分享：制氫吸附塔疲勞開裂的在線檢測

2019年2月,某煉油廠制氫裝置設(shè)備員在巡檢時發(fā)現(xiàn)某吸附塔開裂泄漏,裂紋位于母材位置,距環(huán)焊縫160 mm,該裂紋長285 mm,沿塔壁縱向擴(kuò)展,外壁裂紋形貌如圖1所示。經(jīng)查設(shè)備資料,該吸附塔材料為16 MnR,規(guī)格為?2 800 mm（直徑）×13 356 mm（高度）×30 mm（壁厚）,操作溫度為常溫,塔內(nèi)介質(zhì)主要為氫氣和少量甲烷、一氧化碳、二氧化碳。該吸附塔長期經(jīng)歷吸附、降壓、順放、逆放、沖洗、升壓等循環(huán)過程,操作壓力在0.03~2.5 MPa內(nèi)循環(huán)變化,單個循環(huán)周期為40~500 s,吸附-解吸壓力曲線如圖2所示。使用單位對該設(shè)備進(jìn)行失效分析,推斷該起開裂是長期循環(huán)載荷作用導(dǎo)致的機(jī)械疲勞引起。經(jīng)評估,裂紋起始于外壁,并向內(nèi)壁擴(kuò)展,最終貫穿整個塔壁,對設(shè)備的安全性造成了嚴(yán)重的影響。 

圖  1  某吸附塔外壁裂紋形貌

圖  2  吸附-解吸壓力曲線

從安全角度考慮,使用單位需要對其余同類疲勞工況吸附塔的開裂情況進(jìn)行在線排查。由于該批吸附塔主要介質(zhì)為氫氣,有易燃易爆的特點(diǎn),在線運(yùn)行時不具備大面積動火打磨油漆的條件,因此常規(guī)的磁粉、滲透等檢測方法難以實(shí)施,需對其在線檢測方法的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行研究。 

1.   在線檢測技術(shù)方案

陣列渦流檢測（ECAT）采用陣列式傳感器,借助計(jì)算機(jī)對激勵次序進(jìn)行快速控制和處理,可實(shí)現(xiàn)大面積范圍的高速檢測[1-5]。陣列渦流檢測技術(shù)不需要進(jìn)行表面耦合,可以隔著一定厚度的涂層對焊縫表面缺陷進(jìn)行檢測,已在船舶、石化等行業(yè)廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究表明,陣列渦流檢測技術(shù)可以對涂層下碳鋼焊縫的表面裂紋進(jìn)行檢測,當(dāng)涂層厚度超過1.5 mm時,檢測信號較弱,缺陷容易漏檢,但未進(jìn)一步給出漏檢裂紋的參考尺寸[6]。利用陣列渦流檢測技術(shù)對吸附塔進(jìn)行在線檢測,需要研究涂層厚度對檢測精度的影響,且因其存在微小開裂漏檢的可能,因此需要采取其他檢測方法作為吸附塔漆層下裂紋的補(bǔ)充檢測手段。 

聲發(fā)射（AE）是指材料中局部源能量快速釋放而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象,聲發(fā)射檢測則是依據(jù)該原理檢測材料內(nèi)部因結(jié)構(gòu)變化而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波信號,從而實(shí)現(xiàn)材料完整性及缺陷情況的評估[7]。相關(guān)研究表明,可以使用聲發(fā)射技術(shù)對裂紋的萌生與擴(kuò)展進(jìn)行檢測[8],但微小尺寸的裂紋在疲勞工況下開裂的聲發(fā)射信號特征規(guī)律尚不清晰,需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。 

針對上述難題,文章研究漆層厚度提離效應(yīng)對陣列渦流檢測精度的影響,以及微小裂紋在三點(diǎn)彎曲載荷下開裂擴(kuò)展的聲發(fā)射信號特征,對吸附塔漆層下裂紋開展陣列渦流在線檢測,并制定聲發(fā)射檢測工藝作為補(bǔ)充檢測手段。 

2.   試驗(yàn)制備與分析

2.1   漆層下裂紋的陣列渦流檢測

試驗(yàn)采用Eddyfi Technologies公司的ECTANE2-E64RNMI型陣列渦流檢測儀和CUE-ECA64 （SHARCK-W028-EH05S）型探頭,以碳鋼材料平板對比試塊為檢測對象,采用陣列渦流檢測方法對對比試塊進(jìn)行不同涂層厚度的模擬檢測試驗(yàn)。對比試塊參考標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.6—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第6部分：渦流檢測》的要求,加工出寬度均為0.2 mm,長度均為60 mm,深度分別為2.0,1.0,0.5 mm的人工刻槽,對比試塊實(shí)物如圖3所示,分別選取1,2,3張1.0 mm厚的絕緣墊片放置在對比試塊表面,用來模擬厚度為1.0,2.0,3.0 mm 的涂層。 

圖  3  對比試塊實(shí)物

無涂層、1.0 mm涂層、2.0 mm涂層、3.0 mm涂層對比試塊的陣列渦流檢測結(jié)果如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知,涂層厚度不超過2 mm時,對比試塊上三個刻槽的陣列渦流檢測信號均能清晰顯示,然而,隨著涂層厚度的增加,0.5 mm深的人工刻槽的顯示信號逐漸減弱,深度0.5 mm以下的微小開裂存在漏檢的可能性。涂層厚度為3 mm時,對比試塊上三個刻槽的陣列渦流檢測信號均無明顯顯示。 

圖  4  帶不同厚度涂層試件的陣列渦流檢測結(jié)果

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測,失效吸附塔的外表面涂層厚度約為0.5~1.0 mm,取最大值1.0 mm。為保護(hù)陣列渦流探頭,現(xiàn)場檢測時需要加套1 mm厚塑料保護(hù)膜,因此現(xiàn)場陣列渦流檢測的最大提離深度約為2.0 mm。雖然陣列渦流檢測技術(shù)可以克服涂層影響,對塔的表面裂紋進(jìn)行檢測,但是該檢測方法受漆層厚度影響,對0.5 mm以下微小開裂存在漏檢可能,而影響氫吸附塔的正常運(yùn)行和安全性。 

2.2   微小開裂的聲發(fā)射檢測

選用Vallen System公司的多通道AMSY-6式聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為信號監(jiān)測裝置,使用VS150-M式探頭搭配AEP5式前置放大器采集聲發(fā)射信號。試驗(yàn)選定采樣頻率為10 MHz,放大器增益為34 dB,探頭工作頻率為100~400 kHz,諧振頻率為150 kHz,設(shè)定門檻值為34 dB。 

利用聲發(fā)射檢測技術(shù)對吸附塔漆層下深度0.5 mm以下的微小開裂進(jìn)行補(bǔ)充檢測,需要得到微小裂紋萌生階段的聲發(fā)射信號特征。文章參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》的要求,加工預(yù)制V型缺口的碳鋼試塊進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（試驗(yàn)現(xiàn)場見圖5）。AE信號撞擊數(shù)隨載荷位移的變化情況如圖6所示,可以看出,V型缺口處持續(xù)產(chǎn)生了大量的AE信號,V型缺口處裂紋萌生時,裂紋尺寸小于0.5 mm,AE信號撞擊數(shù)（活性）明顯上升并達(dá)到峰值,因此可以用AE信號撞擊數(shù)表征吸附塔微小裂紋的萌生。 

圖  5  V型缺口試塊三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)現(xiàn)場

圖  6  AE信號撞擊數(shù)隨載荷位移的變化情況

3.   在線檢測

3.1   陣列渦流檢測

現(xiàn)場檢測吸附塔時,對其外壁進(jìn)行陣列渦流在線掃查,掃查區(qū)域包含筒體母材及焊縫。經(jīng)掃查,發(fā)現(xiàn)塔壁筒體母材上存在十余處相關(guān)顯示,其中兩處典型缺陷的陣列渦流檢測異常信號位置如圖7所示,其陣列渦流檢測信號顯示如圖8所示,分析1#和2#兩處陣列渦流檢測顯示信號,其呈現(xiàn)裂紋的信號特征。 

圖  7  陣列渦流檢測異常信號位置示意

圖  8  兩處典型缺陷的陣列渦流檢測信號

在不影響裝置運(yùn)行的前提下,將該塔短暫停車并對1#位置除漆打磨,然后采用磁粉檢測方法復(fù)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)裂紋類磁痕顯示,繼續(xù)打磨后發(fā)現(xiàn)母材表面開裂,吸附塔陣列渦流在線檢測信號異常處的現(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示,該結(jié)果與陣列渦流檢測結(jié)果得到驗(yàn)證后,依次對其余缺陷進(jìn)行消缺處理。 

圖  9  吸附塔陣列渦流在線檢測信號異常處的現(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)果

3.2   聲發(fā)射檢測

陣列渦流檢出的裂紋雖已全部消除,但該方法受漆層厚度影響,漆層下微小開裂仍然存在漏檢的可能性,因此現(xiàn)場采用聲發(fā)射檢測技術(shù)對吸附塔進(jìn)行在線補(bǔ)充檢測。 

現(xiàn)場吸附塔AE傳感器布置情況如下：筒體均勻布置5層,每層間距均為2 350 mm；每層均勻布置4個傳感器,相鄰傳感器間的間距均為2 245 mm；1#,9#,17#傳感器在正北方向,5#,13#傳感器在西北方向；21#,2#傳感器位于封頭頂部,聲發(fā)射傳感器布置位置如圖10所示。對傳感器的安裝部位進(jìn)行表面打磨油漆處理,使其表面平整并露出金屬光澤,然后在傳感器的安裝部位涂上真空脂耦合劑,使傳感器與被檢件表面達(dá)到良好的聲耦合狀態(tài)。 

圖  10  聲發(fā)射傳感器布置位置示意

將已安裝的傳感器和系統(tǒng)主機(jī)用電纜線連接,開機(jī)預(yù)熱至系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài),對聲發(fā)射檢測系統(tǒng)進(jìn)行初步工作參數(shù)設(shè)置并調(diào)試。由于裝置運(yùn)行時不具備人工加載的條件,此次聲發(fā)射檢測采用吸附塔的實(shí)際工作壓力作為加載程序,即吸附、降壓、順放、逆放、沖洗、升壓以及最終升壓過程（見圖2）。經(jīng)聲發(fā)射檢測,現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)有意義的聲發(fā)射定位源信號,即未發(fā)現(xiàn)正在擴(kuò)展的裂紋缺陷。 

4.   結(jié)語

文章結(jié)合制氫吸附塔在線不打磨檢測實(shí)例,提出采用陣列渦流方法進(jìn)行在線掃查,并在缺陷消除后進(jìn)行利用聲發(fā)射補(bǔ)充檢測的組合方案,主要結(jié)論如下。

（1）陣列渦流檢測技術(shù)對于制氫吸附塔漆層下開裂缺陷的在線檢測具有適用性。但是陣列渦流檢測方法受漆層厚度影響,深度0.5 mm以下微小開裂存在漏檢可能性。 

（2）通過提取微小裂紋聲發(fā)射信號特征,采用聲發(fā)射檢測技術(shù)對吸附塔微小開裂缺陷進(jìn)行了在線補(bǔ)充檢測,未發(fā)現(xiàn)正在擴(kuò)展的裂紋缺陷。 

（3）經(jīng)檢測合格的吸附塔裝置連續(xù)運(yùn)行5 a未再發(fā)生泄漏的情況,提出的在線檢測方案為疲勞開裂在線不打磨檢測提供了參考和借鑒。

文章來源——材料與測試網(wǎng)