基于磁致伸縮的常壓爐爐管腐蝕導(dǎo)波檢測分析

高 超 劉紫鋮 范希磊

（1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司；2.中石油管道有限責(zé)任公司西部甘肅輸油氣分公司）

常減壓蒸餾作為煉油廠對原油處理的第1道工序，通過對原油進行脫鹽、脫水和常（減）壓蒸餾，分層次將原油中的雜質(zhì)組分和不同沸點的產(chǎn)品分離出來。 常減壓蒸餾裝置作為原油處理的首道工序裝備，會受到原油中各種組分（包括雜質(zhì)）的影響，尤其是在超高溫和超高壓工況下運行的常壓爐爐管，管段較長、排列密集且受熱面積較大， 因而難免會導(dǎo)致不同程度的損傷或失效，雖然常規(guī)的檢驗檢測方式能夠發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，但效率低且漏檢率高［1］。 為此，筆者采用一種高效的檢驗檢測方式對常壓爐爐管腐蝕進行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 基于磁致伸縮的低頻超聲導(dǎo)波技術(shù)

鐵磁性材料由于外加磁場的變化，其物理長度和體積都要發(fā)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)；激發(fā)導(dǎo)波時，微觀粒子——磁疇在外加磁場的作用下按照一定方向運動，產(chǎn)生的彈性機械波被耦合到管道上進行傳播，當(dāng)遇到能引起橫截面變化的缺陷時將有一部分波被反射回來，回傳到探頭位置附近時會引發(fā)探頭鐵鈷帶磁場的變化，并被探頭記錄，檢測人員對變化信號加以分析就可得到所測管道的狀態(tài)［2］。

圖1 所示的是導(dǎo)波與常規(guī)超聲波檢測原理的對比。 應(yīng)用導(dǎo)波技術(shù)的關(guān)鍵是正確選擇導(dǎo)波模式和頻率，并控制其傳播方向，就可保證導(dǎo)波從傳感器位置沿著裝置傳播瞬間完成長距離管道100%檢測［3］。

圖1 導(dǎo)波與常規(guī)超聲波檢測原理對比

2 常壓爐爐管概況

南充煉油化工總廠常減壓蒸餾裝置的常壓爐爐管基本參數(shù)如下：

規(guī)格 φ152mm×8mm

材料 20g

工作介質(zhì) 脫鹽原油

加熱方式 輻射式

操作溫度 350℃

操作壓力 3.6MPa

爐管的外表面受到高溫加熱，而爐管的內(nèi)表面受到原油中無法脫除的硫、 氫等元素作用，逐漸形成外壁氧化和內(nèi)外壁的均勻腐蝕。 對此，一般采用常規(guī)的技術(shù)手段進行檢驗， 包括宏觀檢查、內(nèi)窺鏡檢測、超聲波測厚和金相分析。 這種常規(guī)的手段能達到局部抽查的目的，判斷爐管上產(chǎn)生的均勻腐蝕或者銹蝕程度基本一致的連續(xù)腐蝕較為準(zhǔn)確和全面。 但是，如果爐管發(fā)生局部窄深腐蝕或者嚴(yán)重程度大小不一的腐蝕，且爐膛內(nèi)爐管繞線距離很長，為了能在較短的時間內(nèi)做出較為準(zhǔn)確的判斷，就必須采用基于磁致伸縮的低頻超聲導(dǎo)波技術(shù)， 并配合常規(guī)技術(shù)復(fù)驗的方式，對整個爐膛內(nèi)所有爐管的腐蝕情況進行全面檢測。

3 檢驗檢測分析

3.1 宏觀檢查

針對常減壓裝置的常壓爐爐管，由于經(jīng)過脫鹽脫水和初餾處理的原油，在進入爐管之前還會殘余元素硫、硫化氫及硫醇等活性硫化物和一定量的環(huán)烷酸等雜質(zhì)，而且爐管外壁長期處于較高的環(huán)境溫度中，容易受到各種各樣的無機和有機的化學(xué)作用、內(nèi)外溫差的物理作用和介質(zhì)湍流對構(gòu)件部件的擾動破壞作用，所以首先在其宏觀上常常表現(xiàn)出一些可以通過觀察來初步確定其狀態(tài)的特征。 因此，根據(jù)由外及內(nèi)原則，采用目視檢查和內(nèi)窺鏡檢測的方法進行初步分析。

經(jīng)過目視檢查爐管外壁發(fā)現(xiàn)，多根爐管外壁存在不同程度的腐蝕，以其中腐蝕較為嚴(yán)重的第24 根爐管為例，其宏觀形貌圖如圖2 所示。同樣，對該爐管內(nèi)壁內(nèi)窺鏡檢測的宏觀形貌如圖3 所示。

圖2 爐管外壁目視檢查宏觀形貌

圖3 爐管內(nèi)壁內(nèi)窺鏡檢測宏觀形貌

根據(jù)目視外壁檢查和內(nèi)窺鏡內(nèi)壁檢測的結(jié)果，爐管外壁和內(nèi)壁都存在腐蝕，但腐蝕程度的大小和分布具有不確定性。針對常壓爐爐膛內(nèi)48根爐管，逐根在各個部位進行檢驗，不僅檢測效率低，而且也不能保證無漏檢。

3.2 低頻超聲導(dǎo)波檢測

采用低頻超聲導(dǎo)波技術(shù)可對常壓爐爐膛內(nèi)所有的48 根爐管進行全面檢測。 根據(jù)爐管管徑和周長剪切相應(yīng)長度的鐵鈷帶，接口空開3cm 間距進行磁化， 磁化后與管道通過耦合劑緊密接觸， 鐵鈷帶上貼合有帶狀線圈用于連接適配器，適配器（中心頻率為128kHz）和探頭的布置如圖4 所示，連接數(shù)據(jù)線和電纜線，打開儀器進行信號的采集和保存。

圖4 低頻超聲導(dǎo)波檢測時適配器和探頭布置現(xiàn)場

低頻超聲導(dǎo)波檢測發(fā)現(xiàn)，常壓爐爐管整體大面積腐蝕減薄最為嚴(yán)重的共有10 根， 分別為第18 根、第23 根、第24 根、第25 根、第26 根、第30 根、第31 根、第32 根、第33 根和第36 根，常壓爐爐管局部大面積腐蝕減薄和局部孤立腐蝕坑點 （管束整體占橫截面積3%以上腐蝕缺陷和管束整體未占橫截面積2%以下腐蝕缺陷） 的共有30 根。 因篇幅所限，筆者僅就第24 根爐管腐蝕狀況進行分析。

對第24 根爐管進行適配器和探頭的布置，選用128kHz 頻率的超聲波作為該爐管的檢測頻率， 檢測信號經(jīng)采集分析后形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖5、6 所示。

參考點探頭距離下部負(fù)方向彎頭焊縫1.16m，由圖5 所示的波形變化可以看出，管束整體噪音水平增高， 存在大面積腐蝕減薄缺陷，使導(dǎo)波傳播衰減得比較嚴(yán)重，導(dǎo)致正方向無管端反射回波信號。

圖5 第24 根爐管低頻超聲導(dǎo)波檢測信號曲線

圖6 第24 根爐管低頻超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)

3.3 常規(guī)超聲波測厚復(fù)驗

采用常規(guī)超聲波厚度測定進行復(fù)驗，分析第24 根爐管的腐蝕減薄是否屬于管壁金屬結(jié)構(gòu)層的銹蝕減薄，以排除爐管內(nèi)壁可能存在的積垢或者其他影響因素造成的干擾。 經(jīng)現(xiàn)場復(fù)驗第24根爐管壁最薄處2mm（原始壁厚為8mm），驗證了該爐管確實存在嚴(yán)重通體腐蝕。

按同樣的方法對爐膛內(nèi)其他受腐蝕的爐管進行復(fù)驗，確定為腐蝕嚴(yán)重的管線逐一進行更換后，常壓爐得以正常服役，這是該常減壓蒸餾裝置長周期安全運行的基本保障。

4 結(jié)束語

南充煉油化工總廠常減壓蒸餾裝置的常壓爐爐管在超高溫超高壓環(huán)境下，主要受到脫鹽原油殘留的硫、氫等元素作用，造成輻射管段外壁氧化和內(nèi)外壁的均勻腐蝕。 日常監(jiān)測常壓爐爐管介質(zhì)中硫、氫元素的含量并加以控制，從源頭上防止高溫高壓環(huán)境下硫、氫元素形成的濕硫化氫對爐管的應(yīng)力腐蝕。

常規(guī)的手段不能有效檢測設(shè)備受環(huán)境腐蝕的部位， 漏檢最終會導(dǎo)致局部窄深型腐蝕的擴展和全面腐蝕。 根據(jù)常減壓蒸餾裝置常壓爐爐管的工藝特點和損傷模式， 選擇高效的且有針對性的檢驗檢測手段——低頻超聲導(dǎo)波檢測+常規(guī)超聲波測厚復(fù)驗， 以提高檢出率和降低漏檢率。