大型常壓儲罐在用檢驗技術與策略

1、專論與綜述 檢測技術 趙彥修1項軍杰2王十1邢述1（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029)（2.寧波市大榭開發(fā)區(qū)安全環(huán)保質量監(jiān)督管理局寧波315812）鋼制立式焊接常壓儲罐是石油、石化行業(yè)常用的重要設備，多用于儲存易燃、易爆、具有腐蝕或毒性 的石油產品或危險化學品，我國在用的鋼制立式焊接 常壓儲罐單體最大容積達150000m3，世界上最大的常 壓儲罐容積已達到240000m31。大型儲罐一旦發(fā)生破 壞，不但會造成物料損失，還可能引起燃燒、爆炸， 以至于造成事故、環(huán)境污染甚至于災難。常壓儲罐一直未納入國家強制管理的范疇, 相關 的標準和規(guī)范也比較少，常壓儲罐的檢驗和管理處于 一個無序的

2、狀態(tài)中，可以作為檢驗參考依據(jù)的主要有 SY/T5921-2011立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護 修理規(guī)程、SY/T6620-005儲罐檢驗、維修、改 建與翻建和SHS01012-2004常壓立式圓筒形鋼制焊接儲罐維護檢修規(guī)程。如何做好大型儲罐的在用檢驗，中國特種設備檢測研究院開展了大量的檢驗實 踐，建立了比較科學的檢驗策略。1 常壓儲罐的損傷機理常壓儲罐的損傷機理與壓力容器不同，API575-2005現(xiàn)役常壓和低壓儲罐的檢驗指南和方法指 出：腐蝕是鋼制儲罐及其輔助設備失效、破壞的主要 原因，儲罐檢測的主要目的是查找腐蝕位置，確定腐 蝕程度2。儲罐的腐蝕包括壁板腐蝕、頂板腐蝕和底 板腐蝕。一般而

3、言，壁板腐蝕多為均勻的全面腐蝕或 點腐蝕，偶而也會伴有局部的坑腐蝕；頂板腐蝕多為 伴有穿孔的不均勻全面腐蝕，而底板腐蝕則多為潰瘍狀的坑腐蝕，主要發(fā)生在背面即靠近土壤一側，難以 發(fā)現(xiàn)、情況最為嚴重、危害性也最大。統(tǒng)計資料表 明，在所有已知的儲罐事故當中，底板腐蝕是造成儲 罐泄漏以至故事的主要原因。此外，材料劣化、開 裂、嚴重變形、機械損傷、疲勞裂紋、結構破壞及其作者簡介：趙彥修，(1963-)，男，高級工程師，國家安全生產北京危險品儲罐檢測檢驗中心副主任，專業(yè)從 事大型危險品儲罐的檢驗及其技術研究工作。（收稿日期 20140304）CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY29

4、摘要：介紹了鋼制立式焊接常壓儲罐主要的損傷機理、主要檢測標準和各種無損檢測方法在儲罐檢驗中的應用特點以及基于風險檢驗的理念，提出了儲罐在用檢驗的技術方法和策略。關鍵詞： 常壓儲罐漏磁聲發(fā)射超聲波測厚風險失效可能性失效后果The Inspection Techniques and Strategies of the Active Atmospheric Storage TankZhao Yanxiu1 Xiang Junjie2Wang Shi1 Xing Xu1(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beiji

5、ng 100029)（2. Supervision Bureau of Safety, Environment and Quality ofNingbo Daxie Development Zone Ningbo 315812 ）Abstract: This article introduces the mainly damage mechanisms and testing standards of the steel vertical welding atmospheric storage tank, and also introduces various kinds of applica

6、tion feature in the inspection of the atmospheric storage tank. The concept of risk based inspection is introduced, and active tank inspection techniques andstrategies are proposed.Keywords:Atmospheric storage Tank Magnetic leakage Acoustic emission Ultrasonic thicknessRisk Likelihood of failure Con

7、sequences of failure圖書分類號：X924.2 文獻標志碼：B 文章編號：1673-257X(2014)062905大型常壓儲罐在用檢驗技術與策略 第 30 卷 第 6 期檢測技術 他附屬設備損傷也是大型儲罐失效的常見原因，儲罐的在用檢測應針對其失效機理開展。度，而罐底板腐蝕主要是潰瘍狀的坑腐蝕，腐蝕部位上下表面不平行，超聲波不能被反射回發(fā)出脈沖的傳 感器，因而也就無法或者說很難檢測出腐蝕部位的實 際厚度。這可能也是SY/T5921-2011立式圓筒形鋼 制焊接油罐操作維護修理規(guī)程規(guī)定底板進行超聲波 測定后還需要中幅板局部開孔驗證的原因。2 常規(guī)檢驗大型常壓儲罐的常規(guī)檢驗是指

8、按照規(guī)定的期限開展的檢驗工作，一般可包括日常檢查、年度檢查和定 期檢驗，定期檢驗又可分為在線檢驗和開罐檢驗。常 規(guī)檢驗是目前國內儲罐用戶采用的主要檢驗方式。日 常檢查和年度檢查一般包括外部宏觀檢查和超聲波測 厚，在線定期檢驗還包括底板腐蝕狀態(tài)的聲發(fā)射檢 測，必要時可實施邊緣底板的導波檢測；開罐檢驗則 是比較全面的檢驗，檢驗內容除內外部宏觀檢查、超 聲波測厚之外還包括焊縫的表面探傷、底板腐蝕狀態(tài) 的漏磁檢測，必要時還可能包括基礎沉降評估和材料 的脆性斷裂評估。圖1 超聲波測厚原理超聲波測厚簡單易行，但是大型常壓儲罐高度一 般都在20m左右，常規(guī)超聲波測厚方法不但檢測范圍 小，而且需要搭設腳手架高

9、空作業(yè)，成本高、風險 大。為了經濟高效地進行壁板的厚度檢測，筆者推薦 采用自動爬壁超聲波連續(xù)掃查的方法，如自動爬壁超 聲波檢測儀，通過遙控操作，不用搭設腳手架即可使 檢測儀到達任意指定位置，采用水耦合或空氣耦合方 式不需要對壁板進行表面處理即可進行連續(xù)的超聲波 A/B/C掃描，信號采集數(shù)量遠遠地多于人工超聲波 測厚，數(shù)據(jù)處理速度快，是一種安全、快捷、高效的 檢測手段(見圖2)。2.1 宏觀檢查與壓力容器一樣，宏觀檢查是大型儲罐在用檢驗 中非常重要的方法，很多安全隱患不是用檢測儀器發(fā) 現(xiàn)而是通過宏觀檢查的方式發(fā)現(xiàn)的，通過宏觀檢查可 以從總體上了解儲罐的質量狀況及其在運行過程中形 成的新生缺陷，比

10、如罐體表面裂紋、表面腐蝕、罐體 變形、泄漏、保溫防腐層的損壞等；通過宏觀檢查， 還可以確定是否需要做進一步的檢驗及其檢驗重點； 宏觀檢查的內容包括罐壁板、頂板、底板、基礎、 安全附件和罐區(qū)的環(huán)境。宏觀檢查主要主要方法是目 測，必要時也可采用簡單的檢測工具，比如檢測錘、 放大鏡、焊縫尺等。2.2 超聲波測厚超聲波測厚是厚度測定最常用的方法，是檢查設備 腐蝕減薄最直接有效的辦法，通過厚度測定可以找出設 備相應部位的腐蝕規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)隱患。壁板的重點檢 測區(qū)域一般為底板向上1m范圍內，拱頂?shù)臋z測重點為腐 蝕嚴重部位，浮頂?shù)臋z測重點為明顯腐蝕部位3。超聲波測厚方法適用于罐壁板、頂板均勻腐蝕的 檢測，但

11、筆者認為不應將其作為主要腐蝕狀態(tài)為非均 勻腐蝕的底板腐蝕的檢測手段。由超聲波測厚的原理 可以知道，超聲波傳感器發(fā)出的脈沖穿過被檢物體到 達材料的分界面時，脈沖被垂直反射回傳感器，通過 測定超聲波在材料中傳播的時間即可確定材料的厚 圖2 自動爬壁超聲波測厚2.3 焊縫無損檢測SY/T6620-2005油罐檢驗、修理、改建和翻 建對檢測人員的資質提出了要求，但對檢測方法、30CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY專論與綜述 檢測技術 檢測部位、檢測內容并沒有作出規(guī)定4；SY/T5921-2011立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護修理規(guī)程 關于焊縫檢測的要求包括對罐底板與壁板、單盤

12、板 與浮艙的內角焊縫進行磁粉或滲透檢測、對下部壁 板焊縫進行超聲波檢測3；SHS01012-2004常壓立 式圓筒形鋼制焊接儲罐維護檢修規(guī)程關于焊縫檢 測的要求則只是對下部壁板焊縫進行超聲波檢測5， 經過長期的檢驗實踐，筆者認為這些規(guī)定的科學性 值得商榷。相關實驗數(shù)據(jù)6表明，壁罐板主要承受環(huán) 向應力，應力最大的位置 (H )與罐的直徑 (R )和罐壁 厚度(T )有關，大約罐底向上H =2 處應力值最大， 不同容 積 (V ) 的儲罐承 受最大應 力的高度 (H ) 不同， 當V =10000m3時，H =1030mm；當V =20000m3時， H =1400mm，當V =50000m3時，

13、H =1960mm；對2000m3儲罐有限元模型的等效應力分析結果表明7， 在H =766mm部位，罐壁承受的等效應力和徑向變形 最大，罐壁承受的等效應力如圖3所示。由上述分析 可見，不同容積的儲罐壁板承受的最大環(huán)向應力一般 位于第一層壁板或靠近第一、二層壁板間環(huán)焊縫的位 置；對于底板而言，中幅板主要受液體的靜壓作用， 應力值很小，而邊緣板由于受到向外擴張的壁板的作 用承受很大的徑向彎曲應力，邊緣部位受力最大，向 里則迅速衰減，大約向里1m左右基本衰減為零。因此 筆者建議首先對第一、二層壁板連接環(huán)焊縫、第一層 壁板縱焊縫、大角焊縫、邊緣底板對接焊縫實施表面 檢測，根據(jù)檢測結果再確定是否進行超聲

14、波檢測?？拷寥赖囊幻妫軝z測技術和手段的限制，這類腐蝕很難被發(fā)現(xiàn)、危害性非常大，長期以來很多檢測機 構和儲罐業(yè)主多是采用超聲波測厚的方法進行底板腐 蝕檢測，不僅檢測效率低，而且檢測有效性差，做為 科技部社會公益課題的科研成果，JB/T10765-2007無損檢測常壓金屬儲罐漏磁檢測方法為儲罐底板 檢測提供了很好的方法。目前為止漏磁檢測是鋼制儲 罐底板腐蝕檢測效率和準確度最高的檢測方法。漏磁 檢測原理如圖4所示。圖4 漏磁檢測原理示意圖當一個鐵磁性工件被施加磁場時，工件被磁化， 磁通穿過工件從N極回到S極，當工件存腐蝕缺陷時， 由于鐵磁材料與缺陷處導磁率不同，磁通會在缺陷處 發(fā)生畸變，大部分磁

15、力線(圖4中第1部分)繞過缺陷， 少部分磁通(圖4中第2部分)會穿過缺陷，還有一部分 (圖4中第3部分)則逸出工件表面，穿過空氣后再回到S 極，這一部分就是所謂的漏磁，漏掉的這部分磁通的 大小與缺陷的大小和深度成一定的比例關系，用霍爾 元件檢測到這部分磁通的大小，通過計算即可知曉缺 陷的大小和深度。進行儲罐底板漏磁檢測時，應將底板清干凈，板 面上不應有液態(tài)或固態(tài)的障礙物，如果能夠噴砂處理 則最為理想(噴砂處理非常重要，很多接近穿孔的深度 腐蝕往往經過噴砂處理后會因噴砂穿孔而被發(fā)現(xiàn))，一 般應逐板掃查，并記錄超過可接受深度的缺陷位置和 大小，復查確認后進行補板或其他處理。圖5為某罐底 板漏磁檢測

16、結果與超聲波測厚結果對比。漏磁檢測很難做到100%檢測，因為漏磁檢測儀一 般都比較大，受壁板或其他障礙物的影響，靠近邊壁 板部位、障礙部位、盤管下側等部位往往無法覆蓋， 為了保證檢測覆蓋率，可用手動小型漏磁檢測儀或者 邊角掃查器進行補充檢測，以盡可能多覆蓋檢測面。圖3 2000m3儲罐壁板承受的等效應力圖2.4 底板漏磁檢測據(jù)美國石油學會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在所有已知的儲 罐事故原因中，由于底板腐蝕泄漏造成的事故約占 20%，位居榜首，由此可知底板腐蝕檢測的重要性。 底板腐蝕多為潰瘍狀的坑腐蝕，主要發(fā)生在背面，即CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY31第 30 卷 第 6 期檢

17、測技術 表1 信號分析結果等級表底板漏磁檢測結果圖2.6 邊緣底板在線導波檢測導波是近年來發(fā)展起來的一種以點帶面的快速母 材超聲波檢測技術，它可以通過一個很小的檢測區(qū)域 對周圍一定范圍進行100的面積覆蓋性檢測，檢測效 率高，現(xiàn)場靈活性好，具有一定的檢測靈敏度及定位 精度，導波分為高頻和低頻兩種，其中高頻導波檢測 精度高，適用于儲罐底板、罐壁等的腐蝕、裂紋等母 材類缺陷的檢測，但其缺點是衰減快，傳播距離短， 一般檢測范圍只有12m，因此，導波檢測一般可用 于儲罐邊緣底板的在線檢測。如圖6所示。腐蝕部位超聲波測厚結果圖5 某罐底板漏磁檢測結果與超聲波測厚結果對比圖2.5 底板聲發(fā)射在線檢測材料在

18、塑性變形或損傷破壞過程中釋放應變能/ 產生應力波的現(xiàn)象叫做聲發(fā)射。當罐底板存在腐蝕缺陷時，強度削弱，在液位作 用下底板局部產生微小的變形，從而引起腐蝕產物的 開裂或分層，產生一定的聲發(fā)射信號；當罐底板發(fā)生 泄漏時，介質從泄漏孔穿過，流動時可產生連續(xù)的聲 發(fā)射信號。用聲學換能器感知并接收這些信號，經過 分析計算，就可以對罐底板的腐蝕損傷程度做出評定 和判斷。常壓儲罐聲發(fā)射在線檢測主要檢測底板的腐蝕或 泄漏狀態(tài)，是通過安裝在罐壁下部的聲發(fā)射傳感器陣 列來探測罐底板由于腐蝕和泄漏產生的聲發(fā)射信號， 并對檢測結果劃分綜合等級的。一般情況下，底板聲 發(fā)射在線檢測的液位不宜位于最高操作液位的85%， 當現(xiàn)

19、場無法達到上述要求時，檢測液位最少應高于傳 感器安裝平面1m以上，液位越高檢測結果越準確， 檢測前應保持液位穩(wěn)定靜置2h以上，檢測前應根據(jù)儲 罐直徑大小，在距底板100500mm的壁板水平面上 確定一定數(shù)量的傳感器布設點，打磨到露出金屬光澤 裝設傳感器，關閉進出口閥門以及其他干擾源如加熱 器等，然后采集聲發(fā)射信號2h以上。根據(jù)信號分析結果，可將底板腐蝕狀態(tài)分為5個等級8，見表1：圖6 邊緣底板導波檢測2.7 其他檢測技術儲罐的在用檢測主要是腐蝕檢測，除前述的幾種 方法外，還有遠場渦流檢測和低頻電磁檢測，低頻電 磁檢測事實上也是渦流檢測，這兩種技術理論上是可 行的，也有某些公司研發(fā)出相應有的檢測

20、儀器，其優(yōu) 點在于檢測儀器比較輕巧，操作方便，但實際檢測過 程并不順利，檢驗效果也差強人意，一是檢測速度遠 遠地小于漏磁檢測;二是容易受到外界因素的干擾，比 如工件上有剩磁時檢測結果就與實際有很大差異，筆 者認為這兩種技術大規(guī)模地投入商用和被用戶接受還 需要假以時日。3 基于風險的檢驗大型儲罐在運營中存在著損傷、破裂、失效、泄32CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY底板腐蝕狀態(tài)等級 評定區(qū)域的腐蝕狀態(tài)評價 腐蝕狀況維修/處理建議無腐蝕跡象非常微少不需要維修存在輕微局部腐蝕跡象少量近期不需要考慮維修存在明顯局部腐蝕跡象中等考慮維修存在較重局部腐蝕跡象動態(tài)優(yōu)先考慮維修存在嚴

21、重局部腐蝕跡象高動態(tài)最優(yōu)先考慮維修專論與綜述 檢測技術 漏等風險，這些風險的分布也遵從帕萊托定律，也就是說大部分的風險集中在少量的儲罐或儲罐設備項 上，而其余的大部分儲罐只承擔了少量的風險。當前階段，我國眾多的儲罐用戶對儲罐的管理基 本上采用基于時間的管理模式即定期檢驗的模式，這 種方式往往造成兩方面弊端，即檢驗過度和檢驗不足 同時存在：一方面是大量沒有重大缺陷不需要檢修的 儲罐被實施了開罐檢驗，造成了不必要的人力、物 力、財力和生產時間的損失，另一方面，某些具有較 大潛在風險的儲罐由于投入的檢驗力量不足，從而使 隱患無法及時排除?；陲L險的檢驗(即Risk Based Inspection，

22、簡稱 RBI)是一種重點在于工藝裝置中設備因材料劣化引起的物料泄漏的風險評價和管理過程9?；陲L險 的檢驗與傳統(tǒng)檢驗不同，它以追求設備的安全性與經 濟性統(tǒng)一為理念，是在對設備固有或潛在的危險進行 科學分析的基礎上，給出風險排序，找出薄弱環(huán)節(jié)， 優(yōu)化檢驗方案的方法。在實施設備檢驗時，RBI方法 考慮設備當前面臨的風險高低，根據(jù)不同的失效機 理，在滿足風險降低要求前提下，有針對性地選擇的 檢驗方法、調整檢驗頻率和檢驗范圍，提高檢驗的有 效性，從而有效地降低檢驗成本，實現(xiàn)安全性、科學 性和經濟性的統(tǒng)一，在保證設備運行安全的前提下節(jié) 省檢驗維修費用，該項技術在國外石化行業(yè)被廣泛應 用，2008版的AP

23、I581基于風險的檢驗技術已經增 加了常壓儲罐模塊，為常壓儲罐實施基于風險的檢驗 提供了標準依據(jù)。RBI技術包括兩部分, 失效可能性和失效后果。 失效可能性指的是設備每年可能的泄漏次數(shù)。失效后 果的量化是按照失效后造成影響區(qū)域面積的最大值來 確定的，API 581基于風險的檢驗將設備失效可 能性和失效后的分類結果，列入5×5矩陣的縱軸和橫 軸上，形成風險矩陣,如圖7所示。常壓儲罐失效可能性需要考慮儲罐的基本失效概率、設備的使用年限、損傷因子、損傷機理和損傷速 率以及檢驗的有效性等；失效后果需要考慮環(huán)境清理 費用、環(huán)境處罰費用、商業(yè)機會損失費用、停產損失 費用、維修費用等。失效可能性和

24、失效后果的分類落點處于矩陣圖右 上角的那些設備為高風險設備，運行中需加強檢驗檢 測或進行相關技術處理, 以降低或控制其風險，而處 于矩陣左下角的那些設備為低風險設備，可以適當延 長使用周期，即延期檢驗。4 結論大型儲罐在用檢驗是一項綜合技術，多種檢測技 術有機結合才能保證檢驗的有效性，聲發(fā)射技術高效 經濟，可以作為快速普查罐群底板腐蝕狀況的手段， 以確定哪些罐需要開罐做進一步的定量檢測，最大程 度地減少開罐檢查的儲罐數(shù)量，對于在保證安全的情 況下節(jié)省清罐費用、檢測費用，減少停產損失具有重 要意義；高頻導波檢測技術可在在線條件下對邊緣底 板實施檢測，既可獨立使用也可作為聲發(fā)射檢測的輔 助方法，定

25、量地給出腐蝕可能性最高的邊緣底板的腐 蝕程度，作為底板腐蝕狀況的判定；漏磁檢測技術快 捷、準確，是目前為止儲罐底板腐蝕檢測最為準確、 有效的方法，可對底板腐蝕狀態(tài)作出全面的定量評價, 為儲罐底板維修提供準確的依據(jù)；自動爬壁超聲波檢 測技術可用于罐壁、頂板的腐蝕狀況檢測，高效、快 捷、安全、經濟，測量結果準確可靠；而基于風險的 檢驗技術則可以在保證安全的前提下節(jié)省檢驗維修費 用。推薦的檢驗策略如圖8所示：圖8 推薦的檢驗策略（下轉第63頁）圖7 設備失效風險矩陣CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY33第 30 卷 第 6 期專論與綜述 事故分析 2）對那些不文明甚至是錯誤

26、乘坐電梯的行為，應及時制止，并向乘客說明這些行為錯在哪里，可能會 造成什么后果等。防止這些不文明甚至是錯誤乘坐電 梯的行為造成電梯故障或損壞，影響電梯正常運行， 危及乘客人身安全。3）電梯管理者應該及時向遭遇電梯故障的乘客了 解相關故障情況，做好記錄，向乘客做好安撫解釋工 作，并積極聯(lián)系并配合維保單位查找故障原因，盡快 消除電梯隱患，防止小區(qū)居民對電梯故障的恐慌情緒 的蔓延。4）對一些不滿足安全運行、存在一些暫時解決不 了的問題或者未找出故障原因的電梯，應該果斷停止 其運行，防止引發(fā)設備或人身安全事故。事故隱患消除，確保電梯安全運行。3）對某些設計、制造過程的不足而引發(fā)的電梯故 障，維保人員應

27、該積極將這些問題向制造單位反饋， 積極配合制造單位制定整改方案并付諸實施，以便及 時、有效地消除電梯運行的安全隱患。6 結束語電梯運行故障率的大小與電梯的制造質量、安 裝、維護保養(yǎng)質量以及電梯的正確使用等諸多因素密 切相關，因此，應該從正確做好電梯選型，控制好電 梯的制造、安裝、維護保養(yǎng)的質量，做好電梯運行管 理工作，及時制止電梯的不良操作行為等方面入手， 將各個環(huán)節(jié)管理好，以確保電梯安全穩(wěn)定運行，減少 電梯故障的發(fā)生。5.2 做好電梯維護保養(yǎng)工作1）維保人員應該嚴格按照維保周期對電梯進行維 護保養(yǎng)工作，在維保過程中，檢查要細致，對發(fā)現(xiàn)的 問題要及時整改，不能對電梯故障視而不見，或者主 觀上認為是小問題的，就聽之任之，讓電梯帶“病” 運行。2）維保人員應重視電梯運行記錄和乘客的意見反 饋，對存在的任何故障現(xiàn)象都應該積極