赵芳1，王小航2，钱虹1，符夏,1，范家宝1，潘瑞瑄1，袁进1
1.中国民航大学机场学院，天津 300300
2.中国航空油料有限责任公司宁夏分公司，银川 750009
摘要：大型储罐是石油产品的重要储运设备，故其结构稳定性及完整性应在正常操作范围内，以避免不必要的损失。本文详细介绍了大型储罐的主要类型，失效模式和常见的检测技术，分析了导致失效的主要原因以及各种检测技术的优缺点。
关键词：储罐，类型，失效模式，检测技术
一、储罐的类型
目前存在多种对大型储罐进行分类的方法。具体分类如图1所示。在实际应用过程中，储罐种类的选择应根据实际储罐的性质和储存要求而定。比如，固定顶储罐通常装有呼吸阀，以确保安全并防止储罐中压力过大；由于缺少气相，浮顶储罐几乎没有蒸发损失，除了周围密封处的泄漏损失，由于内部没有危险的混合气体，因此不易发生火灾。
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图1 大型储罐的主要分类
二、储罐失效模式
1.断裂失效
储罐罐体的破裂问题主要发生在长时间使用的储罐中。当介质注入完毕或新的储罐中装满流体时，介质的静压力突然开裂，此时储罐材料几乎没有或没有塑性变形的迹象。受到主要影响的是由碳钢和低合金钢材料制成的储罐。
造成罐体断裂的主要原因是：（1）材料变质、焊接裂纹、机械接触损坏、疲劳裂纹等导致储罐断裂失效；（2）如果环境温度低于储罐设计的最低工作温度，则储罐材料的韧性降低，脆性增加从而导致储罐被破坏；（3）罐体存在超标缺陷；（4）由于在充水测试过程中温度低，壳的韧性降低，并且在应力集中区域产生了材料屈服，这不足以有效降低峰值应力并使其变脆，在试压的过程中，油箱可能会突然爆裂，从而造成严重的损失[1]。
2.腐蚀失效
储罐腐蚀失效主要是由于腐蚀失效引起储罐减薄，导致储罐失稳和穿孔泄露引起的，按腐蚀情况不同分为如下三种。
第一种储罐底板腐蚀。它可分为两种类型：罐底板介质侧腐蚀和土壤侧腐蚀，是腐蚀问题中最集中的一种。这些更有可能发生在入口和出口（冲蚀），浮顶支腿，杂质和水在罐底部积累的位置；储罐底板介质侧腐蚀主要是由油中易于沉积在底部的水分和机械介质所致。因此，进口和出口的位置会被腐蚀，变薄，凹陷或变形。此外，微生物的腐蚀也是造成土壤侧腐蚀的主要原因[1]。
第二种管壁腐蚀主要为储罐内壁的腐蚀，大约在靠近罐底20-30cm处气液连接的部位易发生腐蚀；其中大气腐蚀和绝缘层下的腐蚀是由于环境潮湿和酸性物质的存在，碳钢和低合金钢板腐蚀受到的环境气候影响[1]。
第三种是储罐顶部的腐蚀，内部受介质影响，外部受大气环境影响，化工厂区因素或罐区因素有时会加剧腐蚀[1]。
此外，氯化物应力腐蚀破裂和碱性应力腐蚀破裂也可能导致储罐腐蚀失效。前者是由于水和氯化物的作用而引起的不锈钢储罐表面开裂，后者是指罐体表面暴露于腐蚀性碱性介质时发生的开裂。
3.变形失效
储罐变形的主要原因是设计和不正确的物料进出操作。罐体的变形主要表现为罐体内的内凹和举升[1]。此类事故仅在供油过程中发生，包括压力测试后进水和出水管道的排水[1]。当储罐的内部压力超过设计压力时，就会发生储罐的上举，该上举破坏是由过大的向下反作用力引起的，通常称为超压爆裂破坏。
4.磨损失效
浮顶的磨损失效主要是由于浮顶随原油液位的变化而变化，在浮顶上下移动过程中，由于重力、油压和摩擦力的作用，浮顶易发生局部变形[2]。当石油产品进入储罐时，浮顶在承受石油产品提供向上浮力的情况下产生局部变形。当油位下降时，浮顶将受到重力的影响，与储油罐相互作用。由于浮顶与罐壁之间的摩擦，在罐体内产生了部分真空，使得浮顶容易出现局部凹陷。
5.密封失效
浮盘密封的完整性直接关系到储油罐中油气的挥发，故在内浮顶储罐的日常运行中，操作员应进行定期检查和巡视，以便提前确定储罐密封装置的故障或失效，并及时确认储罐浮盘的密封情况，采取相应的处置措施。
内浮板由骨架，盖板，边固件，量油导管护筒，防旋导管，自动通气口，过渡护筒等组成，并与油料分开。油罐形成了大量相对封闭的“油气空间”[4]。它能有效地将油与大气隔离，从而达到密闭储存石油的目的[3]。
有两种主要表现形式表明无法将浮盘密封在油箱中。第一种表现形式是油罐中浮盘的“静”密封失效。在内浮盘板盖与罐中的油面之间形成的“油气空间”被称为“大油气空间”，并且相对较大。如果内部浮动板盖板或盖板之间的连接部件未密封（损坏，变形，泄漏等），即如果内浮板的“静”密封失效，则“大油气空间”将会通过气孔和缝隙进入大气，并直接挥发，它不受呼吸阀压力控制。[5]就静态密封失效而言，在相同条件下，油气挥发速率要比固定顶油罐高得多，因为这种密封失效通常会导致大量的油气空间泄漏，而且速度很快。第二种表现形式是油箱中浮盘上的“动”密封失效。在内浮盘的外边缘与油箱的内壁以及在油量测量管的外壁之间形成几个环形的“油气空间”被称为“小油气空间”[4]。内浮板的柔性密封装置有效地保证了滑动表面之间的相对密封和“小油气空间”的气密性。如果滑动表面的密封性能下降，则“动”密封失效，“小油气空间”会泄漏，并且油罐中的局部液位会与大气空间形成通道，从而导致油气挥发，内浮盘上的动密封将不起作用[4]。
从实际操作条件来看，浮盘密封失效的主要原因有两个。（1）浮盘密封的安装和材料选择过程中存在缺陷，并且在运行期间密封件和浮动盘的连接是分开的[4]。（2）一些石油产品和密封材料中的化学变化会腐蚀原有的密封[5]。
三、储罐健康状况的检测技术
随着技术的进步，储罐检查技术已向在线、离线（开罐）及多种检查方法相结合的方向发展。
（一）常规技术
1．目视检查（宏观检查）：（1）根据储罐的定期检查表检查并记录每个项目（可以使用照片，图纸或叙述的方式）；（2）罐体的钢板是否结构异常，例如倾斜，变形，不平整，腐蚀穿孔，点蚀；（3）外涂层，内涂层溶胀或掉落，绝缘层剥落或损坏，阴极保护和接地系统附件或基础混凝土是否受损。在结构完整性，变形和泄漏以及发现储罐中的缺陷方面，视觉检查比仪器检查更直观。
2．超声波测厚：超声波测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，可以准确测量参与壁厚和腐蚀速率，是腐蚀和测厚检测设备中最直接、有效、经济和可靠的方法。
3．焊缝检测：表面检测常用磁粉检测和渗透检测。磁粉探伤适用于检测铁磁体表面及其附近的缺陷，灵敏度高，效率高，可以直观显示缺陷的长度和形状，但无法判断深度。渗透探伤适用于检测开口表面的缺陷，对于钢制储罐，其检测效率，准确性和灵敏度均不如磁粉检测，并且探伤剂通常具有毒性。X射线和超声波常用于检测焊缝内部，也可以利用TOFD技术检测。对于储气罐，中射线检查中的体积缺陷检出率非常高，缺陷在定量上准确，并且将胶片用作检查记录。超声波检查面积中的缺陷检出率高，并且在工件的厚度方向上的缺陷位置上的检查相对准确，但是没有直观的缺陷记录。
4．破坏检查：检查目标是已使用50多年的储罐底部。考虑到钢板腐蚀可能存在泄漏，我们将进行磁通量泄漏检查以确定腐蚀区域。针对特定区域土壤侧腐蚀区域，如果要了解腐蚀状况，在可疑区域处切取罐底板约300mm，并检查内外两侧是否腐蚀。如果情况不好，则可以检查其他地方以查看储罐的整体腐蚀情况。切割之前，应使用超声厚度测量或超声c扫描来检测该区域，以确定是否需要切割。切割之前，要检查有效的安全措施，以防止由于储罐泄漏引起的爆炸。
5．充水试验：是检测储罐使用特性的重要方法之一，在充水试验前应对罐体进行检查，利用该技术可以对罐体的焊接状态，储罐和浮顶的气密性，罐壁及罐顶强度等进行检测。
（二）新技术检测
1．底板漏磁检测：漏磁检测（MFL）和超声波检测（UT）是常用的坑状腐蚀检测方法。由于磁性材料的导磁率因缺陷而改变，因此当将磁场施加到有缺陷的铁磁工件上时，磁通失真并且发生泄漏。它主要适用于检测铁磁体母材中的缺陷，对体积缺陷的检测效果高，并且具有灵敏度高，无耦合和缺陷深度量化的特点，也可检测埋在储罐底部的缺陷。
2．底板声发射检测：声发射是指材料中局域源快速释放能量产生瞬态应力波的现象[6]。技术主要用于检测腐蚀性条件和泄漏位置。
3．高频导波检测：罐底在线监测是通过比较探头接收到的透射波，获取罐底的腐蚀情况。结合声发射检测技术，不需开罐即可检测罐底的腐蚀状况，并可验证声发射检测结果，可作为漏磁检测的补充。
4．三维激光扫描检测：使用激光距离测量原理，基于被测物体表面上的密集点云的信息，可以获取诸如被测物体的3D模型之类的数据以及诸如线，表面和体积之类的数据，直观地从扫描图像中检查每个零件的变形，并读取指定零件的检测值。
5．相控阵检测技术：相控阵检测技术主要是通过改变单片机的模式来完成脉冲传输，并引入时变来完成[7]。这项技术基于非破坏性测试和惠更斯－菲涅耳原理，正越来越多地应用于工业非破坏性测试。该探头尺寸小，可以灵活地用于检测不同类型的储罐和复杂结构。
6．自动爬壁超声波测厚技术：连续爬行厚度测量系统旨在以快速，可靠的方式检测和分析罐壁和管道厚度，并且设备重量轻，消耗低且坚固可靠。扫描仪可以工作于物体不平整表面，测量方便，对检测储罐，塔架，船体和球体的内外表面都可满足。
7．低频电磁检测技术（LFET）：低频电磁检测技术基于电磁感应，当腐蚀变薄或出现缺陷时会改变磁场，从而有效地检测出隐藏的腐蚀，腐蚀变薄或储罐中的缺陷。
结语：随着科学技术的发展，储罐检测技术也应与时俱进，储罐检测技术朝着多样性
发展，除了现已有的技术手段，还可以和其他新的技术相结合，开辟新的检测途径。只有不断发展和完善储罐检测系统，让检测手段更科学有效、高效便捷，检测结果更加准确无误，优化管理，才能最大化地降低储罐安全风险。
参考文献：
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[2]罗琼枝，孙杰.某沿海地区原油储罐外浮顶失效原因讨论及防护措施[J].无损探伤，2019,43(05):24-27.
[3]徐至钧，燕一鸣，张凤球.新型储罐浮盘设计与应用[M].北京：中国石化出版社，2008：35-29.
[4]聂世全，崔振兴，王伟峰.油罐内浮盘密封失效原因与预防措施[J].油气储运，2011,30(06):468-471+391-392.
[5]周建强，黄永志.油罐内浮盘密封失效原因分析与预防对策[J].化工管理，2016(27):7..
[6]孔德连. 声发射技术在阀门泄漏在线监测方面的应用. 北京化工大学, 2010.
[7]安广山，于学燕.相控阵检测技术在储罐中的应用与研究[J].中国金属通报，2019(12):294-295.
基金项目：1）编号：202010059045，大学生创新创业训练计划项目资助；2）编号：20YDTPJC00580，企业科技特派员项目