储罐底板声发射信号衰减特性研究.pdf
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1、第 39 卷 增刊 2 检验检测71储罐底板声发射信号衰减特性研究甘鹏程1 石秀山1 王 十1 沈永娜1 郭 洪1 田高佳2(1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)(2.中国石化海南炼油化工有限公司 儋州 570000)摘 要:声发射技术被广泛应用于大型常压储罐的检测,但是对于声发射信号在储罐底板中的传播衰减特性尚未明确。针对该问题以相同强度声发射源在不同直径的储罐底板开展仿真实验,对声发射波在储罐底板中的衰减特性进行了研究,结合 COMSOL 有限元仿真分析发现随着声发射波在储罐底板中传播距离的增加信号幅值由于边界条件的影响呈非线性衰减,在储罐底板的后半部分传播过程中出现信号幅值增
2、大的现象,并随着储罐底板直径的增大,信号幅值增大的幅度逐渐减小;根据实验数据通过曲线拟合得到不同储罐底板直径与极大值点距声源距离之间的经验公式,并在直径 15 m 的储罐底板现场成功验证了声发射波在储罐底板中的衰减特性经验公式的正确性。关键词:储罐底板 有限元仿真 声发射 衰减Research on the Attenuation Characteristics of Acoustic Emission Signal of Tank Bottom PlateGan Pengcheng1 Shi Xiushan1 Wang Shi1 Shen Yongna1 Guo Hong1 Tian Gao
3、jia2(1.China Special Equipment Inspection&Research Institute Beijing 100029)(2.Sinopec Hainan Refining&Chemical Limited Company Danzhou 570000)Abstract Acoustic emission technology is widely used in the detection of large atmospheric storage tanks,but the propagation and attenuation characteristics
4、of acoustic emission signals in the bottom plate of storage tanks are not yet clear.In response to this problem,simulation experiments were carried out with the same intensity acoustic emission source on the bottom plates of storage tanks with different diameters.Combined with the COMSOL finite elem
5、ent simulation analysis,it is found that with the increases of the propagation distance of acoustic emission wave in the tank floor,the signal amplitude attenuates nonlinearly due to the influence of the boundary conditions.The signal amplitude increases during the propagation process of the second
6、half of the tank bottom plate.And as the diameter of the tank bottom plate increases,the amplitude of the signal amplitude increases gradually decreases.According to the experimental data,the empirical formula between the diameter of different tank bottom and the distance between the maximum point a
7、nd the sound source is obtained by curve fitting.The empirical formula of attenuation characteristics of acoustic emission wave in the tank bottom was successfully verified in the field of the tank bottom with a diameter of 15 m.Keywords Tank bottom plates Finite element simulation Acoustic emission
8、 Attenuates中图分类号:X933.4 文献标志码:B文章编号:1673-257X(2023)S2-0071-06 DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2023.S2.014作者简介:甘鹏程(1996 ),男,硕士,助理工程师,从事声发射技术研究工作。通讯作者:郭洪,E-mail:。(收稿日期:2022-10-17)1 引言常压储罐是石油、石化行业重要的储运设备。由于常压储罐多用于储存易燃、易爆、腐蚀性或毒性的石油产品或危险化学品,一旦发生泄漏或失效,不检验检测72仅会造成环境污染,而且可能酿成重大火灾及爆炸 事故,给企业带来无法挽回的经济损失和恶劣的社会影响1-
9、3。API 5752020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。底板腐蚀泄漏引起的储罐事故占所有事故的 20%,因此,对储罐底板腐蚀的检测和评价是保障储罐安全运行的重要措施之一。声发射(Acoustic Emission,AE)是指材料中局域源快速释放能量而产生瞬态弹性波的现象,也称为应力波发射4。声发射检测技术可实时接收材料损伤过程中发射的应力波,实现对设备在役使用过程中的在线检测5-7。目前,该技术已发展成为储罐群底板腐蚀状态的快速普查的主要方法。但是随着常压储罐底板直径不断增大,由于腐蚀声发射信号衰减,检测探头接收的信号强度也随之衰减,声
10、发射检测范围能否覆盖整个储罐底板成为大型常压储罐声发射检测面临的主要问题。与压力容器不同,在役储罐底板的声发射源的信号传输路径较为复杂,其衰减特性也难以通过实际测试获取。Nedzvetska 等人8研究发现声发射信号在罐底的传播途径有 3 种:第 1 种是在介质中直接以球面波的形式传播被传感器接收;第 2 种是先以柱面波的形式在罐底板传播,遇到底板的焊缝发生模式转换,一部分信号再以球面波的形式传播被传感器接收;第3 种是先以柱面波的形式沿罐底板传播,遇到焊缝发生模式转换部分能量传到罐壁被传感器接收。其中第1 种的衰减较第 2、3 种小,传感器接收到的主要是沿第 1 种传播途径传播的声发射信号。
11、Yu Y 等人9利用有限元软件 COMSOL 对罐底三维建模仿真,通过数字滤波和小波变换,研究了不同方向上的声发射信号传播规律,发现在法向方向能量衰减较小,信号强度大,是主要的传播方式;切线方向能量最弱,但是频谱不变,只是信号强度随距离增加而衰减;Z 轴方向能量强度比法向方向信号强度稍弱,其频率特性在传播过程中改变较大。并且在此基础上仿真研究了焊缝的影响,发现焊缝对信号频率影响很大,整体信号频率较无焊缝情况小。翟庆宏等人10研究发现声发射波在金属构件中传播与在板件中传播规律一致,其能量、幅值随距离的增加而衰减,其衰减幅度随时间的增长而减小;传播速度只与材料的密度有关,金属构件的密度越大声发射波
12、的传播速度也就越大;声发射波在液体内的衰减比在固体内的衰减幅度小,而且高频信号比低频信号衰减速度快。戴光等人11研究发现常压储罐底板腐蚀声发射信号在液体中传播具有回波性,衰减曲线会出现反弹现象。为了获取声发射信号在储罐底板中的衰减特性,结合 COMSOL 有限元仿真分析软件以及现场试验对声发射信号在储罐底板中的衰减规律进行研究。2 有限元仿真分析2.1 罐底板模型声发射是一种应力波,因此选择固体力学模块对储罐底板进行有限元仿真12。建立板厚为 8 mm,直径分别为 800 mm、1 200 mm、1 600 mm、2 000 mm 和5 000 mm 的罐底板模型。材料选为 structura
13、l steel,密度为 7 850 kg/m3,杨氏模量 E=200109 N/m2,泊松比=0.3,并对储罐底板进行网格划分。2.2 激励设置因为是仿真储罐底板的实际情况,因此不需要对储罐底板的边界条件进行添加,默认为自由条件。分别在直径为 800 mm 和 1 200 mm 的储罐底板上沿直径方向取 8 个点,每点之间间隔分别为100 mm 和 150 mm;分别在直径为 1 600 mm、2 000 mm 和 5 000 mm 的储罐底板沿直径方向上取 10 个点,每个点之间间隔分别为 160 mm、200 mm 和 500 mm,如图 1 所示。储罐底板腐蚀过程中声发射信号的能量低,峰
14、值频率分布分散,在 60 kHz 以下有丰富的信号13,并且高频信号比低频信号衰减速度快10,因此选择频率为 30 kHz 的单个正弦波对激励点施加激励,其他点均为探针接收点。(a)D=1 200 mm图 1 储罐底板模型示意图?15 cm?第 39 卷 增刊 2 检验检测73(b)D=2 000 mm图 1 储罐底板模型示意图(续)?20 cm?由于声发射是一种瞬态现象,因此选择瞬态求解。求解的时间设置越长,得到的波形越接近真实的波形,但考虑到计算时间,此次仿真求解时间设为 20 ms,采样频率设为 1 MHz。2.3 仿真结果分析图 2 为求解得到的不同尺寸储罐底板中声发射信号的衰减曲线。
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