換熱器管板聲發(fā)射在線檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法

張 穎，張盛瑀，戴 光，候曉峰，朱旭光

（1.東北石油大學(xué)，大慶 163318；2.中國(guó)石油 大慶石化公司，大慶 163000）

換熱器是石油化工生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其完整性對(duì)安全生產(chǎn)影響很大。由于換熱器的管板屬于多孔結(jié)構(gòu)，制造工藝（鍛造、鉆孔等）復(fù)雜，容易產(chǎn)生缺陷，且管板與換熱管連接通常采用焊接、脹接、脹焊并用等方式，連接質(zhì)量不易保證。同時(shí)由于其開(kāi)口數(shù)量大，強(qiáng)度削弱，在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，誘發(fā)嚴(yán)重事故。因此，如何在出廠前發(fā)現(xiàn)換熱器管板制造過(guò)程中產(chǎn)生的先天性缺陷，并做針對(duì)性的處理，對(duì)提高換熱器管板質(zhì)量及使用壽命具有很大的意義和價(jià)值［1－2］。目前，常規(guī)檢測(cè)方法無(wú)法保證檢測(cè)元件與管板具有良好的接觸耦合，無(wú)法保證檢測(cè)效果。聲發(fā)射檢測(cè)作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，以其動(dòng)態(tài)特性、整體性、實(shí)時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，在壓力容器的制造質(zhì)量驗(yàn)證、在役檢驗(yàn)和在線監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用［3－4］。針對(duì)換熱器管板的檢測(cè)問(wèn)題，筆者確定使用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，使用專(zhuān)用波導(dǎo)桿，保證傳感器與換熱管的良好接觸耦合。通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型換熱器管板進(jìn)行的聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)及分析，制定了管殼式換熱器管板的聲發(fā)射檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法。以下結(jié)合6臺(tái)新制換熱器管板的聲發(fā)射檢測(cè)與評(píng)價(jià)過(guò)程，對(duì)這一方法進(jìn)行介紹。

1 換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)方法

1.1 換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射檢測(cè)是指材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形與裂紋擴(kuò)展形成聲發(fā)射源發(fā)出彈性波，經(jīng)介質(zhì)傳播到達(dá)被檢物體表面，引起表面的機(jī)械振動(dòng)。經(jīng)過(guò)聲發(fā)射傳感器將表面的瞬態(tài)位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。聲發(fā)射信號(hào)再經(jīng)放大、處理后，形成其特性參數(shù)，并被記錄與顯示。最后，經(jīng)數(shù)據(jù)的解釋評(píng)定出聲發(fā)射源的特性。圖1表示了聲發(fā)射檢測(cè)的原理。

圖1 聲發(fā)射技術(shù)基本原理

針對(duì)換熱器管板的特殊結(jié)構(gòu)和特殊檢測(cè)條件，決定在殼程水壓試驗(yàn)條件下，對(duì)換熱器管板及管板與換熱管連接處進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)。如果管板或管板與換熱管連接處存在缺陷，在壓力作用下缺陷會(huì)發(fā)生變形或開(kāi)裂，產(chǎn)生彈性波并發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)。借助插入換熱管中的波導(dǎo)桿，傳感器可以接收聲發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)儀分析處理，即可確定缺陷的位置和嚴(yán)重程度，確定管板的質(zhì)量。

1.2 換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

在利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)換熱器管板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要注意如下關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）由于管板多孔結(jié)構(gòu)對(duì)聲發(fā)射波傳播的影響，為保證彈性波的傳播，避免局部幾何不連續(xù)帶來(lái)的影響，需使用專(zhuān)用的波導(dǎo)桿插入到換熱管中。用磁座將傳感器固定在波導(dǎo)桿上，各接觸面使用耦合劑，通過(guò)這種連接方式保證彈性波的傳播，提高傳感器的接收效果。

（2）由于換熱器管板的結(jié)構(gòu)特殊，其開(kāi)孔數(shù)量大，聲發(fā)射信號(hào)傳播衰減明顯，需預(yù)先進(jìn)行衰減測(cè)量。結(jié)合管板上換熱管分布情況，確定傳感器最大間距，同時(shí)制定傳感器布置方案。傳感器布置方案需滿足采用區(qū)域定位方法時(shí)，可保證對(duì)整個(gè)換熱器管板全部覆蓋。

（3）檢測(cè)需在殼程水壓試驗(yàn)加載狀態(tài)下進(jìn)行，最高試驗(yàn)壓力為換熱器殼程的水壓試驗(yàn)壓力，要求采用二次加載保載方式，升壓過(guò)程盡量平穩(wěn)，升壓速度不應(yīng)大于0.5MPa／min，且每次保載時(shí)間不少于10min。

（4）其它檢測(cè)步驟參照 NB／T 47013.9－2012《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第9部分 聲發(fā)射檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 換熱器管板質(zhì)量的聲發(fā)射評(píng)價(jià)方法

通過(guò)對(duì)多臺(tái)不同類(lèi)型的換熱器管板進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)，并根據(jù) NB／T 47013.9－2012與JB／T 10764－2007《常壓金屬儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法》標(biāo)準(zhǔn)，建立換熱器管板質(zhì)量聲發(fā)射評(píng)價(jià)方法。該評(píng)價(jià)方法根據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)區(qū)域定位結(jié)果及參量分析方法，綜合考慮聲發(fā)射信號(hào)的活性和強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)換熱器管板質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

2.1 聲發(fā)射信號(hào)活性分級(jí)

聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)中的撞擊計(jì)數(shù)是系統(tǒng)對(duì)撞擊的累計(jì)計(jì)數(shù)，它反映聲發(fā)射活動(dòng)的總量和頻度，常用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià)。如表1所示，在對(duì)換熱器管板進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需綜合考慮一次、二次加載最高壓力保載階段的撞擊數(shù)，確定聲發(fā)射信號(hào)的活性等級(jí)。Hi表示保壓階段每一通道的聲發(fā)射撞擊數(shù)；HH表示保壓階段所有通道聲發(fā)射撞擊總數(shù)；CHH表示本次檢測(cè)所用的聲發(fā)射通道總數(shù)；m，n值由試驗(yàn)確定，根據(jù)目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定m＝5；n＝10。

表1 聲發(fā)射信號(hào)活性劃分

2.2 聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度分級(jí)

聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度可用能量、幅值或計(jì)數(shù)參數(shù)來(lái)表示，如表2所示。幅值是指事件波形的最大幅值，不受門(mén)檻的影響，直接決定事件的可測(cè)性。在對(duì)換熱器管板進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，采取聲發(fā)射信號(hào)幅值參數(shù)表示強(qiáng)度，并根據(jù)區(qū)域定位所得信號(hào)的平均幅值確定聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度等級(jí)。表中，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度Q可用幅值、能量或計(jì)數(shù)參數(shù)表示，本方法暫定為用幅值表示。a，b值由試驗(yàn)確定，并需通過(guò)具體結(jié)構(gòu)衰減測(cè)量曲線修正。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，暫定a＝50dB；b＝60dB。

表2 聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度劃分

2.3 聲發(fā)射信號(hào)綜合等級(jí)評(píng)定及管板質(zhì)量劃分

綜合考慮聲發(fā)射信號(hào)的活性和強(qiáng)度指標(biāo)，確定聲發(fā)射信號(hào)的綜合等級(jí)共分4級(jí)。根據(jù)檢測(cè)評(píng)價(jià)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，在確定換熱器管板聲發(fā)射信號(hào)綜合等級(jí)時(shí)，需優(yōu)先考慮聲發(fā)射信號(hào)的活性指標(biāo)，如表3所示。

表3 聲發(fā)射信號(hào)的綜合等級(jí)劃分

根據(jù)表3劃分的聲發(fā)射信號(hào)綜合等級(jí)，確定換熱器管板質(zhì)量劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。管板質(zhì)量主要包括管板本身的制造質(zhì)量（對(duì)于復(fù)合板尤為重要）和管子與管板間的脹（焊）接質(zhì)量。

表4 管板質(zhì)量劃分

3 換熱器管板聲發(fā)射在線檢測(cè)及評(píng)價(jià)實(shí)例

利用建立的換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，對(duì)某廠6臺(tái)新制換熱器管板進(jìn)行水壓試驗(yàn)下的聲發(fā)射在線檢測(cè)及評(píng)價(jià)?，F(xiàn)以換熱器（E－335C）為例，說(shuō)明檢測(cè)及評(píng)價(jià)過(guò)程。

3.1 換熱器（E－335C）聲發(fā)射檢測(cè)及評(píng)價(jià)

3.1.1 換熱器E－335C及管板基本資料

設(shè)計(jì)壓力2.68MPa；試驗(yàn)壓力4.51MPa；管板規(guī)格尺寸 BES1200－4.0－400－6／25－2I；材質(zhì)16Mn＋06Cr13AL＋堆焊（固定管板）。

3.1.2 E－335C換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程

（1）采用美國(guó)PAC公司制造的SAMOS－32通道聲發(fā)射檢測(cè)儀，傳感器型號(hào)為R15，共振頻率為150kHz，設(shè)置門(mén)檻值為40dB，增益為30dB。

（2）根據(jù)E－335C換熱器管板尺寸、換熱管數(shù)量及分布情況（BES1200－4.0－400－6／25－2I），通過(guò)預(yù)先進(jìn)行的衰減測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用區(qū)域定位方法，制定傳感器布點(diǎn)圖。在換熱器管板各布點(diǎn)位置安裝插入換熱管中的專(zhuān)用波導(dǎo)桿，在波導(dǎo)桿端部安裝面打磨出見(jiàn)金屬光澤的區(qū)域，利用磁座將傳感器固定在波導(dǎo)桿上，傳感器通過(guò)波導(dǎo)桿與換熱器管板連接。傳感器布置示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器布置

（3）各通道連接完成后，設(shè)置采集程序，對(duì)各通道進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，使各通道靈敏度與平均靈敏度之差小于3dB。

（4）按水壓試驗(yàn)加載曲線加載并同時(shí)開(kāi)始聲發(fā)射系統(tǒng)采集。E－335C換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)加載曲線圖見(jiàn)圖3。

圖3 E－335C換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)加載曲線

（5）加載過(guò)程中與加載人員保持聯(lián)系，若發(fā)現(xiàn)持續(xù)增加的幅值較大的信號(hào)，應(yīng)及時(shí)停止加載或卸載，采用其他常規(guī)方法對(duì)該部位復(fù)驗(yàn)，根據(jù)復(fù)驗(yàn)結(jié)果決定是否繼續(xù)試驗(yàn)。若確認(rèn)為密封面泄漏或其它干擾信號(hào)造成，則排除后可繼續(xù)加壓監(jiān)測(cè)。加載結(jié)束后，再次標(biāo)定各通道，以確認(rèn)各通道在加載期間均正常。

3.1.3 E－335C換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果分析與評(píng)定

對(duì)E－335C換熱器管板各加載階段保壓過(guò)程的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了事后處理和分析，包括特征參數(shù)分析、相關(guān)性分析和區(qū)域定位分析。圖4～5為主要一次、二次加載最高壓力保載階段的區(qū)域定位圖及部分特征參數(shù)相關(guān)分析圖。表5為E－335C換熱器聲發(fā)射檢測(cè)一次、二次加載最高壓力保載數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

圖4 第一次加載4.51MPa保壓階段聲發(fā)射參量相關(guān)圖

表5 E－335C換熱器聲發(fā)射檢測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

利用前述的換熱器管板聲發(fā)射評(píng)價(jià)方法，對(duì)換熱器（E－335C）固定管板聲發(fā)射檢測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，由表5和圖5的分析結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

圖5 第二次加載4.4MPa保壓階段聲發(fā)射參量相關(guān)圖

（1）第一次加載4.51MPa保壓階段聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度為低強(qiáng)度，聲發(fā)射信號(hào)活性為弱活性，管板質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

（2）第二次加載4.4MPa保壓階段聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度為低強(qiáng)度，聲發(fā)射信號(hào)活性為弱活性，管板質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

（3）綜合考慮第一次加載最高試驗(yàn)壓力4.51MPa保壓和第二次加載4.4MPa保壓階段聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和活性等級(jí)，確定該換熱器管板聲發(fā)射評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，管板質(zhì)量好。

3.2 6臺(tái)換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果

利用上述方法對(duì)某石化機(jī)械廠生產(chǎn)的其余5臺(tái)換熱器管板進(jìn)行了出廠前的聲發(fā)射檢測(cè)，換熱器管板檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果匯總于表6。檢測(cè)的6臺(tái)換熱器管板，Ⅰ級(jí)共4臺(tái)，Ⅱ級(jí)共2臺(tái)，管板質(zhì)量均滿足使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)多孔形換熱器管板及管板與換熱管連接的質(zhì)量問(wèn)題，提出聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)方案。借助專(zhuān)用波導(dǎo)桿，采用區(qū)域定位方法，通過(guò)殼程水壓試驗(yàn)二次加載方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱器管板的檢測(cè)。

（2）根據(jù)多臺(tái)換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)，并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定換熱器管板質(zhì)量的聲發(fā)射評(píng)價(jià)方法。該方法綜合考慮一次和二次加載最高壓力保載階段聲發(fā)射信號(hào)的活性和強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)，確定聲發(fā)射信號(hào)的綜合等級(jí)，并據(jù)此對(duì)換熱器管板進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)與評(píng)價(jià)。

表6 6臺(tái)換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果

（3）利用建立的換熱器管板聲發(fā)射檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法，對(duì)某石化機(jī)械廠6臺(tái)換熱器進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)，其中4臺(tái)管板等級(jí)為Ⅰ級(jí)，2臺(tái)為Ⅱ級(jí)，管板質(zhì)量均滿足使用要求。

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