IRIS技術(shù)在在役換熱管束檢測中的應(yīng)用*

呂 馳

(中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

換熱設(shè)備在石油化工等行業(yè)占有重要地位，但在運行期間換熱管束容易出現(xiàn)泄漏故障。對于在役換熱器無損檢測方面，除了射線、磁粉、滲透、著色四大無損檢測方法外，近幾年又相繼出現(xiàn)了一些新的專用無損檢測新技術(shù)，使以前在裝置停車大修時不能檢測的設(shè)備或部位，有了相應(yīng)的檢測技術(shù)手段。

對于新制造換熱管束的檢測，目前可以采用漏磁和渦流等檢測方法，技術(shù)較為成熟，檢測難度較低。對于在役換熱管束的檢測，由于管束形式較多(光管、翅片管、釘頭管)、內(nèi)壁結(jié)垢以及現(xiàn)場檢測條件惡劣等因素的制約，目前只有采用內(nèi)窺鏡及渦流測厚技術(shù)來檢測，但內(nèi)窺鏡一般只能觀察到管束內(nèi)表面狀態(tài)并且會受到管束內(nèi)壁的光潔度的影響。渦流檢測一般采用內(nèi)穿過式差分探頭，通過樣管與被檢管束信號比對來確定被檢管束厚度變化，受管束材質(zhì)、缺陷形狀等因素影響較大，并且由于翅片管、釘頭管外壁附著翅片及釘頭，渦流檢測效果較差。而旋轉(zhuǎn)超聲檢測技術(shù)(IRIS)的出現(xiàn)，解決了在役換熱管束檢測的難題，可以在檢修過程中對換熱管束進(jìn)行檢測，了解在役換熱管束的腐蝕狀態(tài)、剩余壁厚及內(nèi)部缺陷。

1 IRIS檢測原理及適用范圍

1.1 IRIS檢測原理

反射鏡連接著水渦輪，水泵產(chǎn)生的高壓水使水渦輪360°持續(xù)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周就可以檢測一圈管子壁厚，探頭移動，超聲波以螺旋形式掃描管壁每一點的壁厚，就可以了解整根管子的情況，其原理示意見圖1。

圖1 IRIS檢測原理示意

IRIS檢測可以認(rèn)為是水浸超聲的一種，IRIS可以檢測鐵磁性、非鐵磁性、非金屬材料，不受材料電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率的影響，能精確測量管子的內(nèi)徑及壁厚，能提供管子腐蝕減薄的準(zhǔn)確位置，能實時顯示管子橫截面圖(B掃描)、管壁展開圖(C掃描)以及管子縱向截面圖(D掃描)，見圖2。

圖2 成像效果示意

1.2 適用范圍

IRIS檢測適用于直徑為φ13～75 mm、壁厚為1～20 mm的金屬管和非金屬管的檢測，對管束的形式?jīng)]有特殊要求，適用于常見的光管、翅片管以及釘頭管。

2 實際應(yīng)用

2.1 某蠟油加氫裝置換熱器管束檢測

某蠟油加氫裝置E-103換熱器，內(nèi)部介質(zhì)為石腦油、氫氣以及硫化氫，壓力為12 MPa，溫度為208 ℃。該換熱器為U型管式換熱器，材質(zhì)為合金825，規(guī)格為φ19 mm×2 mm，單程長度為7 m。

由于在運行過程中發(fā)現(xiàn)該換熱器管束發(fā)生泄漏，常用的檢測手段無法確定管束泄漏的具體位置，故使用IRIS檢測技術(shù)進(jìn)行抽檢，抽檢起始比例定為10%，但在檢測過程中發(fā)現(xiàn)管束存在減薄現(xiàn)象，故擴(kuò)大檢驗比例，最終抽檢了30%的管束(見圖3)。

零工經(jīng)濟(jì)(Gig Economy)中的零工(Gig)原意是指臨時工，是一些勞動者無法獲得正式工作，只能從事一些臨時性工作[1]。由于產(chǎn)業(yè)的周期性以及季節(jié)的周期性，有些工作并長期不雇傭勞動力，往往是需要的時候才雇傭工人，此時就會出現(xiàn)大量勞動力以團(tuán)隊形式暫時的集聚于某一地方或某一產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)象，例如農(nóng)民工[2,3]。由這種臨時工所形成的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象被稱為零工經(jīng)濟(jì)。改革開放以來，我國的很多城市中都出現(xiàn)過這種“零工”現(xiàn)象。

圖3 檢測部位及減薄比例示意圖

該次共抽檢357根管子，發(fā)現(xiàn)大部分管子存在5%～20%的壁厚減薄，其中編號為5-13的管子減薄最為嚴(yán)重，距管口200 mm處剩余壁厚僅為0.79 mm，減薄比例為60%(檢測圖譜見圖4)。圖4中黑色部位為信號缺失部位，缺失的原因為內(nèi)壁清洗不凈，圖4中紅色部位為減薄部位，最終對于減薄較為嚴(yán)重的管子進(jìn)行了堵管處理。

圖4 減薄部位檢測圖譜

2.2 某常減壓蒸餾裝置空冷器管束檢測

某常減壓蒸餾裝置A101空冷器，內(nèi)部介質(zhì)為常頂油氣；壓力為0.095 MPa；進(jìn)口溫度為107 ℃，出口溫度為50～70 ℃；空冷器換熱管材質(zhì)為09Cr2AlMoRE，規(guī)格為φ25×2.5 mm，長度為9 m，換熱管束形式為翅片管。

在運行過程中發(fā)現(xiàn)該空冷器管束發(fā)生泄漏，并且由于空冷器管束管口部位被管箱遮擋，常用的檢測手段不能進(jìn)行檢測，故采用IRIS檢測技術(shù)進(jìn)行抽檢，以便于掌握其余管束腐蝕狀態(tài)以及剩余壁厚。由于現(xiàn)場條件以及空冷器結(jié)構(gòu)限制，本次抽檢只針對部分管箱已開絲堵部位的16根管子(檢測部位現(xiàn)場圖見圖5)。

圖5 A101空冷器檢測部位

經(jīng)過對檢測信號進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)所檢測管束均存在腐蝕，平均減薄量在25%左右。上兩排(B和C)管束腐蝕大多分布在北側(cè)，最大減薄量為60%(出現(xiàn)在B4管束，檢測圖譜見圖6)，剩余壁厚為1 mm。下兩排(D和E)管束大部分為整根斷續(xù)腐蝕，最大減薄量為36%(出現(xiàn)在D3管束)，剩余壁厚為1.59 mm。

圖6 減薄部位圖譜

本次檢測由于管內(nèi)壁未清洗，對檢測結(jié)果有一定影響，檢測的結(jié)果與實際腐蝕減薄會存在一定的誤差，每根管子檢測圖譜有效數(shù)據(jù)為30%～70%之間(圖譜中除黑色部位外的區(qū)域)。在檢測過程中，為了尋找更好的檢測信號每根管子均檢測5遍，最終對腐蝕較為嚴(yán)重的管束進(jìn)行了堵管處理。

3 IRIS檢測現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果分析

3.1 在役換熱管束IRIS檢測的優(yōu)缺點

通過對以上檢測案例的過程以及結(jié)果進(jìn)行分析，可知IRIS檢測技術(shù)對于在役換熱器管束檢測有以下優(yōu)缺點。

3.1.1 優(yōu) 點

(1)對在役換熱器管束的檢測工作都是在裝置一個運行周期之內(nèi)的檢修工作中進(jìn)行的，一般情況下不會進(jìn)行規(guī)模較大的設(shè)備拆解工作，IRIS在檢測過程中只需要打開換熱器的管箱或者空冷器的絲堵就可進(jìn)行檢測工作，對現(xiàn)場正常的檢修工作影響不大。

(2)常規(guī)無損檢測方法往往只能對裸露在外側(cè)的管束進(jìn)行檢測，而IRIS檢測技術(shù)可以對管束的任何部位進(jìn)行檢測，并且實時得出具體的測厚數(shù)值以及壁厚分布圖，可以直觀地顯示出管束內(nèi)部的腐蝕情況。

(3)IRIS檢測技術(shù)可以通過更換探頭來適用于目前絕大部分不同規(guī)格的換熱器管束的檢測，并且對于材質(zhì)以及管束形式?jīng)]有特殊的要求(在已知材料聲速的前提下)，適用性較為廣泛。

(4)檢測效率較高，在管束內(nèi)壁清潔度達(dá)到要求的前提下，檢測速度可以達(dá)到40 mm/s左右，并且由于配備了柔性探頭，故對于U型管換熱器一次即可對整根管束進(jìn)行檢測。

(5)檢測圖譜可以保存，檢測結(jié)果具有可追溯性。

3.1.2 缺 點

(1)現(xiàn)場準(zhǔn)備工作較多，需配備220 V電源以及不間斷水源等。

(2)為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對換熱器管束內(nèi)部清潔度要求較高，往往需要多次對管束進(jìn)行清洗。

3.1.3 注意事項

(1)在檢測之前應(yīng)多次清洗換熱管束，避免由于管束內(nèi)壁不清潔而引起的檢測信號大面積缺失的現(xiàn)象，影響檢測效率及靈敏度。

(2)現(xiàn)場耦合用水不能采用脫離子水以及脫鹽水，應(yīng)采用消防水或者工業(yè)水，避免由于水質(zhì)的原因引起的檢測問題。

(3)由于儀器目前未配備移動電源，現(xiàn)場應(yīng)配備220 V電源。

通過分析以上優(yōu)缺點，可知IRIS檢測技術(shù)可以作為一種檢測手段應(yīng)用于在役換熱器管束的腐蝕檢測，具有良好的實用性。

3.2 在役換熱管束IRIS檢測的準(zhǔn)確性

通過分析以上案例，IRIS檢測發(fā)現(xiàn)了局部腐蝕、均勻腐蝕以及點蝕這三種類型的缺陷，并且發(fā)現(xiàn)了最高腐蝕比例為60%的局部腐蝕缺陷。針對已經(jīng)發(fā)生泄漏的A-101空冷進(jìn)行腐蝕原因分析，發(fā)現(xiàn)管束中的介質(zhì)含有硫化氫和水，硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2 000 μg/g。通過露點計算，該部位的露點溫度應(yīng)略高于90 ℃，實際換熱管束運行的溫度僅為10 ℃，并且有資料記載露點位置pH值為2.0～3.0，說明該空冷器管束內(nèi)發(fā)生露點腐蝕。

IRIS檢測的結(jié)果為所檢測管束均存在平均減薄為25%～36%，最大減薄為60%，分析認(rèn)為，IRIS檢測結(jié)果符合現(xiàn)場實際情況，具有良好的準(zhǔn)確性。

由于IRIS檢測為水浸法超聲檢測，因此在保證管束內(nèi)部清潔度以及探頭與管束的同心度的前提下，其測厚數(shù)據(jù)可以達(dá)到常規(guī)測厚儀的靈敏度(±0.1 mm)，檢測數(shù)據(jù)精度較好。

3.3 在役換熱管束IRIS檢測的適用性

IRIS檢測技術(shù)適用于管徑為φ13～75 mm、壁厚為1～20 mm的金屬管和非金屬管，并且在檢測探頭等硬件條件允許的情況下，也可適用于更大管徑以及壁厚的管束檢測工作。與渦流、漏磁等檢測方法相比較，IRIS檢測技術(shù)對于管束形式?jīng)]有特殊要求，適用于光管、翅片管以及釘頭管的檢測。

IRIS檢測對于U型管換熱器管束檢測效率高，而且由于配備了柔性探頭，可以適用于一些常規(guī)檢測手段不易檢測的部位及設(shè)備(例如管束彎頭以及帶管箱的空冷器內(nèi)部管束等)，并且IRIS檢測不局限于換熱器或者空冷器管束的檢測，對于其他設(shè)備內(nèi)部管束均具有良好的適用性。

4 結(jié) 論

(1)IRIS檢測技術(shù)優(yōu)點明顯，但對于現(xiàn)場管束內(nèi)壁清潔程度以及檢測用水質(zhì)有一定的要求。

(2)IRIS檢測技術(shù)具有較高的檢測靈敏度，可以發(fā)現(xiàn)管束腐蝕狀態(tài)、剩余壁厚和內(nèi)部缺陷，檢測結(jié)果可信度以及準(zhǔn)確性較高。

(3)IRIS檢測技術(shù)使用范圍較廣，對于管束的材質(zhì)沒有特殊要求，可以作為一種常規(guī)檢測手段應(yīng)用于現(xiàn)場在役換熱管束的腐蝕檢測及泄漏點的查找等工作，并且不局限于換熱管束的檢測工作，也可推廣用于其他設(shè)備內(nèi)部管束的檢測工作。

(4)該技術(shù)對于在役換熱管束檢測具有較高的準(zhǔn)確性以及廣泛適用性等特點，建議將該技術(shù)作為石化裝置大修中換熱管束檢測的主要手段進(jìn)行應(yīng)用。