魏偉勝，徐 建，鮑曉軍

（中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，北京 102249）

應(yīng)用技術(shù)

基于γ射線掃描的過程設(shè)備故障診斷

魏偉勝，徐 建，鮑曉軍

（中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，北京 102249）

針對現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的石油和化工過程與設(shè)備的故障診斷需求，通過改造放射源防護罐和采用新的360°面發(fā)射方式，減輕了防護罐質(zhì)量，開發(fā)了具有便攜性和通用性好的掃描移動機構(gòu)。經(jīng)過十余年的工業(yè)化應(yīng)用，形成了基于γ射線掃描的過程與設(shè)備的故障診斷技術(shù)，它可快速、直接獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和設(shè)備內(nèi)物體流動數(shù)據(jù)，對設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作狀況進行有效的準確診斷，成為石油化工過程與設(shè)備的操作優(yōu)化和在線維護的重要工具。

γ射線；過程設(shè)備；故障診斷；流程模擬

隨著石油和化工工業(yè)過程規(guī)模的日益增大，由于過程設(shè)備的操作和結(jié)構(gòu)故障所導(dǎo)致的非正常工況、意外停工、重大安全事故所造成的經(jīng)濟、環(huán)境乃至社會和政治影響越來越大。有資料表明，美國的石油化工企業(yè)每年因生產(chǎn)裝置非正常停工造成的損失達20億美元，我國一套規(guī)模為1400 kt/a的催化裂化裝置開停工一次所需費用高達 500萬元人民幣左右，因此，如何減少煉化生產(chǎn)裝置非正常停工次數(shù)是煉化生產(chǎn)管理密切關(guān)注的首要問題。已有實踐表明，故障診斷技術(shù)能夠在故障的潛發(fā)期即發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的異常變化，有利于及時采取措施防止設(shè)備故障的進一步擴展，減少煉化裝置因顯著故障造成的非正常停工次數(shù)。應(yīng)用故障診斷技術(shù)不僅能減少事故75%，節(jié)約維修工時30%，節(jié)約維修成本 25%～50%，還能降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源和物料消耗，極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率?？傊?，實現(xiàn)石油和化工過程設(shè)備的長、安、穩(wěn)、優(yōu)運行一直是世界石油和化學(xué)工業(yè)努力追求的目標。

過程設(shè)備主要存在因機械結(jié)構(gòu)引起的設(shè)備故障和操作不當引起的過程故障（即流動異常）。目前常用的故障診斷方法有過程流程模擬和常規(guī)過程參數(shù)測量法。過程流程模擬使得化工過程的優(yōu)化控制和操作成為可能，但其成功應(yīng)用是以過程設(shè)備的結(jié)構(gòu)“正?！睘榍疤岬?，當設(shè)備因結(jié)垢、腐蝕、振動、超載等原因發(fā)生難以預(yù)測的機械故障或操作條件超出模型的預(yù)測范圍時，就難以對設(shè)備的操作狀態(tài)正常與否作出正確判斷。常規(guī)過程參數(shù)（如溫度、壓力、流量、組成等）的在線測量只能給出過程設(shè)備操作狀態(tài)的表觀現(xiàn)象，一旦設(shè)備出現(xiàn)機械和操作故障，采用這些常規(guī)在線測試數(shù)據(jù)難以確定“病灶”所在。

盡管超聲波和電容法在結(jié)構(gòu)故障診斷及流體流動狀況檢測上已有廣泛的應(yīng)用，但是由于超聲探傷缺陷定性歷來是一個疑難問題，至今仍主要依賴于探傷人員的經(jīng)驗和分析判斷，準確性差，尤其在流動特性的測量上準確性差；而電容法則受到流體介質(zhì)物性和測量環(huán)境的限制，在環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)場無法應(yīng)用，因此在工業(yè)過程設(shè)備故障診斷中，還需要開發(fā)更適當?shù)臋z測技術(shù)。類似于人體透視的X射線技術(shù)，γ射線掃描技術(shù)是一種用于過程設(shè)備“透視”的先進技術(shù)，可快速、直接地對設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作故障進行診斷，確定故障的部位和程度，可作為輔助過程優(yōu)化操作和在線維護的重要工具[1-3]。DuPont公司于20世紀70年代嘗試用γ射線掃描技術(shù)對重水蒸餾塔進行了檢測，1987年 Phillip、Glitsch和Koch等公司進行了該技術(shù)的商業(yè)化開發(fā)，并為Koch公司所壟斷，不對外轉(zhuǎn)讓，僅提供技術(shù)服務(wù)，且收費高昂。為此，中國石油大學(xué)（北京）從1983年起就試圖把射線掃描技術(shù)應(yīng)用到石油化工中進行關(guān)鍵裝置的故障診斷。從1983—1995年，應(yīng)用γ射線掃描技術(shù)測量了小型冷模塔和提升管的多相流流動特性，完成了 γ射線掃描技術(shù)用于蒸餾塔、FCC提升管反應(yīng)器流動狀態(tài)與故障診斷的原理探索，為技術(shù)的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)[4-5]。1997年開始進行γ射線故障診斷技術(shù)的工業(yè)化試驗[6]，十余年的工業(yè)化試驗使基于 γ射線掃描的故障診斷技術(shù)得到不斷完善，并取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

γ射線掃描用于工業(yè)設(shè)備故障診斷必須解決的關(guān)鍵問題是掃描移動機構(gòu)、放射源防護結(jié)構(gòu)以及射線圖譜的故障識別。掃描移動機構(gòu)已成功廣泛用于人體CT和危險品的檢查，但這些機構(gòu)都不可能被搬到環(huán)境復(fù)雜的煉化現(xiàn)場對設(shè)備進行掃描檢測。盡管γ射線掃描技術(shù)用于工業(yè)過程設(shè)備故障診斷已有幾十年，但對掃描移動機構(gòu)和放射源的詳細結(jié)構(gòu)未見報道。本文作者主要介紹了γ射線掃描技術(shù)及其故障診斷實例，并結(jié)合流程模擬來確定故障原因和制定解決方案。

1 γ射線掃描技術(shù)

1.1 γ 射線掃描技術(shù)原理

γ 射線是一種高頻高能電磁波，具有很強的穿透能力。當一束 γ 射線穿過物質(zhì)后，其能量強度由于物質(zhì)的吸收被衰減，減弱強度與放射源能量，吸收體物質(zhì)和物質(zhì)的厚度有關(guān)，并服從Lambert-Beer定律：

式中，I0為探測器與放射源之間無待測物體時探測器的射線強度；μm為吸收物質(zhì)對射線的質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ為介質(zhì)（指吸收物質(zhì)）密度；I為射線透過吸收物質(zhì)后的強度。

物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)可以預(yù)先通過實驗確定[7]，從式（1）可知，只需測量射線強度就可以知道測線上的混相密度（或相對密度）。在過程設(shè)備兩側(cè)同步移動 γ 放射源和探測器就可測出設(shè)備內(nèi)操作介質(zhì)的密度（或與密度相關(guān)的物理量）分布譜圖，即 γ 射線掃描圖譜。一般通過對掃描圖譜與設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的比對分析就可以確定明顯的設(shè)備結(jié)構(gòu)故障，但對于設(shè)備結(jié)構(gòu)缺陷不大或操作不當引起的故障等問題，則還需要借助流程模擬才能確定故障原因和制定解決方案。

1.2 掃描移動機構(gòu)

實驗室用的掃描移動機構(gòu)易于實施，且結(jié)構(gòu)簡單，這是因為實驗室裝置規(guī)模小，所用的放射源強度低，實驗環(huán)境好。一般有兩種掃描移動方式：一種是類似于X射線安全檢查設(shè)備，移動被測物體，而放射源和探測器則固定不動；另種是移動放射源和探測器，而被測物體相對不動。此兩種方式都可以采用多探測器以增加掃描精度[9-10]，所得圖譜可以借助數(shù)學(xué)模型準確地反演出裝置內(nèi)結(jié)構(gòu)和物料組成分布[11-12]。

從式（1）可知，待測設(shè)備尺寸增大一倍，為了獲得同樣測量，射線的入射強度必須達到原來的4倍，顯然對于規(guī)模龐大的石油和化工設(shè)備的檢測必須采用活度較高的放射源。但是為了減少射線對操作人員的傷害，又要求盡可能采用活度較低的放射源。綜合考慮工業(yè)用的放射源活度一般為實驗室的百倍左右，常采用1Ci137Cs或0.1Ci60Co放射源。因此，工業(yè)探測器的低限測量值要遠低于實驗室（即要有更高的靈敏度），同時由于石油和化工過程現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜和防爆等級要求高，實驗室用的掃描移動結(jié)構(gòu)已不能采用，這就要求開發(fā)具有較高檢測精度的射線測試儀和具有廣泛適用性的掃描移動機構(gòu)。

中國石油大學(xué)借助現(xiàn)代集成電路技術(shù)，將傳統(tǒng)的射線檢測系統(tǒng)高度集成，開發(fā)出了可同時測量射線強度和射線頻譜、質(zhì)量僅為2.6 kg的便攜式γ射線測試儀[13]，顯著提高了測量精度，滿足了現(xiàn)場應(yīng)用的便攜性要求，并通過蓄電池低壓供電解決了現(xiàn)場應(yīng)用的防爆問題。

在工業(yè)應(yīng)用的初期，由于采用1Ci137Cs線型放射源，其質(zhì)量達40 kg，導(dǎo)致掃描移動機構(gòu)[14]移動、安裝性能很差，不能滿足現(xiàn)場故障診斷的要求。針對應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，提出了新的掃描移動機構(gòu)方案。圖1是γ射線掃描塔器的一個示意圖，放射源和探測器各用一根鋼絲繩牽引作上下升降位移。升降位移主要由步進電動機、諧波齒輪減速器、鋼絲繩輪、導(dǎo)向輪和其它輔助件組成。步進電動機、諧波齒輪減速器和鋼絲繩輪組裝在一起，固定在裝置頂部處。導(dǎo)向輪固定在裝置護欄上，并且導(dǎo)向輪置于欄桿之外。當鋼絲繩輪旋轉(zhuǎn)時，使鋼絲繩拉緊或放松，經(jīng)導(dǎo)向輪使放射源和探測器作同步升降移動。在導(dǎo)向輪附近安裝一超聲波測距儀（或計米器），測量結(jié)果可輸入到計算機，用以判斷在測量過程中放射源和探測器是否處在同一水平位置，是否需要對放射源或探測器的位置進行水平調(diào)整。

圖1 γ射線掃描塔器的示意圖

1.3 面放射源

由于放射源和探測器僅由鋼絲繩懸掛，其在垂直移動過程中不可避免地會發(fā)生水平旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致放射源發(fā)出的射線不能被探測器所捕獲。探測器可以做到360°全方位感受射線，在此情形下，采用常規(guī)的線型放射源顯然不能滿足現(xiàn)場測試的需要。為此提出了新的360°面射線發(fā)射方式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。為減輕防護罐的總質(zhì)量，放射源防護罐采用吸收系數(shù)極高的貧鈾（或金屬鎢、鉛等）密封，一塊貧鈾塊固定在不銹鋼圓筒的下部，另一塊可上下移動的貧鈾塊則在上部，并且點放射源固定在貧鈾塊的下中心處。在使用時，可滑動的貧鈾塊移動到上部，使點放射源置于兩塊貧鈾塊之間，點放射源向四周 360°放射，形成了面放射源。當不使用放射源時，兩塊貧鈾塊合在一起，對放射源形成屏蔽，防止其對人體可能引起的傷害。在工業(yè)應(yīng)用中，本面放射源防護罐質(zhì)量只有6 kg，而獲得相同射線發(fā)射強度的線型放射源防護罐質(zhì)量約為40 kg。

上述掃描移動機構(gòu)是一種適合于大型工業(yè)裝置故障診斷的定位與掃描移動系統(tǒng)，包括固定機構(gòu)、移動執(zhí)行機構(gòu)、定位系統(tǒng)等在內(nèi)的系統(tǒng)總重不超過20 kg，全部部件可置于一個 400 mm×320 mm×210 mm的旅行包內(nèi)，且定位精度可控制在5 mm之內(nèi)。安裝時間從原來的幾天縮短到現(xiàn)在的2 h左右，為應(yīng)對突發(fā)的過程設(shè)備故障提供了更快的響應(yīng)。

2 機械結(jié)構(gòu)故障診斷實例

2.1 解吸塔浮閥掉落故障

某催化裂化裝置解吸塔操作有些異常，為了查找原因，利用150 mCi60Co γ射線對該塔進行了掃描檢測，部分掃描結(jié)果見圖3所示。

圖2 面放射源結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 解吸塔掃描圖譜

依據(jù)式（1）可知，射線強度I較大的說明射線透過的物質(zhì)密度（對于混合物則為平均值）??；反之，射線強度I較小的則說明射線透過的物質(zhì)密度大。解析塔的內(nèi)部從頂?shù)降自O(shè)置有許多塔板，顯然射線透過氣相層射線強度最高，透過塔盤上泡沫或液層次之，而透過塔盤后的射線強度則最低。從圖3圖譜可以看出，32～33層塔盤處的波峰明顯低于其它層，說明該處的密度較大，高于純氣相密度，只有漏液或霧沫夾帶才可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。另霧沫夾帶通常會發(fā)生在塔的某一部位的多層塔板上，因此認為33層處存在漏液。停工檢修發(fā)現(xiàn)33層塔板有浮閥掉落，正是浮閥的掉落導(dǎo)致32～33層氣相中的液體增加。

2.2 重整汽油抽提蒸餾塔塔盤部分結(jié)焦故障

某150 kt/a重整汽油抽提蒸餾塔設(shè)計進料量為20 t/h，正常使用一段時間后，發(fā)現(xiàn)塔頂餾出物芳烴含量超標，而塔底產(chǎn)品苯含量降低，嚴重影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，降低塔的處理量，進料量降至16 t/h時操作正常，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

為了確定抽提蒸餾塔故障原因，分別在兩種工況（進料量為16 t/h和18 t/h）下用γ射線從塔頂?shù)剿走M行了全塔掃描，從塔頂85～70層的掃描結(jié)果如圖4所示，其余層兩種工況的掃描圖譜沒有差別。由圖4可以看出，塔頂段在進料量達到 18 t/h時塔頂 85～74層出現(xiàn)了嚴重的液泛癥狀，而其它各層塔盤都是處于正常狀態(tài)；而進料量在16 t/h時所有塔板操作都正常。也就是說，隨著負荷的增大，85～74層塔盤將會出現(xiàn)液泛的癥狀。

造成該塔液泛可能的原因有負荷太大、塔板結(jié)垢或堵塞。負荷18 t/h尚小于設(shè)計值，并且根據(jù)現(xiàn)場提供的塔設(shè)計數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)，對兩種不同工況下塔內(nèi)各塔板的水力學(xué)性質(zhì)采用商業(yè)流程模擬軟件Aspen Plus對該塔進行了流程模擬診斷。模擬結(jié)果表明，若塔盤機械結(jié)構(gòu)正常，在兩種工況下的操作都不應(yīng)該發(fā)生液泛，因此，塔在18 t/h下操作出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量故障不是由于設(shè)計和操作不當即負荷太大導(dǎo)致的故障，很有可能是由塔內(nèi)構(gòu)件的機械故障引起的。

再結(jié)合圖4可以初步判斷抽提蒸餾塔塔頂85～74層的塔盤可能發(fā)生了堵塞，其它塔盤無結(jié)構(gòu)故障，但是單從圖4還無法判斷塔盤堵塞程度和給出目前臨時的操作方案。

由于塔盤極有可能出現(xiàn)了堵塞，因此，在流程模擬診斷時需改變一些輸入?yún)?shù)，塔盤開孔率顯然必須減少，重新設(shè)置開孔率對塔進行了重新模擬計算。開孔率減少到只有原來 60%時，模擬結(jié)果與射線掃描結(jié)果一致，進料量為16 t/h時，所有塔盤不會發(fā)生液泛，可正常操作；而當進料量為18 t/h時，塔頂幾層塔盤發(fā)生液泛，將影響產(chǎn)品質(zhì)量。

根據(jù)上述診斷結(jié)果，為該塔制定了維護和操作方案：①考慮到生產(chǎn)的需要，車間可按照允許的最大負荷16 t/h繼續(xù)生產(chǎn)，創(chuàng)造最大的經(jīng)濟效益；②制定了防止塔盤堵塞（結(jié)焦）的措施，保證塔頂與塔底產(chǎn)品質(zhì)量達標；③備好預(yù)更換塔板，縮短停工維修時間。

3 操作故障診斷實例

圖4 兩種處理量下的抽提蒸餾塔 γ 射線掃描圖譜

某催化反應(yīng)-再生系統(tǒng)的工況突然出現(xiàn)了嚴重的異常，其突出表現(xiàn)是催化劑外溢管周期性發(fā)出類似放炮的巨大響聲，同時催化劑跑損嚴重，對生產(chǎn)造成了很大的影響。車間采用了所有的常規(guī)檢測方法都無法找到故障原因，準備停工檢修。作為停工前最后的努力，利用 γ 射線掃描技術(shù)對裝置進行故障診斷，以確定故障原因和制定維修方案。

首先對該裝置的外溢管中下段從上而下進行了射線掃描檢測，以了解外溢管管內(nèi)的流化狀況（即管內(nèi)軸向密度變化情況），掃描結(jié)果見圖5。從掃描圖譜可知，管內(nèi)密度沿軸向變化沒有規(guī)律，不符合模擬流動結(jié)果。

外溢管管內(nèi)密度沿軸向變化無規(guī)律，那么它與時間有關(guān)系嗎？可固定測量點，連續(xù)采用射線透射法在線測量管內(nèi)密度隨時間變化。在外溢管上選定了兩個固定測量點A和B，圖6是測試部位示意圖，圖7和圖8分別是A和B兩測量點上的射線強度時間序列譜圖。

圖5 外溢管軸向掃描圖譜

圖6 外溢管測試部位示意圖

從圖7和圖8可知，透過外溢管后的A和B兩點的射線強度都出現(xiàn)周期性的大幅振蕩，也就是在A和B兩截面上氣固兩相流動密度都出現(xiàn)較大的周期性振蕩。然而，對于正常流動的提升管、半U管、外溢管等的射線強度震蕩幅度很小，正常流動的射線強度序列譜圖如圖9所示。

圖7 A截面上射線強度時間序列譜圖

圖8 B截面上射線強度時間序列譜圖

圖9 正常氣固流動的射線強度時間序列譜圖

與正常圖譜對比，并依據(jù)式（1），不難知道A和B兩測量截面上有時固體顆粒很多，有時幾乎沒有，是不正常的現(xiàn)象。對此掃描結(jié)果進行綜合分析后，認為這一現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為催化劑外溢管出口較小，在流化風(fēng)量過大時導(dǎo)致催化劑顆粒在出口處壓實而堵塞出口，當管內(nèi)氣體壓力增加至足以沖破壓實的顆粒層時，催化劑顆粒才能溢出，并出現(xiàn)放炮現(xiàn)象；而后，催化劑顆粒又在出口處積累，引起壓實，從而導(dǎo)致外溢管內(nèi)催化劑顆粒的密度出現(xiàn)振幅較大的周期性變化。

根據(jù)上述診斷結(jié)果，建議車間減小操作風(fēng)量，消除了操作故障，避免了催化裝置這一煉油廠核心裝置的停工檢修，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。自此以后，該車間一直將 γ射線掃描技術(shù)作為催化反應(yīng)-再生系統(tǒng)流化狀況監(jiān)測的常規(guī)手段，為裝置的操作優(yōu)化提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

（1）通過對線放射源防護罐的改造和采用新的360°面發(fā)射方式，減輕了防護罐的質(zhì)量，并為大型石化過程設(shè)備故障診斷開發(fā)了具有高度便攜性和通用性的掃描移動機構(gòu)。

（2）經(jīng)過十余年的工業(yè)化應(yīng)用，形成了基于γ射線掃描的過程與設(shè)備的故障診斷技術(shù)，它在塔器和催化反-再系統(tǒng)等過程與設(shè)備上故障診斷應(yīng)用表明，可快速、直接獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和設(shè)備內(nèi)物體流動數(shù)據(jù)，對設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作故障進行有效地準確診斷，成為石油化工過程與設(shè)備的操作優(yōu)化和在線維護的重要工具。

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Process equipment troubleshooting by gamma ray scanning technique

WEI Weisheng，XU Jian，BAO Xiaojun
（Faculty of Chemical Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

By an improved design for radiation source protection，the protection weight can be reduced significantly. A novel 360 degree planar radiation mode is employed. A portable gamma ray scanning system has been developed for the on-site measurement in petrochemical plants. A diagnosis and troubleshooting method for equipments in petrochemical process was proposed based on more than ten year industrial application of the gamma ray scanning technique. The structure and fluid flow characteristics inside the equipment can be measured rapidly and directly，then the structural and operating failure of the process equipments can be accurately diagnosed. Examples for troubleshooting on both structural and operating failure are introduced.

gamma ray scanning；process equipment；troubleshooting；process simulation

TL 812

A

1000–6613（2011）11–2563–06

2011-04-05；修改稿日期2011-07-22。

及聯(lián)系人：魏偉勝（1962—），男，碩士，研究員，研究方向為化學(xué)反應(yīng)工程。E-mail weiws@cup.edu.cn。