壓波的方向。國內(nèi)天津大 學(xué)采用在管道兩端各安裝一只變送器的方法即可進行泄漏檢測與定位。其原理是 7 第一章緒論 泄漏引起的負(fù)壓波與正常操作引起的負(fù)壓波波形特征有較大的區(qū)別。對負(fù)壓波進 行分段符號化處理，形成波形結(jié)構(gòu)模式，檢測到的負(fù)壓波經(jīng)預(yù)處理后，與標(biāo)準(zhǔn)負(fù) 壓波模式庫進行匹配，可以及時有效地判斷管道是否存在泄漏。 ( - - ) 水聲換能器檢漏法 海底管線泄漏比陸地上的泄漏檢測更加困難，特別是小泄漏的情況下。由 p e l a g o sc o r p 研制了一種新型水中聲學(xué)泄漏定位系統(tǒng)，可以成功地應(yīng)用于海底管 線的泄漏檢測 2 6 】。該種聲學(xué)泄漏定位器采用了一個超靈敏水聲換能器或者水聽 器，監(jiān)聽管道沿線的泄漏噪聲，傳感器沿管道設(shè)置，通過防波電纜聯(lián)接到船上的 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可以對管線中的液體或氣體的微小泄漏進行檢測和定 位，在空氣中或水中都十分有效。它的檢測范圍取決于泄漏信號強度、結(jié)構(gòu)上的 聲音衰減及背景噪聲的強弱。 ( - - ) 超聲導(dǎo)波法【2 7 - 3 0 】 一 管道超聲導(dǎo)波( u l t r a s o n i cg u i d e dw a v e ) 檢測技術(shù)是上個世紀(jì)九十年代剛剛發(fā) 展起來的一種新的管道無損檢測技術(shù)。導(dǎo)波在管道中傳播時，管道所有的不連續(xù) 處和幾何形狀的改變都會引起導(dǎo)波傳播速度的變化，進而產(chǎn)生攜帶結(jié)構(gòu)缺陷信息 的反射回波。通過對所接收的信號進行分析處理，即能判斷所檢測結(jié)構(gòu)中存在缺 陷的位置，并對其尺寸進行估計。特定頻率及模態(tài)下的超聲導(dǎo)波可以傳播較長的 距離，在理想狀況下單方向檢測可達(dá)百余米。由于僅需要對安裝傳感器處的0 5 l m 范圍內(nèi)的管道進行防腐層剝離及除銹等表面處理，檢驗成本可大大降低，而 且對于某些難以接近的管道系統(tǒng)，如帶夾具、有套管的管道或高架管道、埋地管 道、海底管道、穿越公路的管道等均能進行檢測。此外，超聲導(dǎo)波在管壁的內(nèi)外 表面和中部都有質(zhì)點的振動，聲場遍及整個壁厚，因此可以對壁厚進行1 0 0 檢 測，即管道內(nèi)壁及外壁的金屬損失缺陷都可以被檢測到。 超聲導(dǎo)波檢測是一種快速大范圍的初步檢測方法，通過檢測可以對管道系統(tǒng) 的安全性做出評價，判定正常部位和可疑部位。但它只能對缺陷進行定性判斷， 對缺陷的尺寸估計是近似的，對缺陷定位是粗略的。對可疑部位仍需要采用其它 檢測方法才能做出最終評價。而且，導(dǎo)波檢測只對管道環(huán)狀截面上金屬缺損面積 大的缺陷較敏感，而對環(huán)向金屬缺損面積小的缺陷，例如單個點狀缺陷和軸向條 狀缺陷，以及軸向裂紋則較難檢出。 ( 四) 聲發(fā)射法 與采用超聲探頭發(fā)射超聲導(dǎo)波的主動檢測不同，聲發(fā)射技術(shù)是一種被動檢測 技術(shù)，其檢測的能量來自材料或構(gòu)件本身。采用聲發(fā)射技術(shù)可以對管道結(jié)構(gòu)上的 一些缺陷，如裂紋、腐蝕、分層、泄漏和冰堵等進行檢測。管道在發(fā)生腐蝕、裂 第一章緒論 紋擴展、泄漏及其它故障時，都會產(chǎn)生大量的聲發(fā)射( a e ) 信號。 當(dāng)管道由于腐蝕出現(xiàn)壁厚減薄或裂紋等缺陷時，通過工作壓力范圍內(nèi)的加載 就可以對管道的活性缺陷進行判斷。管道泄漏在管道中激勵出應(yīng)力波也可以認(rèn)為 是一種廣義的聲發(fā)射現(xiàn)象，由泄漏引起的管壁振動包括橫振動、縱振動和圓環(huán)振 動，圓環(huán)振動與泄漏密切相關(guān)，攜帶缺陷信息的應(yīng)力波沿管壁傳播，利用聲發(fā)射 傳感器采集該應(yīng)力波信號，再對管道兩端的測試信號進行分析處理即可確定管道 上缺陷的位置，從而實現(xiàn)聲發(fā)射檢測的目的。通過對所接收到的聲發(fā)射波進行模 態(tài)分析，可以更好地確定缺陷的原始信息。相對于其它管道無損檢測技術(shù)，聲發(fā) 射技術(shù)具有能動態(tài)監(jiān)測且覆蓋面大的優(yōu)勢，而且采用聲發(fā)射方法可以在管道缺陷 發(fā)展的初期就發(fā)現(xiàn)它，從而避免其擴大釀成其它事故。 1 4 相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 4 1 儲罐聲發(fā)射在線檢測的應(yīng)用歷程及研究現(xiàn)狀 1 4 i i 國外研究狀況 聲發(fā)射技術(shù)用于大型常壓金屬儲罐底板腐蝕狀況檢測的研究始于上個世紀(jì) 九十年代。自九十年代開始，美國物理聲學(xué)公司( p h y s i c a la c o u s t i c sc o r p o r a t i o n ) 陸續(xù)對數(shù)千臺常壓和承壓儲罐進行了聲發(fā)射在線檢測，根據(jù)聲發(fā)射檢測結(jié)果與開 罐檢測結(jié)果形成的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了t a n k p a c t m 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，并根據(jù)檢測結(jié)果推薦清罐檢 查的優(yōu)先順序或下一次進行聲發(fā)射技術(shù)檢測的周期。目前，殼牌( s h e l l i n t e r n a t i o n a lo i lp r o d u c tb v ) 、?？松? e x x o nc o r p o r a t i o n ) 、d o w 等多家國際石 油公司均采用其技術(shù)對其所擁有的儲罐進行在線檢測。 文獻(xiàn) 3 1 ( 1 9 9 8 ) 根據(jù)5 9 8 臺儲罐的聲發(fā)射檢測實驗結(jié)果，給出了聲發(fā)射 ( a e ) 儲罐檢測的可靠性的研究報告。報告根據(jù)5 8 9 個罐的數(shù)據(jù)庫，對聲發(fā) 射罐底檢測技術(shù)的可靠性進行分析，指出根據(jù)聲發(fā)射檢測結(jié)果對罐底腐蝕狀況進 行分類的誤判概率 3 0 k d - i z 時更為明顯；各模 態(tài)的能量分布沿管線長度也是變化的，故合理的模態(tài)分離技術(shù)對定位算法的影響 很大。 此外，管道內(nèi)輸送介質(zhì)、外包覆層等對聲發(fā)射波的傳播路徑及衰減特性的影 響也是近年來管道聲發(fā)射檢測的重點內(nèi)容之一。針對現(xiàn)有無損檢測方法還不能實 現(xiàn)地下管線0 1g a l h ( 4 5 5e m 3 h ) 的泄漏量檢測，文獻(xiàn) 4 6 】( 2 0 0 1 ) m i l l e r 設(shè)計了 試驗裝置，建立了聲發(fā)射泄漏檢測系統(tǒng)，其中的模擬泄漏源具有可重復(fù)性。在變 第一章緒論 化泄漏孔徑、泄漏孑l 取向、背景填充物和管道填充物及壓力的情況下，進行了聲 發(fā)射泄漏檢測試驗。 文獻(xiàn) 4 7 】( 1 9 9 7 ) 研究了背景填充介質(zhì)對充液管線中傳播的聲信號衰減的影 響，在空氣、水和不同濕度沙等背景填充介質(zhì)情況下進行了試驗。結(jié)果證明，背 景填充介質(zhì)對充液管線中傳播的聲信號影響很大；背景填充為空氣和水時，聲信 號衰減分別為最小和最大，信號能量一般分布在1 0 - 1 0 0k h z 范圍，大部分在3 0 k h z 以上；背景填充物為沙時，增加濕度對整個管線的聲信號衰減都有負(fù)面影響。 1 4 2 2 國內(nèi)研究狀況 在國內(nèi)，北京工業(yè)大學(xué)、冶金部鍋爐壓力容器檢測中心等單位也在管道泄漏 聲發(fā)射檢測的模態(tài)分析和信號處理方面進行了探索，并取得了一些有意義的研究 成果，但由于檢測過程中存在的聲發(fā)射源定位不準(zhǔn)確、信號解釋困難和現(xiàn)場噪聲 污染等問題，我國在管道聲發(fā)射檢測方面仍主要停留在理論研究階段。 文獻(xiàn) 4 8 ，4 9 】( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 根據(jù)模態(tài)聲發(fā)射理論，將