壓力容器氫致?lián)p傷的電磁超聲在役監(jiān)測

柴軍輝,陳定岳,沈永淼,嚴(yán)偉麗,王　杜,陳　虎

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院, 寧波 315020;2.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司, 寧波 315221)

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壓力容器氫致?lián)p傷的電磁超聲在役監(jiān)測

柴軍輝1,陳定岳1,沈永淼2,嚴(yán)偉麗2,王杜1,陳虎1

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院, 寧波 315020;2.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司, 寧波 315221)

針對濕硫化氫環(huán)境中壓力容器氫致?lián)p傷的在役監(jiān)測難點，采用電磁超聲波技術(shù)對其進(jìn)行在役監(jiān)測。對一臺使用評價后允許繼續(xù)服役的氫致?lián)p傷壓力容器進(jìn)行固定區(qū)域壁厚的電磁超聲在役監(jiān)測，兩次監(jiān)測結(jié)果表明:采用電磁超聲技術(shù)能夠滿足含氫致?lián)p傷壓力容器的在役監(jiān)測要求，可有效監(jiān)測氫致?lián)p傷的擴展情況，為缺陷診斷和使用評價后繼續(xù)服役的壓力容器的安全性評估提供依據(jù)。

電磁超聲；氫致?lián)p傷；在役監(jiān)測；濕硫化氫環(huán)境

在煉油裝置中廣泛存在濕硫化氫環(huán)境腐蝕，除了會造成過程設(shè)備的均勻腐蝕外，還會引起一系列與鋼滲氫有關(guān)的腐蝕開裂。一般認(rèn)為，濕硫化氫環(huán)境開裂主要有氫鼓泡(HB)、氫致開裂(HIC)、應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)四種氫致?lián)p傷模式。

宏觀氫致?lián)p傷目前還無有效的無損檢測手段，大部分氫致?lián)p傷是通過目視宏觀檢查及在超聲測厚發(fā)現(xiàn)可疑點后進(jìn)行后續(xù)密集測厚發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)前,對氫鼓泡及氫致開裂產(chǎn)生的原因分析較多，相應(yīng)的預(yù)防措施也有較多提及，但是在含氫致?lián)p傷壓力容器在役監(jiān)測方面的研究卻較少[1-3]。當(dāng)氫致?lián)p傷發(fā)展到肉眼都能觀察到的程度，說明設(shè)備早已瀕臨失效，因而存在重大安全隱患。此外由于石化裝置長周期運行和不停機檢驗的需求不斷增加，有時設(shè)備即使被發(fā)現(xiàn)存在濕硫化氫的損傷，但仍然需要“帶病”繼續(xù)服役一段時間，這時就可使用評價技術(shù)對損傷進(jìn)行安全評估，若結(jié)果為可以繼續(xù)監(jiān)控使用，則需要定期采用超聲波測厚等方式進(jìn)行缺陷擴展監(jiān)測。

因在裝置區(qū)進(jìn)行在役監(jiān)測時存在不能動火、打磨等條件的限制，加上容器或管道外壁有油漆層，表面還可能存在腐蝕凹坑，有的設(shè)備運行溫度超過50 ℃等條件限制，采用常規(guī)監(jiān)測手段如超聲波測厚儀和相控陣成像檢測均無法滿足氫致?lián)p傷設(shè)備的在役監(jiān)測要求。

筆者以某煉油企業(yè)加氫裂化裝置干氣脫硫吸收塔為對象，利用電磁超聲檢測技術(shù)對該塔實施在役條件下的氫致?lián)p傷擴展情況監(jiān)測，為石化裝置含氫致?lián)p傷設(shè)備提供了一種有效的現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)。

1　電磁超聲檢測原理

處于交變磁場中的金屬導(dǎo)體，其內(nèi)部將產(chǎn)生渦流，同時由于任何電流在磁場中受到洛倫茲力的作用，而金屬介質(zhì)在交變應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生應(yīng)力波，頻率在超聲波范圍內(nèi)的應(yīng)力波即為超聲波。與此相反，由于此效應(yīng)呈現(xiàn)可逆性，返回聲壓使質(zhì)點的振動在磁場作用下也會使渦流線圈兩端的電壓發(fā)生變化，因此可以通過接收裝置進(jìn)行接收并放大顯示。采用這種電磁耦合方法激勵和接收的超聲波稱為電磁超聲波。

電磁超聲檢測技術(shù)是一種基于電磁感應(yīng)原理的新型超聲波檢測技術(shù),在檢測過程中,無需耦合介質(zhì)就可實現(xiàn)高溫、帶油漆層等條件下的非接觸測厚和探傷,故在無損檢測領(lǐng)域越來越受到重視。相對于常規(guī)超聲波測厚儀，電磁超聲波檢測技術(shù)除了具有不用耦合劑非接觸檢測(最大提離高度可達(dá)5 mm)、能適應(yīng)較高環(huán)境溫度(可達(dá)600 ℃)等優(yōu)勢外，還具有可連續(xù)記錄測厚數(shù)據(jù)并實時成像的優(yōu)點，因而非常適合高溫環(huán)境且設(shè)備不停機狀態(tài)下的檢測及監(jiān)測。

2　氫致?lián)p傷設(shè)備情況

2013年9月，某煉油企業(yè)加氫裂化裝置干氣脫硫吸收塔在定期檢驗時，經(jīng)內(nèi)部宏觀檢查發(fā)現(xiàn)有兩個筒節(jié)存在大量氫鼓泡缺陷，分別為塔中部錐段以下的第一和第二個筒節(jié)。其中第一個筒節(jié)內(nèi)壁的氫鼓泡分布較多且鼓包深度范圍較大，鼓泡直徑為10～70 mm，相鄰鼓泡之間的距離為10 mm左右;經(jīng)超聲波測厚儀從內(nèi)壁測厚發(fā)現(xiàn)鼓泡的深度范圍在2.5～8.0 mm間，主要集中在4.0～7.5 mm間，部分內(nèi)壁鼓泡已產(chǎn)生明顯裂縫，如圖1所示。后切割該筒節(jié)鋼板再進(jìn)行滲透檢測發(fā)現(xiàn),其母材內(nèi)部存在大量傾斜裂紋或臺階狀裂紋，如圖2所示。第二個筒節(jié)內(nèi)壁的鼓泡分布較為均勻，且鼓泡直徑和深度范圍相對較小，直徑在10～35 mm間，相鄰鼓泡之間的距離為10 mm左右,深度范圍在2.0～6.0 mm間且主要集中在4.5～5.6 mm范圍。

圖1　干氣脫硫吸收塔第一筒節(jié)宏觀內(nèi)鼓泡圖片

圖2　干氣脫硫吸收塔第一筒節(jié)切割試件端面的滲透檢測結(jié)果

通過對該塔進(jìn)行RBI(基于風(fēng)險的檢驗)評估后,對該塔第一筒節(jié)的鼓包密集處進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方式為更換缺陷密集區(qū)域的板材及對部分分散區(qū)域的鼓包進(jìn)行挖補。第二個筒節(jié)為分布較為均勻的鼓包，且鼓包直徑和深度范圍較小，決定對該筒節(jié)的鼓包進(jìn)行泄壓處理，并對處理后的缺陷進(jìn)行合于使用評估(FFS)，評價結(jié)果為該設(shè)備可以繼續(xù)監(jiān)控使用，但在監(jiān)控使用期間需要定期檢測分層或氫致開裂(鋼板平行方向)的擴展情況。

3　電磁超聲在役監(jiān)測

3.1監(jiān)測儀器及方法

3.1.1監(jiān)測儀器

采用美國innerspec公司生產(chǎn)的PowerBox H型便攜式電磁超聲檢測儀，搭配直入射檢測線圈探頭以及滾輪式編碼器，可在線監(jiān)測塔壁厚度的變化，測厚數(shù)據(jù)可連續(xù)記錄且能進(jìn)行B、D掃描成像。

3.1.2監(jiān)測方法

第一個筒節(jié)已進(jìn)行修復(fù)處理，修復(fù)方法為更換缺陷密集區(qū)域的板材及對部分分散區(qū)域的鼓包進(jìn)行挖補。第二個筒節(jié)未進(jìn)行挖補，僅對發(fā)現(xiàn)的鼓包進(jìn)行泄壓處理。對第一筒節(jié)修復(fù)過的區(qū)域和第二筒節(jié)未修復(fù)的區(qū)域分別標(biāo)記為1#監(jiān)測區(qū)和2#監(jiān)測區(qū),如圖3所示。因該塔工作溫度較高，監(jiān)測部位的溫度已達(dá)到60 ℃，不利于采用相控陣C掃描方法進(jìn)行監(jiān)測，采用常規(guī)超聲測厚儀測厚無法獲得連續(xù)數(shù)據(jù)記錄，也無法成像。綜合考慮后采用電磁超聲檢測儀定期對兩塊監(jiān)測區(qū)進(jìn)行在役監(jiān)測。

圖3　1#與2#監(jiān)測區(qū)現(xiàn)場圖片

1#監(jiān)測區(qū)域為修復(fù)后的區(qū)域，大小為400 mm×200 mm×18 mm(長×寬×厚);其焊縫左側(cè)為更換的新板，公稱壁厚為18 mm;焊縫右側(cè)為未更換的舊板。2#監(jiān)測區(qū)域為未修復(fù)的區(qū)域，大小為200 mm×200 mm×18 mm(長×寬×厚);其焊縫上部為塔中部錐段以下第二個筒節(jié)的下部，存在內(nèi)壁密集均勻的小鼓包;焊縫下部為塔中部錐段以下的第三個筒節(jié)，其內(nèi)壁無肉眼可見的鼓包。

因直入射檢測線圈探頭可覆蓋的寬度為18 mm，故在y方向(上下方向)需要掃查10次以實現(xiàn)y軸方向上的全覆蓋。x方向(左右方向)上的全覆蓋由編碼器保證。先在每個監(jiān)測區(qū)域的塔壁上描繪出10條掃查軌跡，然后從上往下逐條掃查，記錄數(shù)據(jù)結(jié)果。分別于2013年11月8日(第一次監(jiān)測時間)和2014年7月17日(第二次監(jiān)測時間)對上述兩塊監(jiān)測區(qū)域分別采用電磁超聲檢測儀從塔外壁進(jìn)行在役監(jiān)測。

3.2監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.11#區(qū)域監(jiān)測結(jié)果

電磁超聲檢測儀在記錄測厚數(shù)據(jù)時從左往右每1 mm采集3個點的壁厚，整個監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)量非常大。為方便比較，取每1 mm處3個測厚數(shù)值的平均值，并選擇x軸方向上的部分整數(shù)節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。1#區(qū)域的第一次和第二次監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。因焊縫余高和編碼器滾輪的影響，表中x軸方向在20～140 mm范圍采集的數(shù)據(jù)為1#檢測區(qū)域中新板壁厚數(shù)據(jù)，160～400 mm范圍為舊板壁厚數(shù)據(jù);表中加粗?jǐn)?shù)據(jù)為壁厚異常數(shù)據(jù)。監(jiān)測時，該儀器實時掃描帶狀圖(PBH)(A掃+D掃成像)如圖4所示,圖中數(shù)據(jù)對應(yīng)表1中第二次監(jiān)測時的前兩條數(shù)據(jù)。

圖4　1#區(qū)域第二次監(jiān)測時前兩條數(shù)據(jù)的實時掃描帶狀圖

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，1#監(jiān)測區(qū)域的兩次監(jiān)測結(jié)果基本一致。焊縫左邊新板壁厚幾乎沒有變化，表明修復(fù)后更換的新板在監(jiān)控使用期間未出現(xiàn)新的氫致開裂損傷；焊縫右邊未更換的舊板部位，減薄區(qū)域范圍基本相同，減薄處壁厚變化很小。兩次監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的最小壁厚均能夠滿足使用性評價的最小計算壁厚要求。

3.2.22#區(qū)域監(jiān)測結(jié)果

2#監(jiān)測區(qū)域的第一次和第二次監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。表中y軸1～6次采集的數(shù)據(jù)為焊縫上部的壁厚數(shù)據(jù)，7～10次采集的數(shù)據(jù)為焊縫下部的壁厚數(shù)據(jù)，其中加粗?jǐn)?shù)據(jù)為壁厚異常數(shù)據(jù)。

表1　1#區(qū)域的兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2　2#區(qū)域的兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2(續(xù))

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，2#監(jiān)測區(qū)域的兩次監(jiān)測結(jié)果也基本一致。焊縫上部為塔中部錐段以下第二個筒節(jié)的下部，存在內(nèi)壁密集均勻的小鼓包，從兩次監(jiān)測的數(shù)據(jù)比較來看，其減薄區(qū)域范圍基本相同，減薄處壁厚變化很??；焊縫下部為塔中部錐段以下的第三個筒節(jié)，其內(nèi)壁無肉眼可見的鼓包，測厚數(shù)值也顯示其板內(nèi)幾乎沒有氫致開裂損傷存在。兩次監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的最小壁厚均能滿足使用性評價的最小計算壁厚要求。

該塔已于2014年11月作整體報廢更換處理，在一年多的監(jiān)控服役期間，未發(fā)生因氫致?lián)p傷擴展導(dǎo)致的設(shè)備失效安全事故。

4　結(jié)論

(1) 采用電磁超聲技術(shù)能夠滿足氫致?lián)p傷壓力容器的在役監(jiān)測要求，可有效監(jiān)測氫致?lián)p傷的擴展情況，為缺陷診斷和使用評價后繼續(xù)服役的安全性評估提供依據(jù)。

(2) 電磁超聲檢測儀讀數(shù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，定點測厚數(shù)據(jù)可靠，而且無需耦合劑，無需打磨處理表面，能適應(yīng)較高溫度，非常適合現(xiàn)場條件下氫致?lián)p傷設(shè)備的在役監(jiān)測。通過實時掃描帶狀圖PBH能夠直觀地分析減薄區(qū)域大小的變化以及厚度減薄情況,并以此來判斷濕硫化氫損傷的活性和嚴(yán)重程度。

[1]王勇, 李崇剛 .液化石油氣儲罐氫鼓包分析[J].石油化工設(shè)備,2009(4):30-33.

[2]趙正宏,楊克祥,王慶余,等.液化石油氣球罐內(nèi)壁鼓泡分析及防治措施[J].壓力容器,2001(5):64-66.

[3]王慶，馬池營，孫云華.硫化氫罐開裂失效分析[J].內(nèi)蒙古石油化工,2009(12):16-19.

In-service Monitoring for Hydrogen Induced Injury in Pressure Vessel Based on Electromagnetic Ultrasonic Technology

CHAI Jun-hui1, CHEN Ding-yue1, SHEN Yong-miao2, YAN Wei-li2, WANG Du1, CHEN Hu1

(1.Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315020, China；2.Sinopec Zhenhai Refining & Chemical Company, Ningbo 315221, China)

Due to the difficulties faced by in-service monitoring of the hydrogen induced injury for pressure vessel in the wet hydrogen sulfide environment, the electromagnetic ultrasonic technology was used to study. Electromagnetic ultrasonic technology was used to monitor the fixed area wall thickness of one hydrogen induced injury pressure vessel, which was allowed to continue service by safety evaluation. Two monitoring results showed that the electromagnetic ultrasonic technology could meet the requirement of in-service monitoring for hydrogen induced injury pressure vessel, and it could effectively monitor the hydrogen induced expansion of damage and provide the basis for defect diagnosis and service safety evaluation.

Electromagnetic ultrasonic; Hydrogen induced injury; In-service monitoring; Wet hydrogen sulfide environment

2015-05-28

國家質(zhì)檢總局科技計劃資助項目(2014QK172);中石化鎮(zhèn)海煉化分公司科研資助項目(2014KF002)

柴軍輝(1983-),男,本科,工程師,主要從事壓力容器,壓力管道的定期檢驗及無損檢測研究工作。

10.11973/wsjc201512002

TG115.28

A

1000-6656(2015)12-0005-05