壓力容器氫致損傷的電磁超聲在役監測

柴軍輝,陳定岳,沈永淼,嚴偉麗,王　杜,陳　虎

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

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壓力容器氫致損傷的電磁超聲在役監測

柴軍輝1,陳定岳1,沈永淼2,嚴偉麗2,王杜1,陳虎1

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

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

電磁超聲；氫致損傷；在役監測；濕硫化氫環境

在煉油裝置中廣泛存在濕硫化氫環境腐蝕，除了會造成過程設備的均勻腐蝕外，還會引起一系列與鋼滲氫有關的腐蝕開裂。一般認為，濕硫化氫環境開裂主要有氫鼓泡(HB)、氫致開裂(HIC)、應力導向氫致開裂(SOHIC)、硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)四種氫致損傷模式。

宏觀氫致損傷目前還無有效的無損檢測手段，大部分氫致損傷是通過目視宏觀檢查及在超聲測厚發現可疑點后進行后續密集測厚發現的。當前,對氫鼓泡及氫致開裂產生的原因分析較多，相應的預防措施也有較多提及，但是在含氫致損傷壓力容器在役監測方面的研究卻較少[1-3]。當氫致損傷發展到肉眼都能觀察到的程度，說明設備早已瀕臨失效，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，有時設備即使被發現存在濕硫化氫的損傷，但仍然需要“帶病”繼續服役一段時間，這時就可使用評價技術對損傷進行安全評估，若結果為可以繼續監控使用，則需要定期采用超聲波測厚等方式進行缺陷擴展監測。

因在裝置區進行在役監測時存在不能動火、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，有的設備運行溫度超過50 ℃等條件限制，采用常規監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損傷設備的在役監測要求。

筆者以某煉油企業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對該塔實施在役條件下的氫致損傷擴展情況監測，為石化裝置含氫致損傷設備提供了一種有效的現場監測技術。

1　電磁超聲檢測原理

處于交變磁場中的金屬導體，其內部將產生渦流，同時由于任何電流在磁場中受到洛倫茲力的作用，而金屬介質在交變應力的作用下將產生應力波，頻率在超聲波范圍內的應力波即為超聲波。與此相反，由于此效應呈現可逆性，返回聲壓使質點的振動在磁場作用下也會使渦流線圈兩端的電壓發生變化，因此可以通過接收裝置進行接收并放大顯示。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。

電磁超聲檢測技術是一種基于電磁感應原理的新型超聲波檢測技術,在檢測過程中,無需耦合介質就可實現高溫、帶油漆層等條件下的非接觸測厚和探傷,故在無損檢測領域越來越受到重視。相對于常規超聲波測厚儀，電磁超聲波檢測技術除了具有不用耦合劑非接觸檢測(最大提離高度可達5 mm)、能適應較高環境溫度(可達600 ℃)等優勢外，還具有可連續記錄測厚數據并實時成像的優點，因而非常適合高溫環境且設備不停機狀態下的檢測及監測。

2　氫致損傷設備情況

2013年9月，某煉油企業加氫裂化裝置干氣脫硫吸收塔在定期檢驗時，經內部宏觀檢查發現有兩個筒節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。其中第一個筒節內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;經超聲波測厚儀從內壁測厚發現鼓泡的深度范圍在2.5～8.0 mm間，主要集中在4.0～7.5 mm間，部分內壁鼓泡已產生明顯裂縫，如圖1所示。后切割該筒節鋼板再進行滲透檢測發現,其母材內部存在大量傾斜裂紋或臺階狀裂紋，如圖2所示。第二個筒節內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宏觀內鼓泡圖片

圖2　干氣脫硫吸收塔第一筒節切割試件端面的滲透檢測結果

通過對該塔進行RBI(基于風險的檢驗)評估后,對該塔第一筒節的鼓包密集處進行修復，修復方式為更換缺陷密集區域的板材及對部分分散區域的鼓包進行挖補。第二個筒節為分布較為均勻的鼓包，且鼓包直徑和深度范圍較小，決定對該筒節的鼓包進行泄壓處理，并對處理后的缺陷進行合于使用評估(FFS)，評價結果為該設備可以繼續監控使用，但在監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　電磁超聲在役監測

3.1監測儀器及方法

3.1.1監測儀器

采用美國innerspec公司生產的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，可在線監測塔壁厚度的變化，測厚數據可連續記錄且能進行B、D掃描成像。

3.1.2監測方法

第一個筒節已進行修復處理，修復方法為更換缺陷密集區域的板材及對部分分散區域的鼓包進行挖補。第二個筒節未進行挖補，僅對發現的鼓包進行泄壓處理。對第一筒節修復過的區域和第二筒節未修復的區域分別標記為1#監測區和2#監測區,如圖3所示。因該塔工作溫度較高，監測部位的溫度已達到60 ℃，不利于采用相控陣C掃描方法進行監測，采用常規超聲測厚儀測厚無法獲得連續數據記錄，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測區進行在役監測。

圖3　1#與2#監測區現場圖片

1#監測區域為修復后的區域，大小為400 mm×200 mm×18 mm(長×寬×厚);其焊縫左側為更換的新板，公稱壁厚為18 mm;焊縫右側為未更換的舊板。2#監測區域為未修復的區域，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的下部，存在內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，其內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。先在每個監測區域的塔壁上描繪出10條掃查軌跡，然后從上往下逐條掃查，記錄數據結果。分別于2013年11月8日(第一次監測時間)和2014年7月17日(第二次監測時間)對上述兩塊監測區域分別采用電磁超聲檢測儀從塔外壁進行在役監測。

3.2監測結果分析

3.2.11#區域監測結果

電磁超聲檢測儀在記錄測厚數據時從左往右每1 mm采集3個點的壁厚，整個監測區域的數據量非常大。為方便比較，取每1 mm處3個測厚數值的平均值，并選擇x軸方向上的部分整數節點數據進行分析。1#區域的第一次和第二次監測數據如表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范圍采集的數據為1#檢測區域中新板壁厚數據，160～400 mm范圍為舊板壁厚數據;表中加粗數據為壁厚異常數據。監測時，該儀器實時掃描帶狀圖(PBH)(A掃+D掃成像)如圖4所示,圖中數據對應表1中第二次監測時的前兩條數據。

圖4　1#區域第二次監測時前兩條數據的實時掃描帶狀圖

通過對比可以發現，1#監測區域的兩次監測結果基本一致。焊縫左邊新板壁厚幾乎沒有變化，表明修復后更換的新板在監控使用期間未出現新的氫致開裂損傷；焊縫右邊未更換的舊板部位，減薄區域范圍基本相同，減薄處壁厚變化很小。兩次監測發現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#區域監測結果

2#監測區域的第一次和第二次監測數據如表2所示。表中y軸1～6次采集的數據為焊縫上部的壁厚數據，7～10次采集的數據為焊縫下部的壁厚數據，其中加粗數據為壁厚異常數據。

表1　1#區域的兩次監測數據

表2　2#區域的兩次監測數據

表2(續)

通過對比可以發現，2#監測區域的兩次監測結果也基本一致。焊縫上部為塔中部錐段以下第二個筒節的下部，存在內壁密集均勻的小鼓包，從兩次監測的數據比較來看，其減薄區域范圍基本相同，減薄處壁厚變化很小；焊縫下部為塔中部錐段以下的第三個筒節，其內壁無肉眼可見的鼓包，測厚數值也顯示其板內幾乎沒有氫致開裂損傷存在。兩次監測發現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，在一年多的監控服役期間，未發生因氫致損傷擴展導致的設備失效安全事故。

4　結論

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

(2) 電磁超聲檢測儀讀數準確穩定，定點測厚數據可靠，而且無需耦合劑，無需打磨處理表面，能適應較高溫度，非常適合現場條件下氫致損傷設備的在役監測。通過實時掃描帶狀圖PBH能夠直觀地分析減薄區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].石油化工設備,2009(4):30-33.

[2]趙正宏,楊克祥,王慶余,等.液化石油氣球罐內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

國家質檢總局科技計劃資助項目(2014QK172);中石化鎮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