大型常压储罐在用检验技术与策略

1、专论与综述 检测技术 赵彦修1项军杰2王十1邢述1（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)（2.宁波市大榭开发区安全环保质量监督管理局宁波315812）钢制立式焊接常压储罐是石油、石化行业常用的重要设备，多用于储存易燃、易爆、具有腐蚀或毒性 的石油产品或危险化学品，我国在用的钢制立式焊接 常压储罐单体最大容积达150000m3，世界上最大的常 压储罐容积已达到240000m31。大型储罐一旦发生破 坏，不但会造成物料损失，还可能引起燃烧、爆炸， 以至于造成事故、环境污染甚至于灾难。常压储罐一直未纳入国家强制管理的范畴, 相关 的标准和规范也比较少，常压储罐的检验和管理处于 一个无序的

2、状态中，可以作为检验参考依据的主要有 SY/T5921-2011立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护 修理规程、SY/T6620-005储罐检验、维修、改 建与翻建和SHS01012-2004常压立式圆筒形钢制焊接储罐维护检修规程。如何做好大型储罐的在用检验，中国特种设备检测研究院开展了大量的检验实 践，建立了比较科学的检验策略。1 常压储罐的损伤机理常压储罐的损伤机理与压力容器不同，API575-2005现役常压和低压储罐的检验指南和方法指 出：腐蚀是钢制储罐及其辅助设备失效、破坏的主要 原因，储罐检测的主要目的是查找腐蚀位置，确定腐 蚀程度2。储罐的腐蚀包括壁板腐蚀、顶板腐蚀和底 板腐蚀。一般而

3、言，壁板腐蚀多为均匀的全面腐蚀或 点腐蚀，偶而也会伴有局部的坑腐蚀；顶板腐蚀多为 伴有穿孔的不均匀全面腐蚀，而底板腐蚀则多为溃疡状的坑腐蚀，主要发生在背面即靠近土壤一侧，难以 发现、情况最为严重、危害性也最大。统计资料表 明，在所有已知的储罐事故当中，底板腐蚀是造成储 罐泄漏以至故事的主要原因。此外，材料劣化、开 裂、严重变形、机械损伤、疲劳裂纹、结构破坏及其作者简介：赵彦修，(1963-)，男，高级工程师，国家安全生产北京危险品储罐检测检验中心副主任，专业从 事大型危险品储罐的检验及其技术研究工作。（收稿日期 20140304）CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY29

4、摘要：介绍了钢制立式焊接常压储罐主要的损伤机理、主要检测标准和各种无损检测方法在储罐检验中的应用特点以及基于风险检验的理念，提出了储罐在用检验的技术方法和策略。关键词： 常压储罐漏磁声发射超声波测厚风险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图书分类号：X924.2 文献标志码：B 文章编号：1673-257X(2014)062905大型常压储罐在用检验技术与策略 第 30 卷 第 6 期检测技术 他附属设备损伤也是大型储罐失效的常见原因，储罐的在用检测应针对其失效机理开展。度，而罐底板腐蚀主要是溃疡状的坑腐蚀，腐蚀部位上下表面不平行，超声波不能被反射回发出脉冲的传 感器，因而也就无法或者说很难检测出腐蚀部位的实 际厚度。这可能也是SY/T5921-2011立式圆筒形钢 制焊接油罐操作维护修理规程规定底板进行超声波 测定后还需要中幅板局部开孔验证的原因。2 常规检验大型常压储罐的常规检验是指

8、按照规定的期限开展的检验工作，一般可包括日常检查、年度检查和定 期检验，定期检验又可分为在线检验和开罐检验。常 规检验是目前国内储罐用户采用的主要检验方式。日 常检查和年度检查一般包括外部宏观检查和超声波测 厚，在线定期检验还包括底板腐蚀状态的声发射检 测，必要时可实施边缘底板的导波检测；开罐检验则 是比较全面的检验，检验内容除内外部宏观检查、超 声波测厚之外还包括焊缝的表面探伤、底板腐蚀状态 的漏磁检测，必要时还可能包括基础沉降评估和材料 的脆性断裂评估。图1 超声波测厚原理超声波测厚简单易行，但是大型常压储罐高度一 般都在20m左右，常规超声波测厚方法不但检测范围 小，而且需要搭设脚手架高

9、空作业，成本高、风险 大。为了经济高效地进行壁板的厚度检测，笔者推荐 采用自动爬壁超声波连续扫查的方法，如自动爬壁超 声波检测仪，通过遥控操作，不用搭设脚手架即可使 检测仪到达任意指定位置，采用水耦合或空气耦合方 式不需要对壁板进行表面处理即可进行连续的超声波 A/B/C扫描，信号采集数量远远地多于人工超声波 测厚，数据处理速度快，是一种安全、快捷、高效的 检测手段(见图2)。2.1 宏观检查与压力容器一样，宏观检查是大型储罐在用检验 中非常重要的方法，很多安全隐患不是用检测仪器发 现而是通过宏观检查的方式发现的，通过宏观检查可 以从总体上了解储罐的质量状况及其在运行过程中形 成的新生缺陷，比

10、如罐体表面裂纹、表面腐蚀、罐体 变形、泄漏、保温防腐层的损坏等；通过宏观检查， 还可以确定是否需要做进一步的检验及其检验重点； 宏观检查的内容包括罐壁板、顶板、底板、基础、 安全附件和罐区的环境。宏观检查主要主要方法是目 测，必要时也可采用简单的检测工具，比如检测锤、 放大镜、焊缝尺等。2.2 超声波测厚超声波测厚是厚度测定最常用的方法，是检查设备 腐蚀减薄最直接有效的办法，通过厚度测定可以找出设 备相应部位的腐蚀规律，及时发现隐患。壁板的重点检 测区域一般为底板向上1m范围内，拱顶的检测重点为腐 蚀严重部位，浮顶的检测重点为明显腐蚀部位3。超声波测厚方法适用于罐壁板、顶板均匀腐蚀的 检测，但

11、笔者认为不应将其作为主要腐蚀状态为非均 匀腐蚀的底板腐蚀的检测手段。由超声波测厚的原理 可以知道，超声波传感器发出的脉冲穿过被检物体到 达材料的分界面时，脉冲被垂直反射回传感器，通过 测定超声波在材料中传播的时间即可确定材料的厚 图2 自动爬壁超声波测厚2.3 焊缝无损检测SY/T6620-2005油罐检验、修理、改建和翻 建对检测人员的资质提出了要求，但对检测方法、30CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY专论与综述 检测技术 检测部位、检测内容并没有作出规定4；SY/T5921-2011立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规程 关于焊缝检测的要求包括对罐底板与壁板、单盘

12、板 与浮舱的内角焊缝进行磁粉或渗透检测、对下部壁 板焊缝进行超声波检测3；SHS01012-2004常压立 式圆筒形钢制焊接储罐维护检修规程关于焊缝检 测的要求则只是对下部壁板焊缝进行超声波检测5， 经过长期的检验实践，笔者认为这些规定的科学性 值得商榷。相关实验数据6表明，壁罐板主要承受环 向应力，应力最大的位置 (H )与罐的直径 (R )和罐壁 厚度(T )有关，大约罐底向上H =2 处应力值最大， 不同容 积 (V ) 的储罐承 受最大应 力的高度 (H ) 不同， 当V =10000m3时，H =1030mm；当V =20000m3时， H =1400mm，当V =50000m3时，

13、H =1960mm；对2000m3储罐有限元模型的等效应力分析结果表明7， 在H =766mm部位，罐壁承受的等效应力和径向变形 最大，罐壁承受的等效应力如图3所示。由上述分析 可见，不同容积的储罐壁板承受的最大环向应力一般 位于第一层壁板或靠近第一、二层壁板间环焊缝的位 置；对于底板而言，中幅板主要受液体的静压作用， 应力值很小，而边缘板由于受到向外扩张的壁板的作 用承受很大的径向弯曲应力，边缘部位受力最大，向 里则迅速衰减，大约向里1m左右基本衰减为零。因此 笔者建议首先对第一、二层壁板连接环焊缝、第一层 壁板纵焊缝、大角焊缝、边缘底板对接焊缝实施表面 检测，根据检测结果再确定是否进行超声

14、波检测。靠近土壤的一面，受检测技术和手段的限制，这类腐蚀很难被发现、危害性非常大，长期以来很多检测机 构和储罐业主多是采用超声波测厚的方法进行底板腐 蚀检测，不仅检测效率低，而且检测有效性差，做为 科技部社会公益课题的科研成果，JB/T10765-2007无损检测常压金属储罐漏磁检测方法为储罐底板 检测提供了很好的方法。目前为止漏磁检测是钢制储 罐底板腐蚀检测效率和准确度最高的检测方法。漏磁 检测原理如图4所示。图4 漏磁检测原理示意图当一个铁磁性工件被施加磁场时，工件被磁化， 磁通穿过工件从N极回到S极，当工件存腐蚀缺陷时， 由于铁磁材料与缺陷处导磁率不同，磁通会在缺陷处 发生畸变，大部分磁

15、力线(图4中第1部分)绕过缺陷， 少部分磁通(图4中第2部分)会穿过缺陷，还有一部分 (图4中第3部分)则逸出工件表面，穿过空气后再回到S 极，这一部分就是所谓的漏磁，漏掉的这部分磁通的 大小与缺陷的大小和深度成一定的比例关系，用霍尔 元件检测到这部分磁通的大小，通过计算即可知晓缺 陷的大小和深度。进行储罐底板漏磁检测时，应将底板清干净，板 面上不应有液态或固态的障碍物，如果能够喷砂处理 则最为理想(喷砂处理非常重要，很多接近穿孔的深度 腐蚀往往经过喷砂处理后会因喷砂穿孔而被发现)，一 般应逐板扫查，并记录超过可接受深度的缺陷位置和 大小，复查确认后进行补板或其他处理。图5为某罐底 板漏磁检测

16、结果与超声波测厚结果对比。漏磁检测很难做到100%检测，因为漏磁检测仪一 般都比较大，受壁板或其他障碍物的影响，靠近边壁 板部位、障碍部位、盘管下侧等部位往往无法覆盖， 为了保证检测覆盖率，可用手动小型漏磁检测仪或者 边角扫查器进行补充检测，以尽可能多覆盖检测面。图3 2000m3储罐壁板承受的等效应力图2.4 底板漏磁检测据美国石油学会的统计数据，在所有已知的储 罐事故原因中，由于底板腐蚀泄漏造成的事故约占 20%，位居榜首，由此可知底板腐蚀检测的重要性。 底板腐蚀多为溃疡状的坑腐蚀，主要发生在背面，即CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY31第 30 卷 第 6 期检

17、测技术 表1 信号分析结果等级表底板漏磁检测结果图2.6 边缘底板在线导波检测导波是近年来发展起来的一种以点带面的快速母 材超声波检测技术，它可以通过一个很小的检测区域 对周围一定范围进行100的面积覆盖性检测，检测效 率高，现场灵活性好，具有一定的检测灵敏度及定位 精度，导波分为高频和低频两种，其中高频导波检测 精度高，适用于储罐底板、罐壁等的腐蚀、裂纹等母 材类缺陷的检测，但其缺点是衰减快，传播距离短， 一般检测范围只有12m，因此，导波检测一般可用 于储罐边缘底板的在线检测。如图6所示。腐蚀部位超声波测厚结果图5 某罐底板漏磁检测结果与超声波测厚结果对比图2.5 底板声发射在线检测材料在

18、塑性变形或损伤破坏过程中释放应变能/ 产生应力波的现象叫做声发射。当罐底板存在腐蚀缺陷时，强度削弱，在液位作 用下底板局部产生微小的变形，从而引起腐蚀产物的 开裂或分层，产生一定的声发射信号；当罐底板发生 泄漏时，介质从泄漏孔穿过，流动时可产生连续的声 发射信号。用声学换能器感知并接收这些信号，经过 分析计算，就可以对罐底板的腐蚀损伤程度做出评定 和判断。常压储罐声发射在线检测主要检测底板的腐蚀或 泄漏状态，是通过安装在罐壁下部的声发射传感器阵 列来探测罐底板由于腐蚀和泄漏产生的声发射信号， 并对检测结果划分综合等级的。一般情况下，底板声 发射在线检测的液位不宜位于最高操作液位的85%， 当现

19、场无法达到上述要求时，检测液位最少应高于传 感器安装平面1m以上，液位越高检测结果越准确， 检测前应保持液位稳定静置2h以上，检测前应根据储 罐直径大小，在距底板100500mm的壁板水平面上 确定一定数量的传感器布设点，打磨到露出金属光泽 装设传感器，关闭进出口阀门以及其他干扰源如加热 器等，然后采集声发射信号2h以上。根据信号分析结果，可将底板腐蚀状态分为5个等级8，见表1：图6 边缘底板导波检测2.7 其他检测技术储罐的在用检测主要是腐蚀检测，除前述的几种 方法外，还有远场涡流检测和低频电磁检测，低频电 磁检测事实上也是涡流检测，这两种技术理论上是可 行的，也有某些公司研发出相应有的检测

20、仪器，其优 点在于检测仪器比较轻巧，操作方便，但实际检测过 程并不顺利，检验效果也差强人意，一是检测速度远 远地小于漏磁检测;二是容易受到外界因素的干扰，比 如工件上有剩磁时检测结果就与实际有很大差异，笔 者认为这两种技术大规模地投入商用和被用户接受还 需要假以时日。3 基于风险的检验大型储罐在运营中存在着损伤、破裂、失效、泄32CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY底板腐蚀状态等级 评定区域的腐蚀状态评价 腐蚀状况维修/处理建议无腐蚀迹象非常微少不需要维修存在轻微局部腐蚀迹象少量近期不需要考虑维修存在明显局部腐蚀迹象中等考虑维修存在较重局部腐蚀迹象动态优先考虑维修存在严

21、重局部腐蚀迹象高动态最优先考虑维修专论与综述 检测技术 漏等风险，这些风险的分布也遵从帕莱托定律，也就是说大部分的风险集中在少量的储罐或储罐设备项 上，而其余的大部分储罐只承担了少量的风险。当前阶段，我国众多的储罐用户对储罐的管理基 本上采用基于时间的管理模式即定期检验的模式，这 种方式往往造成两方面弊端，即检验过度和检验不足 同时存在：一方面是大量没有重大缺陷不需要检修的 储罐被实施了开罐检验，造成了不必要的人力、物 力、财力和生产时间的损失，另一方面，某些具有较 大潜在风险的储罐由于投入的检验力量不足，从而使 隐患无法及时排除。基于风险的检验(即Risk Based Inspection，

22、简称 RBI)是一种重点在于工艺装置中设备因材料劣化引起的物料泄漏的风险评价和管理过程9。基于风险 的检验与传统检验不同，它以追求设备的安全性与经 济性统一为理念，是在对设备固有或潜在的危险进行 科学分析的基础上，给出风险排序，找出薄弱环节， 优化检验方案的方法。在实施设备检验时，RBI方法 考虑设备当前面临的风险高低，根据不同的失效机 理，在满足风险降低要求前提下，有针对性地选择的 检验方法、调整检验频率和检验范围，提高检验的有 效性，从而有效地降低检验成本，实现安全性、科学 性和经济性的统一，在保证设备运行安全的前提下节 省检验维修费用，该项技术在国外石化行业被广泛应 用，2008版的AP

23、I581基于风险的检验技术已经增 加了常压储罐模块，为常压储罐实施基于风险的检验 提供了标准依据。RBI技术包括两部分, 失效可能性和失效后果。 失效可能性指的是设备每年可能的泄漏次数。失效后 果的量化是按照失效后造成影响区域面积的最大值来 确定的，API 581基于风险的检验将设备失效可 能性和失效后的分类结果，列入5×5矩阵的纵轴和横 轴上，形成风险矩阵,如图7所示。常压储罐失效可能性需要考虑储罐的基本失效概率、设备的使用年限、损伤因子、损伤机理和损伤速 率以及检验的有效性等；失效后果需要考虑环境清理 费用、环境处罚费用、商业机会损失费用、停产损失 费用、维修费用等。失效可能性和

24、失效后果的分类落点处于矩阵图右 上角的那些设备为高风险设备，运行中需加强检验检 测或进行相关技术处理, 以降低或控制其风险，而处 于矩阵左下角的那些设备为低风险设备，可以适当延 长使用周期，即延期检验。4 结论大型储罐在用检验是一项综合技术，多种检测技 术有机结合才能保证检验的有效性，声发射技术高效 经济，可以作为快速普查罐群底板腐蚀状况的手段， 以确定哪些罐需要开罐做进一步的定量检测，最大程 度地减少开罐检查的储罐数量，对于在保证安全的情 况下节省清罐费用、检测费用，减少停产损失具有重 要意义；高频导波检测技术可在在线条件下对边缘底 板实施检测，既可独立使用也可作为声发射检测的辅 助方法，定

25、量地给出腐蚀可能性最高的边缘底板的腐 蚀程度，作为底板腐蚀状况的判定；漏磁检测技术快 捷、准确，是目前为止储罐底板腐蚀检测最为准确、 有效的方法，可对底板腐蚀状态作出全面的定量评价, 为储罐底板维修提供准确的依据；自动爬壁超声波检 测技术可用于罐壁、顶板的腐蚀状况检测，高效、快 捷、安全、经济，测量结果准确可靠；而基于风险的 检验技术则可以在保证安全的前提下节省检验维修费 用。推荐的检验策略如图8所示：图8 推荐的检验策略（下转第63页）图7 设备失效风险矩阵CHINA SPECIAL EQUIPMENT SAFETY33第 30 卷 第 6 期专论与综述 事故分析 2）对那些不文明甚至是错误

26、乘坐电梯的行为，应及时制止，并向乘客说明这些行为错在哪里，可能会 造成什么后果等。防止这些不文明甚至是错误乘坐电 梯的行为造成电梯故障或损坏，影响电梯正常运行， 危及乘客人身安全。3）电梯管理者应该及时向遭遇电梯故障的乘客了 解相关故障情况，做好记录，向乘客做好安抚解释工 作，并积极联系并配合维保单位查找故障原因，尽快 消除电梯隐患，防止小区居民对电梯故障的恐慌情绪 的蔓延。4）对一些不满足安全运行、存在一些暂时解决不 了的问题或者未找出故障原因的电梯，应该果断停止 其运行，防止引发设备或人身安全事故。事故隐患消除，确保电梯安全运行。3）对某些设计、制造过程的不足而引发的电梯故 障，维保人员应

27、该积极将这些问题向制造单位反馈， 积极配合制造单位制定整改方案并付诸实施，以便及 时、有效地消除电梯运行的安全隐患。6 结束语电梯运行故障率的大小与电梯的制造质量、安 装、维护保养质量以及电梯的正确使用等诸多因素密 切相关，因此，应该从正确做好电梯选型，控制好电 梯的制造、安装、维护保养的质量，做好电梯运行管 理工作，及时制止电梯的不良操作行为等方面入手， 将各个环节管理好，以确保电梯安全稳定运行，减少 电梯故障的发生。5.2 做好电梯维护保养工作1）维保人员应该严格按照维保周期对电梯进行维 护保养工作，在维保过程中，检查要细致，对发现的 问题要及时整改，不能对电梯故障视而不见，或者主 观上认为是小问题的，就听之任之，让电梯带“病” 运行。2）维保人员应重视电梯运行记录和乘客的意见反 馈，对存在的任何故障现象都应该积极