低溫變換爐聲發(fā)射監(jiān)測分析研究

王瑞恩，肖寧強

(南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，江蘇 南京 211102)

變換爐的安全運行直接關(guān)系到合成氨裝置的生產(chǎn)安全，變換爐的檢驗在整套裝置檢驗過程中十分重要。其潛在的損傷機理主要包括回火催化、高溫氫腐蝕、高溫硫化物腐蝕、蠕變、連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂、再熱裂紋等【1】。用于變換爐的無損檢測技術(shù)主要包括表面檢測、超聲檢測、射線檢測、渦流檢測、聲發(fā)射檢測等【2】。其中聲發(fā)射檢測技術(shù)可以實現(xiàn)不停機檢測和實時監(jiān)測，為企業(yè)減少了停工造成的損失。

目前，化工設(shè)備檢驗檢測過程中，聲發(fā)射檢測技術(shù)的研究主要集中在壓力容器升壓過程中，通過缺陷的活動產(chǎn)生聲發(fā)射信號對壓力容器的安全狀況進行分析研究【3】。當(dāng)前在運行狀態(tài)下利用聲發(fā)射技術(shù)對化工設(shè)備進行實時監(jiān)測分析的還很少。所以，如果能夠?qū)σ恍╆P(guān)鍵設(shè)備在運行過程中進行較長時間的監(jiān)測，其數(shù)據(jù)對于推進該類設(shè)備聲發(fā)射技術(shù)的研究將有十分重要的意義。

1 檢測方案與實驗過程

受南京某公司煤化工運行部的委托，對其凈化工區(qū)低溫變換爐共進行了16次聲發(fā)射在線監(jiān)測，每次監(jiān)測時間約為20h。該低溫變換爐基本參數(shù)如表1所示。

該臺壓力容器原始資料齊全，制造過程無任何問題記載。首次定期檢驗時不卸劑，僅在外部進行檢查，測厚、磁粉、滲透、超聲、硬度檢測均未發(fā)現(xiàn)影響定級的缺陷。首檢之后，在使用過程中，該設(shè)備溫度計口接管與筒體角焊縫處出現(xiàn)穿透性裂紋，已進行過返修；下彎管與筒體角焊縫處發(fā)生過泄漏，也進行了返修。之后的定期檢驗中，在變換爐器壁對接焊縫和接管角焊縫等位置均發(fā)現(xiàn)過裂紋。

表1 低溫變換爐基本參數(shù)

該低溫變換爐的工作介質(zhì)含有CO、CO2、H2S、H2等。干燥的H2S在常溫下對鋼材幾乎沒有腐蝕，但是只要水分增加或是溫度升高，其對鋼材的腐蝕能力會突然增加。另外H2的存在也會增加H2S的腐蝕能力。這些原因會導(dǎo)致低溫變換爐出現(xiàn)裂紋，尤其在接管等受力復(fù)雜的部位。該公司欲通過聲發(fā)射技術(shù)對設(shè)備運行過程進行監(jiān)測評估。

本次監(jiān)測采用德國VALLEN公司AMSY-6多通道聲發(fā)射儀，傳感器型號為VS150-RIC。由于該低溫變換爐運行過程中表面溫度較高，所以傳感器通過波導(dǎo)桿固定在低溫變換爐的表面(如圖1 所示)，耦合劑為高溫真空脂，門檻電平設(shè)為40 dB。根據(jù)現(xiàn)場粗略測量，背景噪聲在34 dB左右。由于該設(shè)備保溫層拆除難度較大，且在運行狀態(tài)下監(jiān)測時，表面是高溫狀態(tài)，所以無法用斷鉛信號進行衰減測量。

根據(jù)該低溫變換爐的容積尺寸，共布置了22個傳感器以便盡可能將其所有動態(tài)缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號捕捉到。傳感器的現(xiàn)場布置對應(yīng)到軟件的定位情況如圖2所示。

圖1 傳感器通過波導(dǎo)桿固定在低溫變換爐表面

圖2 傳感器布置示意

2 結(jié)果與討論

2.1 定位分析

由于本次聲發(fā)射監(jiān)測是在設(shè)備正常工作壓力下進行的，并未對其進行人為的超過工作壓力狀態(tài)的加載，所以對于出現(xiàn)的聲發(fā)射定位信號要格外重視。在16次監(jiān)測過程中共出現(xiàn)3次定位信號呈現(xiàn)集團化的現(xiàn)象。信號定位情況見圖3～圖5。

將定位源S1信號集團參數(shù)提取出來進行分析，見表2。

對定位源信號的分析發(fā)現(xiàn),其幅度均值為51.9 dB,能量值約為800 eu。進現(xiàn)場勘察判斷，該S1定位信號集團對應(yīng)于低溫變換爐的J3(圖紙上標(biāo)注)接管部位。在后期對該接管進行全面檢驗的過程中發(fā)現(xiàn)了整圈樹枝狀裂紋。

表2 定位源S1參數(shù)

定位源S2參數(shù)見表3。對表3進行分析發(fā)現(xiàn)，定位源S2的幅度平均值也是52 dB左右，能量值E和RMS比S1定位源集團的要小。S2定位源集團與接管J4(圖紙上標(biāo)注)對應(yīng)，J4接管在后期全面檢驗過程中也被發(fā)現(xiàn)有裂紋存在。

將定位源S3信號集團的參數(shù)特征進行分析，如表4所示。

對表4進行分析發(fā)現(xiàn)，定位源S3的幅度平均值是51.3 dB， 該值與定位源S1、S2的幅度平均值相差無幾。經(jīng)過現(xiàn)場勘察，定位源出現(xiàn)的位置恰好是接管R1(圖紙上標(biāo)注)的位置，該接管曾因泄漏進行過補焊，在后期全面檢驗過程中被發(fā)現(xiàn)存在裂紋。

圖3第8次監(jiān)測聲發(fā)射信號定位

圖4 第10次監(jiān)測聲發(fā)射信號定位

A/dBR/μsD/μsCNTSE/euRMS/μV52.034.649.21253.43.551.31.65.4419.33.752.44.68.4426.53.852.41.65.4424.43.7

2.2 整體信號趨勢分析

從圖1第1次現(xiàn)場聲發(fā)射監(jiān)測開始到第16次聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)束，歷時4個月，期間該低溫變換爐一直處于開車狀態(tài)，現(xiàn)將每次現(xiàn)場聲發(fā)射監(jiān)測中的所有有效定位信號的幅度平均值做趨勢分析，如圖6所示。

從圖6中可以看出：隨著開車時間的增加，定位信號的幅度值是增加的，包括衰減在內(nèi)信號幅度值從42 dB增加到48 dB(因現(xiàn)場情況特殊，無法進行信號的衰減幅度測量)。幅度值的增加一定程度上代表缺陷總體活動頻率的增加或者是裂紋的擴展。

通過后期全面檢驗發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)定位信號集團的部位均存在裂紋。

圖5 第16次監(jiān)測聲發(fā)射信號定位

3 結(jié)語

1) 聲發(fā)射技術(shù)區(qū)別于其他無損檢測技術(shù)的是，它可以檢測出設(shè)備存在的活性缺陷，并可據(jù)此做出一定的判斷。從本次歷時4個月的監(jiān)測結(jié)果來看，該技術(shù)對于幾處接管及其周圍區(qū)域存在的裂紋具有較高的檢出率，分析原因是因為在設(shè)備運行過程中，接管處所受到的應(yīng)力比較復(fù)雜，再加上工作環(huán)境的原因，導(dǎo)致該部位易產(chǎn)生裂紋。

圖6 幅度平均值趨勢

2) 從每次定位信號幅度平均值的走向和該設(shè)備材料損傷模式分析可知，該低溫變換爐的裂紋總體是逐步擴展的或堆焊層是逐步剝離的。

3) 本次歷時4個月所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)來之不易，可以為今后分析該類設(shè)備在聲發(fā)射監(jiān)測過程出現(xiàn)的信號特性提供一定的參考。