電磁超聲測(cè)厚技術(shù)在催化重整裝置檢驗(yàn)中的應(yīng)用

張 鈺，王 浩，高 尚，高文俊

（1.中國(guó)石油蘭州石化公司 煉油運(yùn)行一部，甘肅 蘭州 730060；2.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，甘肅 蘭州 730000）

催化重整是連接煉油和化工裝置的重要橋梁，是煉油化工的重要工藝過(guò)程。在加熱、氫壓和催化劑存在的反應(yīng)條件下，催化重整使原油蒸餾所得的輕汽油餾分（或石腦油）轉(zhuǎn)變成富含芳烴的高辛烷值汽油（重整汽油），并副產(chǎn)液化石油氣和氫氣，重整汽油可直接用作汽油的調(diào)和組分，也可經(jīng)芳烴抽提制取苯、甲苯、二甲苯。副產(chǎn)的氫氣是石油煉廠加氫裝置（如加氫精制、加氫裂化）用氫的重要來(lái)源（如圖1所示）。

圖1 催化重整流程圖

催化重整裝置包含鍋爐、壓力容器、壓力管道及其附屬安全附件、安全保護(hù)裝置，以及與安全保護(hù)裝置相關(guān)的承壓類(lèi)特種設(shè)備。為防止特種設(shè)備安全事故地發(fā)生，確保裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，使用單位需要定期對(duì)儲(chǔ)罐、管道等壓力容器進(jìn)行厚度檢測(cè)，防止均勻壁厚減薄造成泄漏事故。

隨著石油工業(yè)水平和催化重整技術(shù)地提高，金屬材料越來(lái)越多地在高溫、高壓、高腐蝕性等惡劣條件下使用，而在金屬使用過(guò)程中很難保證其不會(huì)出現(xiàn)腐蝕、缺陷等質(zhì)量問(wèn)題，以造成嚴(yán)重的安全隱患。

金屬材料檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)厚度變化來(lái)判斷其使用狀態(tài)。在厚度無(wú)損檢測(cè)中，超聲法適用于大多數(shù)金屬材料的厚度測(cè)量。其原理簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高，電磁超聲基于洛倫茲力或磁致伸縮效應(yīng)，不需要耦合劑，可應(yīng)用于高溫、高速、在線測(cè)量場(chǎng)合。通過(guò)這種無(wú)損檢測(cè)，對(duì)金屬材料進(jìn)行缺陷檢測(cè)，可有效避免事故發(fā)生，提高經(jīng)濟(jì)效益。

電磁超聲測(cè)厚是無(wú)損檢測(cè)的重要方法之一，是對(duì)目標(biāo)材料進(jìn)電磁超聲（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT），復(fù)合測(cè)算數(shù)值模擬，建立線性映射檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并利用溫度補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)對(duì)催化重整裝置地檢驗(yàn)。然后在相對(duì)真實(shí)的環(huán)境下，對(duì)應(yīng)用實(shí)例作出詳細(xì)分析。這種技術(shù)不需要在檢驗(yàn)物件表面涂抹耦合劑，也不需要很高的清潔度要求［1］，而且電磁超聲傳感器可激發(fā)更易被檢測(cè)到的橫波［2］，可在高溫環(huán)境下利用電磁超聲波的遠(yuǎn)距離傳輸完成檢測(cè)，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍，提升了檢測(cè)精準(zhǔn)度，比傳統(tǒng)檢測(cè)方法更具有準(zhǔn)確性和實(shí)用性，提升了我國(guó)相關(guān)行業(yè)的檢測(cè)水平，在石油化工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而在應(yīng)用中，電磁超聲也面臨一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題——能量轉(zhuǎn)換效率低，尤其是隨著提離地增大，換能效率低帶來(lái)的信噪比降低尤為顯著。如何提高電磁超聲的換能效率和信噪比并針對(duì)超聲信號(hào)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的信號(hào)處理方法，對(duì)進(jìn)一步擴(kuò)寬電磁超聲應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

在檢測(cè)應(yīng)用上，電磁超聲測(cè)厚技術(shù)需有嚴(yán)格運(yùn)行環(huán)境：不僅要在一定的時(shí)間限制和約束條件下［3］，而且要在規(guī)定的數(shù)據(jù)指令監(jiān)測(cè)條件下檢測(cè)；此外，在電磁超聲測(cè)厚技術(shù)運(yùn)行過(guò)程中，由于環(huán)境條件發(fā)生變化，傳統(tǒng)測(cè)量器材無(wú)法適應(yīng)壓力、溫度的頻繁波動(dòng)，導(dǎo)致得出不準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，給裝置安全生產(chǎn)工作帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。因此，在這種高危環(huán)境下，要模擬建立一種檢測(cè)應(yīng)用方法，用以應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況，提升檢測(cè)質(zhì)量效率。

1 EMAT在催化重整裝置中的檢驗(yàn)應(yīng)用

1.1 EMAT測(cè)算數(shù)值模擬

在質(zhì)檢催化重整裝置之前，需要有穩(wěn)定的測(cè)定環(huán)境，然后對(duì)EMAT 測(cè)算數(shù)值進(jìn)行分析模擬。其轉(zhuǎn)換模擬裝置一般在高溫、干燥、無(wú)污染的檢驗(yàn)條件下進(jìn)行，將溫度調(diào)至250 ℃～350 ℃，消除外部因素阻擾。然后，使用EMAT 探測(cè)檢驗(yàn)對(duì)象，以此強(qiáng)化其磁力性質(zhì)。檢測(cè)物件的相關(guān)指標(biāo)，匯總數(shù)據(jù)。最終，用模擬公式計(jì)算EMAT模擬值，具體如式（1）：

其中：β代表溫度增長(zhǎng)率，n代表慣性指數(shù)，a代表退磁比值，M 代表模擬值。通過(guò)計(jì)算，得出EMAT 測(cè)算模擬值。測(cè)算模擬值對(duì)比實(shí)際測(cè)量值，較高數(shù)值為可應(yīng)用值。

1.2 建立線性函數(shù)映射檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

完成EMAT 模擬計(jì)算后，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)立線性函數(shù)映射的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｊ紫却_定檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值，目標(biāo)值是在常規(guī)條件下，由線性回歸方向確定。回歸方向是由慣性函數(shù)決定的，可加性與齊次性是函數(shù)應(yīng)用的必要條件［4］。檢驗(yàn)數(shù)值是由基礎(chǔ)映射數(shù)值代入函數(shù)變量計(jì)算后獲取的，通過(guò)檢驗(yàn)數(shù)值即可判斷性質(zhì)，確立目標(biāo)值。最后，在同等檢驗(yàn)條件下，添加考察變量數(shù)量關(guān)系的同時(shí)，通過(guò)建立自變量和因變量間線性函數(shù)關(guān)系，使其相互關(guān)聯(lián)。運(yùn)用指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)，可直接描述映射的檢驗(yàn)結(jié)果關(guān)系。

1.3 應(yīng)用溫度補(bǔ)償算法

催化重整裝置的檢驗(yàn)應(yīng)用是在建立線性函數(shù)映射檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，利用溫度補(bǔ)償算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)檢驗(yàn)極值作出相位補(bǔ)償是為了提高電磁超聲檢測(cè)的準(zhǔn)確性［5］。需要調(diào)整檢驗(yàn)極值的橫波數(shù)值和豎波數(shù)值，分別調(diào)整為0.15 和1.85。根據(jù)檢驗(yàn)極值，計(jì)算檢驗(yàn)補(bǔ)償誤差值，具體如式（2）：

其中：θ代表質(zhì)子數(shù)，g 代表距離，K 代表誤差值。對(duì)比實(shí)際的檢驗(yàn)補(bǔ)償誤差值與各波幅值的偏移變化情況，若偏移值在補(bǔ)償誤差值范圍內(nèi)，說(shuō)明其檢驗(yàn)應(yīng)用效果良好，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；反之，若偏移差值超出對(duì)應(yīng)的誤差值，證明其檢驗(yàn)應(yīng)用最終結(jié)果有差異，實(shí)際意義不大。

2 案例分析

2.1 檢驗(yàn)情況概述

隨著催化重整技術(shù)的發(fā)展，催化重整裝置的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，檢驗(yàn)技術(shù)的瓶頸問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，阻礙了催化重整技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展與創(chuàng)新。此外，檢驗(yàn)環(huán)境（溫度、濕度等）地變化也使檢驗(yàn)精準(zhǔn)度下降，甚至還出現(xiàn)反射信號(hào)減弱、周期增加，波幅一再降低等檢驗(yàn)結(jié)果大幅度誤差的情況，給石油安全生產(chǎn)帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2.2 EMAT在催化重整裝置中的應(yīng)用

結(jié)合催化重整裝置運(yùn)行現(xiàn)狀以及電磁超聲測(cè)厚技術(shù)在該裝置中進(jìn)行實(shí)際的檢驗(yàn)應(yīng)用情況，其具體過(guò)程為首先利用交變電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在試件表面感應(yīng)渦流，在永久磁鐵磁場(chǎng)作用下受到力地作用使目標(biāo)測(cè)件表面發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波；超聲波在試件上下表面?zhèn)鞑ズ头瓷?，超聲回波在磁?chǎng)作用下產(chǎn)生電流并耦合到接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓，根據(jù)接收到的回波間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)厚度測(cè)量（如圖2所示），然后通過(guò)模擬測(cè)算數(shù)值、創(chuàng)建線性函數(shù)映射、創(chuàng)造檢驗(yàn)環(huán)境、構(gòu)建對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型、完成補(bǔ)償應(yīng)用后，對(duì)其進(jìn)行描述，以實(shí)現(xiàn)對(duì)催化重整裝置的檢驗(yàn)應(yīng)用，最后再對(duì)比數(shù)據(jù)、進(jìn)行分析。

圖2 電磁超聲檢測(cè)圖

2.3 檢驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果分析

采取相關(guān)指標(biāo)、檢驗(yàn)應(yīng)用前后指標(biāo)得出具體數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1 所列），由表1 數(shù)據(jù)可知：催化重整裝置在應(yīng)用電磁超聲測(cè)厚技術(shù)后，數(shù)據(jù)誤差數(shù)值顯著降低，實(shí)際應(yīng)用中效果良好。

表1 檢驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果對(duì)比分析表

3 結(jié)論

2020 年我國(guó)已基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，并在十四五開(kāi)始步入工業(yè)化后期。在工業(yè)化過(guò)程中，建成了一批工業(yè)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施，而如何有效維護(hù)這些工業(yè)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)穩(wěn)定工業(yè)發(fā)展具有重要意義。由于在不同行業(yè)，工業(yè)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量和種類(lèi)眾多，制造材料和損傷模式也有所不同，但是一旦未及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，工件損傷就可能造成極為嚴(yán)重的后果。

所以結(jié)合各種工業(yè)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的裝置結(jié)構(gòu)、安裝位置、失效形式等特點(diǎn)，形成針對(duì)性的檢測(cè)需求，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的檢測(cè)手段是非常必要的。常用的厚度測(cè)量方法包括超聲檢測(cè)、脈沖渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)。超聲檢測(cè)由于具有檢測(cè)靈敏度高、缺陷定位準(zhǔn)確、檢測(cè)方式便捷靈活等特點(diǎn)，成為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并被廣泛研究應(yīng)用［6］。尤其在20世紀(jì)60年代末，電磁超聲（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT）的發(fā)明進(jìn)一步拓寬了超聲檢測(cè)的應(yīng)用范圍。相較于傳統(tǒng)壓電超聲，電磁超聲具有無(wú)需耦合劑、不直接接觸被測(cè)試件、能在高溫環(huán)境下檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)一步提升檢驗(yàn)效率和質(zhì)量，具有更強(qiáng)的精準(zhǔn)性和實(shí)用價(jià)值。研究結(jié)果表明，電磁超聲測(cè)厚技術(shù)在催化重整裝置實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)應(yīng)用后，其檢驗(yàn)補(bǔ)償誤差值明顯下降，說(shuō)明檢驗(yàn)應(yīng)用效果相對(duì)較好，通過(guò)理論分析對(duì)檢測(cè)性能進(jìn)行了討論，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了信號(hào)處理方法的可行性并獲得了良好的測(cè)量精度，值得在工業(yè)設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)方面推廣應(yīng)用。

綜上所述，電磁超聲測(cè)厚技術(shù)具有非接觸的優(yōu)點(diǎn)，在高溫、在線、不停機(jī)檢測(cè)中有廣闊的應(yīng)用前景，是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，將在經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮重要作用。