1、安全、健康环境专论与综述2023 年第 23 卷第 2 期DOI:103969/jissn1672-7932202302002SAFETY HEALTH ENVIONMENT8储罐油泥在线检测技术研究现状*张健铭1，石磊1，付存银2，程万洲3(1 中石化(大连)石油化工研究院有限公司，辽宁大连1160002 沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳1100003 国家石油天然气管网集团有限公司，北京100028)收稿日期:2022-11-24第一作者简介:张健铭，助理工程师，2021 年毕业于中国石油大学(华东)油气储运工程专业，现在中石化(大连)石油化工研究院有限公司大连市智能油气储运及安
2、全工程研究中心，从事储运设施完整性与智能系统方面工作。*基金项目:中国石化技术开发课题(322061)，储罐油泥检测及底板腐蚀防护技术。摘要:原油储罐中油泥的存在不仅会减小储罐的有效容积，影响低液位时液位计测量的准确性，还会加重储罐底板的腐蚀、影响浮盘低液位运行安全性，油泥在线检测成为指导储罐安全运行的重要环节。收集整理了国内外现有油泥检测技术，对比了各检测技术的差异、特点、适用性。通过分析热成像、多波束声呐等技术的特征，提出声呐技术将成为储罐油泥在线检测发展趋势，并指出技术攻关方向。关键词:石油化工;储罐;油泥;在线检测;热成像;多波束声呐;三维成像中图分类号:TE88文献标识码:A文章编号
3、:1672-7932(2023)02-008-080前言原油在静态存储过程中，其中的水分、泥沙、机械杂质、沥青质、胶质等经过沉降可产生油泥。大量研究表明，油泥的组成成分极其复杂，油泥中的原油含量约在 5%90%，水分含量约在1%52%，固体含量在 0.8%86%1。其中还含有大量的苯系物、酚类、蒽、芘等有恶臭的有毒物质以及其它有机质、细菌、泥沙等2。油泥由于密度以及沉降的顺序不同，大致可以分为 3 层:上层油泥存在于油泥的最顶层，在组成与性质上与罐中的原油更加相似3，属于油泥与原油的“过渡区”;中层油泥是上层油泥在储罐温度变化的反复影响下，沥青胶团等经过日积月累地集结，最终形成的蜂窝状的超级胶
4、团4;底层油泥沉积在储罐的底部，是由中层油泥层层叠加形成的一种永久性的泥层。由于进罐原油会对油泥产生冲击以及扰动作用，油泥会在罐底形成沟壑纵横的丘陵地貌，并且在进油管口朝流动方向的油泥会被冲至对面以及两侧沉积下来5。油泥在罐内的分布情况见图 1。图 1罐底油泥分布储罐中的油泥需要定期进行在线检测，首先罐底油泥的存在会减少储罐的可用体积，造成储罐有效空间的浪费。一般而言，要求油泥的体积不超过储罐容积的 5%6;其次，罐底油泥会加速底板及内壁的腐蚀，降低储罐使用寿命7;再次，如果局部地方的油泥高度超过了浮顶支撑腿的高度，收付油过程中，浮盘最低高度受限，可能会引2023 年第 23 卷 2 期专论与
5、综述SAFETY HEALTH ENVIONMENT9起浮盘倾斜或卡盘8。一直以来，储罐油泥的检测主要采用人工卷尺法和密度计法，随着科学技术的发展以及新技术在石油石化行业的应用，热成像法、激光雷达法、多波束声呐法等新兴技术也开始应用到储罐油泥在线检测中，如杨风斌，等9 开发了基于激光雷达的原油储罐罐底油泥检测技术，可以在空罐条件下检测罐底油泥形貌;Montei-ro，等10 对热成像技术在罐底油泥检测中的应用进行了研究;刘健，等11 针对在常温油罐中使用热成像技术检测油泥进行了研究;Sardar，等12 研究了超带宽雷达法在储罐油泥检测中的应用;邓连军，等13 开发了基于多源影像的储罐油泥检测
6、技术;Baran，等14 以及 Svet，等15 研究了多波束声呐在油泥在线检测中的应用。1国内外储罐油泥检测技术11人工卷尺法人工卷尺法是一项传统的油泥体积检测技术，操作方法是工作人员在罐顶使用超长钢卷尺，将一个小的圆柱形下沉器固定在钢卷尺的底部，然后将其从浮盘上的开口放入罐中，当下沉器接触到底泥的瞬间记录卷尺的长度。根据油面的高度和起始点的位置，就可以计算出罐底油泥的高度。然后在不同的入口点重复进行测量，就可以得到建立油泥三维表面信息所需要的油泥高度数据点，然后计算油泥的体积。此方法适用于外浮顶罐。人工卷尺法简单易行，对设备以及人员的要求不高，且对于数据后续的处理简单，因此被广泛用于油泥体
7、积的检测中。但是该方法作业强度大，测量时间长，测量结果依赖测量人员的主观感受，并且由于测量点有限，在进行罐底油泥三维建模以及体积计算的时候通常会产生 35%45%的误差，误差较大。12密度计法密度计法是一种利用密度计通过测量油罐中不同高度原油的密度来计算油泥高度的测量方法。使用这种方法测量油泥的高度时，需要将密度测量杆由浮盘上的入口放进油罐中，测量不同深度原油的密度，由于油泥与原油的密度差异较大，所以可以分析出油泥的高度。在多个入口处进行同样的操作，然后对这些数据进行分析，即可以推算出罐底油泥的整体高度。密度计法的主要优点是能够获得中间层油泥的厚度，且由于密度计可以测量出不同层位油泥的高度，因
8、此这种方法的单点精度要高于使用钢卷尺测量的精度。但是这种方法同样需要通过人工对多个测量点进行测量，和人工卷尺法同样具有偶然性大、受人为因素影响大的缺点。13激光雷达法激光雷达法(图2)是一种以激光作为信号源，通过不断扫描目标物体来获取三维图像的非接触式测量方法，由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成16。杨风斌，等9 2021 年开发了基于激光雷达的原油储罐罐底油泥检测技术，在储罐顶部安装激光雷达后，激光发射机将电脉冲变成光脉冲向罐底发射，并通过旋转不断扫描罐底，光接收机再把从罐底目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器，实现对罐底油泥的多点测距。针对罐内高温雾气的环境，研究了
9、HDDM+测量法(统计评估)技术的 Sick 激光雷达，可有效抵抗罐内雾气、粉尘、玻璃等干扰，准确获得距离扫描信息。最后通过建模的方式最终呈现出罐底泥沙的淤积情况，并以三维图像的形式展示。在测量高度为 10 m 时，精度可以达到 2 cm，具有较小的误差。图 2激光雷达法示意激光雷达法在技术上具有较高的可行性，但需要相关厂家配合做设备集成才能够达到较好的效果。目前市场上销售激光雷达的厂家数目繁多，选择范围大，但旋转执行机构配合困难，后台程序算法开发难度较大。由于激光的穿透性较弱17，无法穿透原油，激光雷达法仅适用于空罐时油泥的测量，在储罐装满油时无法使用。14超带宽雷达法超带宽雷达(UWB-雷
10、达)是指发射信号的分张健铭，等储罐油泥在线检测技术研究现状安全、健康环境专论与综述2023 年第 23 卷第 2 期SAFETY HEALTH ENVIONMENT10数带宽(FBW)大于 0.25 的雷达18，比传统雷达的频谱高。超带宽雷达在相对较低的频率(6 8 GHz)下工作，这意味着它具有非常好的穿透性能。超带宽雷达发射信号所占用的频谱量(即超宽带信号的带宽)至少为发射机中心频率量的25%。例如，中心频率为 2 GHz 的带宽为 500MHz，而中心频率为 4 GHz 的超宽带信号的最小带宽为 1 GHz。由于超带宽雷达具有良好的穿透性能，并且能够提供高度精确的位置、距离，使其在储罐油
11、泥在线检测领域的应用成为可能。Santu sardar，等12 在 2014 年提出了基于超带宽雷达的罐底油泥体积检测系统。该系统由波形产生器、发射机、接收机、收发天线和信号处理器等部件组成，该团队在高 2 m、直径 1.5 m 的缩小版金属工业油罐上进行实验，实验示意如图 3 所示。具体工作原理如下:a)计算脉冲信号能够穿过原油被信号接收器接受所需要的最小功率，并确保这个功率小于储罐内原油的点火阈值。确定最小发射功率需要同时考虑噪声因素、发射天线增益、倾斜角度和相应的距离损失、接收天线的噪声水平和功率增益、放大器收益等，并确定雷达安装位置。图 3超带宽雷达法示意b)在储罐直径两端分别布设雷达
12、发射器和信号接收器，脉冲信号穿过空气、原油，最终在油泥表面反射回信号接收器。c)根据接收到的脉冲信号判断罐底是否有油泥的存在，如果存在油泥则利用训练好的油泥预测模型来估计油泥的体积。d)油泥体积预测模型:在保持罐底油泥体积不变的情况下，随机改变油泥表面轮廓，获取到在油泥体积不变的情况下，多个不同表面区域的反射信号数据。接下来，改变油泥的体积，继续随机改变油泥表面轮廓，收集大量不同表面区域的反射信号的数据，不断重复上述操作，最后通过这些获取到的数据来训练 BF 神经网络，并用训练好的神经网络模型来对实验储罐中罐底油泥体积进行预测。该方法能够实现带油情况下罐底油泥体积的预测，并采用对反射信号降维等
13、手段，将系统的主要功能聚焦在罐体油泥体积的预测上，精简了罐底油泥图像处理所需要的设备，适合对罐底油泥体积的长期监测。但是该方法存在以下不足:超带宽雷达多为军品，成本比较高，不容易获得，实验室模拟尚可，但是大规模市场化应用难以实现;该方法更适合在储罐的建设期将传感器布设在罐壁上，实现油泥的监测，对于在役油罐，尤其是带浮盘的储罐，雷达的安装存在困难;若要提高油泥体积检测的准确性，需要在罐壁安装足够多的雷达，无法满足油泥检测的经济性。15热成像法在自然界中，只要物体的温度高于绝对零度，就会不断地向外界辐射能量。因此，理论上只要可以收集物体辐射的能量，经过一定的处理后，就可以得到与目标辐射分布相对应的
14、热图像19。储罐中的原油与油泥在组成上有着较大的不同，原油和油泥向外界辐射的热量存在差异，这就为热成像技术在油泥检测方面的应用提供了可行性。大阪大学20 在 2014 年探究了基于原油储罐外壁表面温度分布，使用热红外法测定原油储罐内油泥高度的可行性。实验表明，无论是阴天还是晴天，在油罐阳面罐壁处原油和油泥均有着较为明显的温差。但是对于油罐的阴面，只在一天中的一小段时间有明显的的温差。该实验在一定程度上证明了热成像法在储罐油泥检测上的可行性。国际油罐服务(亚太)有限公司21 在 2015 年使用热成像技术与图像处理软件实现了对储罐罐壁油泥高度的检测，假设油泥高度均匀分布并结合插值等数值计算方法，
15、近似估计出罐底油泥的三维图像并计算出油泥的体积。具体过程如下:a)首先使用热成像相机获取储罐外壁的热成像照片，根据原油与油泥温度的不同确定原油与2023 年第 23 卷 2 期专论与综述SAFETY HEALTH ENVIONMENT11油泥的分界线，如图 4 所示，其中，橙色部分为原油，蓝色部分为油泥。图 4储罐外壁的热成像照片b)对获取的热成像照片进行处理，获取储罐罐壁处的油泥高度点，并通过减小拍照间距、增加拍照数量来增加油泥高度点的数量，以提高测量的准确性。罐壁处油泥高度数据点如图 5 所示。图 5罐壁处油泥高度数据点c)假设罐内的油泥均匀分布，模拟出罐内油泥的三维图像，如图 6 所示，
16、并计算出油泥的体积。实验结果表明，使用热成像估计油泥体积结果比实际油泥体积偏低约 30%35%。因此，提出在基于红外数据的估计值的基础上增加30%35%作为最终预测的油泥体积的解决方案。但是这种解决方案仅仅对于实验中的特定储罐有效，并没有广泛的适用性。图 6油泥三维图像刘健，等11 在 2020 年设计了一种用于常温储罐油泥检测的装置。在热成像储罐油泥检测技术的基础上加入了风冷系统、水冷系统以及温度检测系统，基于不同物质比热容不同的原理，通过向储罐喷水以及吹风，在水冷风冷双重冷却的作用下，使储罐表面温度短时间内快速下降。由于储罐内气体、液体和油泥 3 种介质的比热容值不同，温降也会不同，进而在罐壁表面呈现出一定的温度差，解决了热成像法无法检测常温储罐油泥的问题，结构如图 7 所示。油泥检测流程如下:a)对外壁进行喷水冷却，冷却的时间主要取决于储罐外表面温度变化速度，还与储罐大小、壁厚等因素存在一定关系。b)停止喷淋后启动风机冷却，将冷风吹在储罐表面，在带走水分的同时可以使储罐外表面快速降温。当温度传感器显示降温感度达到要求时(一般降温 5 以上)，关闭风机。c)开启红外成像仪，调整到合
