CN115406383A - 储罐罐顶腐蚀深度的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种储罐罐顶腐蚀深度的检测方法，包括：在储罐罐顶结构的表面设置压电换能器；在缺陷处与压电换能器之间设置反射接收传感器；在缺陷处的与反射接收传感器相对的一侧设置透射接收传感器；测量反射接收传感器与缺陷处的反射距离L1，以及透射接收传感器与缺陷处的透射距离L2，并计算导波传播衰减因子
利用示波器读取在反射接收传感器处的反射波幅值UR，以及在透射接收传感器处的透射波幅值UT；通过
计算获得缺陷处的幅值比系数δ，根据幅值比系数δ判断缺陷处的腐蚀深度。本发明解决了现有技术中的超声导波某一特性与腐蚀缺陷程度之间的对应关系较少考虑实际应用过程中的影响因素的问题。
Description
技术领域
本发明涉及油气存储技术领域，具体而言，涉及一种储罐罐顶腐蚀深度的检测方法。
背景技术
常压立式储罐(简称储罐)作为一种重要的储存容器结构类型，是保障油气资源的重大基础性关键装备，是油田原油沉降、储存与中转的重要设备。由于储罐长期遭受内、外环境介质的腐蚀，罐底、罐顶及附件等容易发生严重的腐蚀。储油罐的腐蚀导致钢板的局部减薄或整个罐体的变薄变形，产生渗透穿孔、罐顶塌陷或罐崩事故。虽然油罐罐顶不直接和油品接触，但会受到氧气、水蒸气、硫化氢、二氧化碳等气体的腐蚀，属于气相腐蚀。由于气温的变化，水蒸气易在罐顶内壁形成凝结水膜，而罐内气体中的杂质会溶解在凝结水膜中，同时由于罐的呼吸作用，氧气不断进入罐内通过凝结水膜扩散到金属表面，从而引起罐顶的腐蚀，其腐蚀程度也比较严重，常伴有点蚀等局部腐蚀。其腐蚀程度介于罐底和罐壁之间。
由于储罐管理的落后和粗放性，致使许多储罐带病运行，管理人员不能很好的掌握储油罐的健康状况，对储罐在运行过程中产生的腐蚀、穿孔等缺陷很难被及时发现，事故隐患不能被很好的评估、预报和处理，这给油田的安全生产带来严重的威胁。
目前对储罐的完整性检测评估主要是针对罐底、罐壁等部位，对储罐罐顶的检测还没有受到足够的重视。虽然对于板状结果的腐蚀检测有漏磁检测、声发射检测、射线检测和超声测厚等技术，但罐顶高空作业和危险品区域检测的条件限制了这类离线、局部腐蚀缺陷检测技术应用。如果能已知罐顶板腐蚀缺陷的深度，就能对储罐的健康状态做出更加精准的判断，继而对损伤严重的储罐采取进一步的措施，从而能大大减少危险事故发生的可能性。因此，储罐罐顶腐蚀缺陷损伤程度的研究对于评估储油罐是否存在安全隐患问题具有重大意义。
由于储罐中的大部分结构均为板结构，超声导波的应力分布在板结构的整个厚度上，具有传播距离远、衰减较小、无辐射且受环境影响因素小等优点，考虑导波传播距离衰减因素，研究如何利用缺陷的反射波和透射波信号实现缺陷深度的评价，研究导波对不同形态腐蚀缺陷深度测试分析，从而更好的对储罐的健康状态做出判断，减少危险事故的发生。智达等人对锥形深度剖面腐蚀缺陷板中S0波进行数值仿真分析，研究锥形深度剖面腐蚀缺陷与超声导波相互作用机理，分析不同腐蚀、深度、剖面倾角及直径对导波信号的影响，得到不同深度、剖面倾角及直径对导波信号的影响。张瑾超等人，利用有限元数值模拟分析了激发效率与信号频率的关系以及激发出的导波场分布特征，比较了损伤对SH0波和S0波的反射系数，评估SH波检测腐蚀损伤的可行性。禹化民等人利用Lamb波对阶梯孔和球形孔缺陷的标准件检测，得出回波幅值随横截面积与缺陷深度的增加而增加。肖贤军等人研究表明导波对通孔最敏感，对锥形孔最不敏感，对阶梯孔的敏感度处于二者之间。郑阳等人通过激发单一A0模态Lamb波和利用全聚焦成像算法，对一块包含直径为27mm通孔的3mm厚铝板进行了成像，实现了对板类结构的大面积粗检。以上工作主要研究了超声导波某一特性与腐蚀缺陷程度的对应关系，但较少的考虑实际应用过程中的影响因素，比如腐蚀缺陷与反射和透射接收传感器相对空间距离的影响等，因此，对于不同相对距离下腐蚀缺陷深度的评价参数及定量研究还有待深入。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种储罐罐顶腐蚀深度的检测方法，以解决现有技术中的超声导波某一特性与腐蚀缺陷程度之间的对应关系较少考虑实际应用过程中的影响因素的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种储罐罐顶腐蚀深度的检测方法，包括：在储罐罐顶结构的表面设置压电换能器，压电换能器施加载荷激励产生超声导波，且超声导波沿与储罐罐顶结构的表面平行的方向传播；在缺陷处与压电换能器之间设置反射接收传感器，反射接收传感器接收被缺陷处反射回的导波信号；在缺陷处的与反射接收传感器相对的一侧设置透射接收传感器，透射接收传感器接收由缺陷周围透射过的导波信号；测量反射接收传感器与缺陷处的反射距离L1，以及透射接收传感器与缺陷处的透射距离L2，并计算导波传播衰减因子
利用示波器读取在反射接收传感器处的反射波幅值UR，以及在透射接收传感器处的透射波幅值UT；通过
计算获得缺陷处的幅值比系数δ，根据幅值比系数δ判断缺陷处的腐蚀深度。
进一步地，压电换能器设置在储罐罐顶结构的表面边缘处。
进一步地，压电换能器位于储罐罐顶结构的表面边缘的中间位置。
进一步地，反射接收传感器和透射接收传感器位于缺陷处的中轴线上。
进一步地，反射接收传感器和透射接收传感器之间的连线与超声导波的方向平行。
进一步地，超声导波由压电换能器施加的十步正弦波载荷激励产生。
进一步地，十步正弦波由汉宁窗调制。
进一步地，在读取反射波幅值UR时，读数取波形图中处于反射接收传感器处第一次直达波和第二次直达波之间的波峰读数作为反射波幅值UR。
进一步地，在读取透射波幅值UT时，读数取波形图中第一次直达波波峰幅值读数作为透射波幅值UT。
进一步地，幅值比系数δ与缺陷处的腐蚀深度之间正相关，幅值比系数δ越大，缺陷处的腐蚀深度越大。
应用本发明的技术方案，通过上述检测方法，利用压电换能器产生的超声导波在经过缺陷处会被缺陷处的侧壁反射回，而未经过缺陷处的超声导波可以顺利透射过去，设置反射接收传感器和透射接收传感器，同时利用反射接收传感器与缺陷处的反射距离L1和透射接收传感器与缺陷处的透射距离L2，并计算导波传播衰减因子β，不同的接收位置的比值代表不同的导波传播衰减因子β，再利用导波传播衰减因子β计算缺陷处的幅值比系数δ，根据幅值比系数δ判断缺陷处的腐蚀深度。这样，在研究超声导波某一特性与腐蚀缺陷程度的对应关系时，将腐蚀缺陷与反射和透射接收传感器相对空间距离等实际影响因素考虑其中，实现于不同相对距离下腐蚀深度的评价参数及定量研究。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的储罐罐顶腐蚀深度的检测方法的流程图；
图2示出了采用图1的储罐罐顶腐蚀深度的检测方法的布置示意图；
图3示出了采用图1的储罐罐顶腐蚀深度的检测方法时超声导波与缺陷之间的波场传播图；
图4示出了采用图1的储罐罐顶腐蚀深度的检测方法时矩形腐蚀缺陷不同反射距离和透射距离下腐蚀深度与幅值比系数的曲线图；
图5示出了采用图1的储罐罐顶腐蚀深度的检测方法时圆形腐蚀缺陷不同反射距离和透射距离下腐蚀深度与幅值比系数的曲线图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、压电换能器；20、反射接收传感器；30、透射接收传感器；40、缺陷。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中的超声导波某一特性与腐蚀缺陷程度之间的对应关系较少考虑实际应用过程中的影响因素的问题，本发明提供了一种储罐罐顶腐蚀深度的检测方法。
如图1至图3所示的一种储罐罐顶腐蚀深度的检测方法，包括：在储罐罐顶结构的表面设置压电换能器10，压电换能器10施加载荷激励产生超声导波，且超声导波沿与储罐罐顶结构的表面平行的方向传播；在缺陷40处与压电换能器10之间设置反射接收传感器20，反射接收传感器20接收被缺陷40处反射回的导波信号；在缺陷40处的与反射接收传感器20相对的一侧设置透射接收传感器30，透射接收传感器30接收由缺陷40周围透射过的导波信号；测量反射接收传感器20与缺陷40处的反射距离L1，以及透射接收传感器30与缺陷40处的透射距离L2，并计算导波传播衰减因子
利用示波器读取在反射接收传感器20处的反射波幅值UR，以及在透射接收传感器30处的透射波幅值UT；通过
计算获得缺陷40处的幅值比系数δ，根据幅值比系数δ判断缺陷40处的腐蚀深度。
本实施例通过上述检测方法，利用压电换能器10产生的超声导波在经过缺陷40处会被缺陷40处的侧壁反射回，而未经过缺陷40处的超声导波可以顺利透射过去，设置反射接收传感器20和透射接收传感器30，同时利用反射接收传感器20与缺陷40处的反射距离L1和透射接收传感器30与缺陷40处的透射距离L2，并计算导波传播衰减因子β，不同的接收位置的比值代表不同的导波传播衰减因子β，再利用导波传播衰减因子β计算缺陷40处的幅值比系数δ，根据幅值比系数δ判断缺陷40处的腐蚀深度。这样，在研究超声导波某一特性与腐蚀缺陷程度的对应关系时，将腐蚀缺陷与反射和透射接收传感器相对空间距离等实际影响因素考虑其中，实现于不同相对距离下腐蚀深度的评价参数及定量研究。
储罐罐顶结构可简化为大型薄板结构，由于缺陷40的存在，板结构的刚度发生改变，当超声导波通过缺陷40时，因抵抗变形和介质的不连续性等原因，会发生反射、透射和模态转换的现象。当腐蚀缺陷的深度和距离发生改变时，相应的散射波信号幅值也会发生改变，因此，为了准确表征腐蚀深度对导波信号幅值的影响，定义反射/透射波幅值比系数δ作为评价参数。
利用压电换能器10在结构的一点激励超声导波，并考虑超声导波在传播过程中的频散特性，假设压电换能器10所在位置为时间-空间域的零点，入射波在沿x轴方向的位移分量为：
ux＝A1ei(kx-ωt)+A2e-i(kx+ωt)；
其中，A1ei(kx-ωt)表示沿着x轴正方向传播的波，A2e-i(kx+ωt)表示沿着x轴负方向传播的波，且
若仅考虑单方向直入射到缺陷40位置的沿着x轴正方向到缺陷40位置的波，则入射波的位移表达式
有：
这种情况下，在时间-空间域内任意点(x，t)处的反射回波
和透射波
的位移可以分别表示为：
气固两相介质中的声衰减按照不同损失机制主要分为三种类型：吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。在这里主要考虑板状结构的扩散衰减。
根据扩散衰减振幅随传播方向和距离L的函数拟合为：
其中，A0(x)是入射波的峰值幅度，L为沿传播方向与激励源的距离，A(L，x)是在x方向上距离激励源L的波包峰值幅度。
假设缺陷40所在位置为时间-空间域的零点，入射波沿着传播方向向前传播遇到缺陷40时，由于介质的不连续性，发生波的反射、透射和散射等现象，根据能量守恒原理可知，缺陷40处的反射波能量、缺陷40处的透射波能量与缺陷40处的散射波能量之和为缺陷40处的总能量，如图3所示。对于在板状结构中传播的特定导波模式，结合上述函数拟合公式，则在距离缺陷L1处接收点的反射波幅值UR，在距离缺陷L2处接收点的透射波幅值UT可分别表示为：
其中AR为入射波在缺陷40处的反射波包幅值，AT为入射波在缺陷40处的透射波包幅值。频率相同的条件下，反射波和透射波的能量只与接收反射波和透射波的传感器距离有关。定义缺陷40处的反射信号与透射信号的幅值比系数δ为：
定义
为导波传播衰减因子，由反射波和透射波传播距离决定，公式中的接收点与缺陷40之间的距离L1和L2可以通过实测数据的波时信息得出，该公式适用于任意相对距离下的腐蚀缺陷检测。
当导波与缺陷40相互作用时由于在介质不连续处发生散射，既有向后传的缺陷40反射波、继续向前传播的透射波和其他方向的散射波，当缺陷40尺寸一定时，缺陷40反射波幅值只受腐蚀深度的影响。
实际检测中，腐蚀缺陷与反射波透射波接收传感器之间的位置是不确定的，体现在公式中则是β数值的大小变化，从而幅值比系数δ发生变化。为了研究腐蚀特征和深度二者对幅值比系数δ的关系，分别设置两种类型的缺陷40和多组不同深度下的腐蚀缺陷进行研究，改变腐蚀深度h，h从0mm至3mm以间隔0.2mm的规律变化。同时考虑导波的衰减特性，设定接收反射波信号接收点距缺陷40距离L1，接收透射波信号接收点距缺陷40距离L2，改变反射距离L1和透射距离L2，使得导波传播衰减因子为
和
确定导波传播衰减因子β的值。在β不变的情况下，读取距离L1处输出结点反射波幅值和距离L2处输出结点透射波幅值，得出幅值比系数δ，观察δ的值与腐蚀深度和缺陷40形状的关系，如图4和图5所示，从图中可知，不同的导波传播衰减因子β下，矩形缺陷和圆形缺陷的幅值比系数δ均与腐蚀深度h呈正相关，且导波传播衰减因子β越小，同一腐蚀深度下的幅值比系数δ反而越大；腐蚀深度h和导波传播衰减因子β相同的条件下，矩形缺陷的幅值比系数δ大于圆形缺陷的幅值比系数δ，特别地，当无腐蚀和腐蚀穿孔时，二者的幅值比系数几乎无差别。可见，依据考虑导波传播衰减时的腐蚀深度-幅值比曲线，可得到对应的腐蚀深度，从而判断缺陷40的腐蚀程度。
由此获得结论：在不同导波传播衰减因子β下，矩形和圆形缺陷的幅值比系数δ均与腐蚀深度呈正相关，且导波传播衰减因子β越小，同一腐蚀深度下的幅值比系数δ越大。
考虑导波传播衰减时的腐蚀深度-幅值比曲线，在实际检测中通过实测数据波时信息获得导波传播导波传播衰减因子β，从而获得反射波透射波幅值比系数δ，从而在曲线中查到对应的腐蚀深度，从而判断缺陷40的腐蚀程度，因此实现了罐顶腐蚀深度的测量。
实际实施时，建立缺陷40中心为坐标原点的柱坐标系，将压电换能器10设置在储罐罐顶结构的表面边缘处，且优选设置在储罐罐顶结构的表面边缘的中间位置。将反射接收传感器20和透射接收传感器30位于缺陷40处的中轴线上，并且优选反射接收传感器20和透射接收传感器30之间的连线与超声导波的方向平行，使得超声导波沿反射接收传感器20和透射接收传感器30之间的连线传播，根据超声导波在板上的波结构特征，接收采集处散射的导波信号。
超声导波由压电换能器10施加且为汉宁窗调制的十步正弦波载荷激励产生，选择合适的频率激励，其作为激励传感器产生宽频导波信号。
根据反射信号接收传感器距缺陷40的反射长度L1，以及透射信号接收传感器距缺陷40的透射长度L2，可知
为导波传播衰减因子，计算L1处接收节点和L2处接收处对应的导波衰减因子大小，接收处不同的位置的比值代表不同的导波传播衰减因子β。
利用示波器读取在反射接收传感器20处的反射波幅值UR，以及在透射接收传感器30处的透射波幅值UT，在读取反射波幅值UR时，读数取波形图中处于反射接收传感器20处第一次直达波和第二次直达波之间的波峰读数作为反射波幅值UR。在读取透射波幅值UT时，读数取波形图中第一次直达波波峰幅值读数作为透射波幅值UT。然后通过公式
即可获得缺陷40处的反射信号与透射信号的幅值比系数δ。
由于在同样的衰减因子β下，缺陷40的幅值比系数δ均与缺陷40处的腐蚀深度之间呈正相关，幅值比系数δ越大，缺陷40处的腐蚀深度越大，依据考虑导波传播衰减时的腐蚀深度-幅值比标准曲线，可得到对应的腐蚀深度，依据上述方法从而判断缺陷40的腐蚀程度。
需要说明的是，上述实施例中的多个指的是至少两个。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、解决了现有技术中的超声导波某一特性与腐蚀缺陷程度之间的对应关系较少考虑实际应用过程中的影响因素的问题；
2、在研究超声导波某一特性与腐蚀缺陷程度的对应关系时，将腐蚀缺陷与反射和透射接收传感器相对空间距离等实际影响因素考虑其中，实现于不同相对距离下腐蚀深度的评价参数及定量研究。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种储罐罐顶腐蚀深度的检测方法，其特征在于，包括：
在储罐罐顶结构的表面设置压电换能器(10)，所述压电换能器(10)施加载荷激励产生超声导波，且所述超声导波沿与所述储罐罐顶结构的表面平行的方向传播；
在缺陷(40)处与所述压电换能器(10)之间设置反射接收传感器(20)，所述反射接收传感器(20)接收被所述缺陷(40)处反射回的导波信号；
在所述缺陷(40)处的与所述反射接收传感器(20)相对的一侧设置透射接收传感器(30)，所述透射接收传感器(30)接收由所述缺陷(40)周围透射过的导波信号；
测量所述反射接收传感器(20)与所述缺陷(40)处的反射距离L1，以及所述透射接收传感器(30)与所述缺陷(40)处的透射距离L2，并计算导波传播衰减因子
利用示波器读取在所述反射接收传感器(20)处的反射波幅值UR，以及在所述透射接收传感器(30)处的透射波幅值UT；
通过
计算获得所述缺陷(40)处的幅值比系数δ，根据所述幅值比系数δ判断所述缺陷(40)处的腐蚀深度。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述压电换能器(10)设置在所述储罐罐顶结构的表面边缘处。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述压电换能器(10)位于所述储罐罐顶结构的表面边缘的中间位置。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述反射接收传感器(20)和所述透射接收传感器(30)位于所述缺陷(40)处的中轴线上。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述反射接收传感器(20)和所述透射接收传感器(30)之间的连线与所述超声导波的方向平行。
6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述超声导波由压电换能器(10)施加的十步正弦波载荷激励产生。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述十步正弦波由汉宁窗调制。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在读取所述反射波幅值UR时，读数取波形图中处于所述反射接收传感器(20)处第一次直达波和第二次直达波之间的波峰读数作为所述反射波幅值UR。
9.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在读取所述透射波幅值UT时，读数取波形图中第一次直达波波峰幅值读数作为所述透射波幅值UT。
10.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述幅值比系数δ与所述缺陷(40)处的腐蚀深度之间正相关，所述幅值比系数δ越大，所述缺陷(40)处的腐蚀深度越大。
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