商顯棟，王軍明，張 號(hào)，王淑杰，李健銘，鄺吉貴，叢 曉，劉杲凱，宋明大,

(1.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，濟(jì)南250101；2.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南250061； 3.中國(guó)石化齊魯分公司熱電廠，淄博 255400；4.阿拉善盟特種設(shè)備檢驗(yàn)所，阿拉善盟 750306)

多層包扎氨合成塔是在高溫、高壓下使氮?dú)夂蜌錃獍l(fā)生催化反應(yīng)并進(jìn)行氨合成的設(shè)備。氨合成塔是化工企業(yè)的核心生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)使用過程中其外殼、內(nèi)件及底部副線管道事故時(shí)有發(fā)生[1-4]。

氨合成塔定期檢驗(yàn)時(shí)，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 的要求，停工檢驗(yàn)是規(guī)定的定檢形式，但當(dāng)壓力容器的安全狀況等級(jí)為4級(jí)時(shí)，需依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)第8.1.6.1節(jié)的第(3)條對(duì)壓力容器進(jìn)行監(jiān)控使用。監(jiān)控措施包括應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、泄漏監(jiān)測(cè)等。該標(biāo)準(zhǔn)的第8.3.9條還規(guī)定應(yīng)對(duì)無法進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)的壓力容器采用可靠的檢測(cè)技術(shù)(例如內(nèi)窺鏡、聲發(fā)射、超聲檢測(cè)等)從外部進(jìn)行檢測(cè)。氨合成塔工作環(huán)境復(fù)雜，外壁溫度高，干擾信號(hào)多，利用常規(guī)探頭對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)技術(shù)難度高，需要檢測(cè)人員對(duì)整個(gè)檢測(cè)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)梳理。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)踐的積累對(duì)多層包扎氨合成塔的安全管理具有重要意義。

1 檢測(cè)前期準(zhǔn)備

1.1 設(shè)備信息采集及加壓程序制定

某化工廠合成氨裝置于2013年制造，2016年投入使用。由于生產(chǎn)調(diào)度原因，3 a內(nèi)合成氨塔無法正常停工進(jìn)行首次定期檢驗(yàn)。筆者受廠方委托，對(duì)氨合成塔進(jìn)行聲發(fā)射在線檢測(cè)。該氨合成塔為多層包扎結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的設(shè)計(jì)溫度為400 ℃，外筒壁為200 ℃，實(shí)際使用時(shí)外壁溫度不會(huì)超過140 ℃，環(huán)境溫度為0 ℃。筒體內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力為26 MPa，最高工作壓力為11.40 MPa。外壁材料為Q345R鋼。保溫層為玻璃纖維材料，厚度約為100 mm。

筆者調(diào)研了氨合成塔投用以來的狀態(tài)監(jiān)控資料，重點(diǎn)關(guān)注了設(shè)備壓力及溫度波動(dòng)情況，確定了氨合成塔運(yùn)行正常且無超溫超壓等異常狀況出現(xiàn)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.9-2012 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第9部分：聲發(fā)射檢測(cè)》 第5.4.1.3條對(duì)在用承壓設(shè)備加壓程序的規(guī)定，對(duì)于在用承壓設(shè)備的在線檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，當(dāng)工藝條件限制聲發(fā)射檢測(cè)所要求的試驗(yàn)壓力時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)不低于最高工作壓力，且應(yīng)在檢測(cè)前一個(gè)月將操作壓力降低至少15%，以滿足檢測(cè)時(shí)的加壓循環(huán)要求。檢測(cè)開始前1個(gè)月，檢測(cè)人員降低了裝置整體的運(yùn)行壓力。

氨合成裝置中氨合成塔、熱交換器、冷交換器、氨分離器、油分離器等壓力容器的最高工作壓力均為11.40 MPa。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的氨合成塔的在線檢測(cè)加壓程序曲線如圖1所示。首先控制系統(tǒng)整體降壓到9.70 MPa(最高工作壓力的85%)，保壓后升壓至11.40 MPa(最高工作壓力)，然后再降壓至9.70 MPa，最后升壓至11.10 MPa。

圖1 氨合成塔的在線檢測(cè)加壓程序曲線

1.2 波導(dǎo)桿有限元模擬分析

聲發(fā)射儀型號(hào)為SAMOS，該設(shè)備有48個(gè)通道；探頭型號(hào)為DP15I，由于該型號(hào)探頭為常溫探頭，不能放在氨合成塔超過100 ℃的筒體外表面，所以筆者采用波導(dǎo)桿對(duì)設(shè)備進(jìn)行在線檢測(cè)。設(shè)備外表面溫度較高且含有保溫層，需要對(duì)波導(dǎo)桿的溫度變化進(jìn)行有限元模擬分析。

氨合成塔外筒壁設(shè)計(jì)的最高溫度tw為200 ℃，環(huán)境最高溫度tf為35 ℃，保溫層外最高溫度to為60 ℃(夏季蒙皮的最高溫度)。波導(dǎo)桿直徑為15 mm，長(zhǎng)為250 mm，波導(dǎo)桿材料為Q345R鋼。波導(dǎo)桿的熱導(dǎo)率λQ345R=48 W·(mK)-1，保溫層的熱導(dǎo)率λ保溫=0.045 W·(mK)-1，波導(dǎo)桿與空氣的對(duì)流熱換系數(shù)h=5 W·(m2K)-1。

波導(dǎo)桿的簡(jiǎn)化模型如圖2所示。對(duì)保溫層外和保溫層內(nèi)的導(dǎo)熱問題進(jìn)行分析。保溫層外的溫度較低，可以忽略波導(dǎo)桿輻射換熱的影響。y方向上波導(dǎo)桿的導(dǎo)熱熱阻與x方向上的導(dǎo)熱熱阻之比遠(yuǎn)小于1，且y方向上波導(dǎo)桿的導(dǎo)熱熱阻與空氣的對(duì)流換熱熱阻之比遠(yuǎn)小于1，可將該部分導(dǎo)熱問題看為準(zhǔn)一維穩(wěn)態(tài)下的導(dǎo)熱問題。在保溫層內(nèi)，波導(dǎo)桿四周被保溫層包圍，因?yàn)楸貙拥膶?dǎo)熱率遠(yuǎn)小于波導(dǎo)桿的導(dǎo)熱率，所以研究認(rèn)為波導(dǎo)桿四周絕熱，溫度沿x軸變化，同樣按一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題進(jìn)行處理。保溫層內(nèi)波導(dǎo)桿的導(dǎo)熱流量φ由式(1)計(jì)算得到，結(jié)果為11.87 W。

(1)

式中：A為波導(dǎo)桿的截面積；Δt為外筒壁與保溫層外壁的最高溫度差；δ為保溫層內(nèi)波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度。

圖2 波導(dǎo)桿簡(jiǎn)化模型示意

波導(dǎo)桿的有限元仿真模型如圖3所示，仿真計(jì)算得到的溫度分布如圖4所示。

圖3 波導(dǎo)桿的有限元仿真模型

圖4 波導(dǎo)桿仿真計(jì)算得到的溫度分布

由圖4可知，波導(dǎo)桿端面的模擬溫度為53.589 ℃，該模擬結(jié)果為外部環(huán)境溫度與外筒壁溫度為設(shè)計(jì)最大值時(shí)的結(jié)果，實(shí)際溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀谠撃M結(jié)果。這表明溫度可以滿足常溫聲發(fā)射探頭的使用條件。

2 檢測(cè)過程

氨合成塔共計(jì)9條環(huán)焊縫，每條環(huán)焊縫各布置3根波導(dǎo)桿，波導(dǎo)桿等間隔120°沿環(huán)焊縫布置，且相鄰環(huán)焊縫上的各波導(dǎo)桿間隔60°錯(cuò)開分布。設(shè)備下封頭布置1個(gè)波導(dǎo)桿。波導(dǎo)桿傳感器的最大間距為2 277 mm，氨合成塔上波導(dǎo)桿傳感器的布置陣列如圖5所示。

圖5 氨合成塔上波導(dǎo)桿傳感器的布置陣列示意

采用焊接方法連接波導(dǎo)桿與設(shè)備筒體外殼。波導(dǎo)桿一定要和設(shè)備殼體良好耦合，這是檢測(cè)成敗的關(guān)鍵[5]。作業(yè)單位需取得相應(yīng)資質(zhì)，施焊前需制定相應(yīng)的施工方案，且方案須得到作業(yè)單位的技術(shù)批準(zhǔn)。焊接人員須具有質(zhì)檢系統(tǒng)頒發(fā)的相應(yīng)等級(jí)證書，必須采用評(píng)定合格的焊接工藝，并嚴(yán)格按照焊接操作規(guī)程施焊。

焊接完成后必須按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.4-2015 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第4部分：滲透檢測(cè)》 要求對(duì)焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，合格級(jí)別為I級(jí)。磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在超標(biāo)缺陷后，需對(duì)缺陷進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，確認(rèn)后可進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后再進(jìn)行磁粉檢測(cè)，合格級(jí)別為I級(jí)。

波導(dǎo)桿焊接驗(yàn)收合格后，依據(jù)傳感器設(shè)置位置，用磁性座固定傳感器，試驗(yàn)使用的耦合劑為真空酯。波導(dǎo)桿傳感器與筒體的連接外觀如圖6所示。

圖6 波導(dǎo)桿傳感器與筒體的連接外觀

設(shè)備連接完畢，利用模擬源進(jìn)行實(shí)際聲速測(cè)量，模擬源選用直徑為0.3 mm且硬度等級(jí)為2H的鉛筆。沿間距最大的兩個(gè)傳感器的連線進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，通過接收信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算得到實(shí)際聲速為3.4 km·s-1，測(cè)定聲速后進(jìn)行模擬源靈敏度測(cè)試及校準(zhǔn)定位。靈敏度合格的要求是各個(gè)通道對(duì)斷鉛信號(hào)的響應(yīng)幅值大于90 dB，且各通道幅值與平均幅值的差不大于4 dB。試驗(yàn)將門檻值設(shè)置為80 dB。經(jīng)測(cè)量，安裝波導(dǎo)桿的各通道傳感器斷鉛信號(hào)的響應(yīng)幅值的平均值為85 dB，各通道響應(yīng)幅值與平均幅值的差滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但靈敏度有一定的損失。

探頭靈敏度校準(zhǔn)完成后，需對(duì)定位精度進(jìn)行校準(zhǔn)，此時(shí)檢測(cè)人員將試驗(yàn)門檻值調(diào)為48 dB，重新開始采集信號(hào)。在容器的不同位置進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，觀察定位結(jié)果的唯一性和準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，在實(shí)際聲速測(cè)量準(zhǔn)確的前提下(測(cè)量位置應(yīng)遠(yuǎn)離接管等不連續(xù)的地方)，定位精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(標(biāo)準(zhǔn)要求的精度為最大傳感器間距的5%)。

將所有通道的門檻值設(shè)為20 dB后進(jìn)行信號(hào)采集，觀察各個(gè)通道的最高幅值，即系統(tǒng)背景噪聲。各通道信號(hào)的最高幅值為42 dB，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18182-2012 《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》的要求，門檻上浮6 dB調(diào)節(jié)到48 dB。聲發(fā)射檢測(cè)儀參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 聲發(fā)射檢測(cè)儀器參數(shù)設(shè)置

已知探頭的最大間距是2 277 mm，只需繪出聲波在被檢設(shè)備上2 277 mm之內(nèi)的衰減曲線即可。選定一個(gè)探頭(此時(shí)可以通過硬件設(shè)置關(guān)閉其他探頭)，在距此探頭0，200，400，600，800，1 000，1 300，1 600，1 900，2 200 mm處分別進(jìn)行3次斷鉛，記錄該探頭的響應(yīng)幅值。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，信號(hào)傳播2.2 m后幅值衰減到60 dB，即信號(hào)衰減速率約為11.36 dB·m-1。可據(jù)此推斷在該設(shè)置下，信號(hào)幅值小于73 dB的缺陷有可能漏檢。實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中可適當(dāng)降低門檻值以減小缺陷的漏檢率。

3 結(jié)果分析

實(shí)際在線檢測(cè)的加壓程序在車間控制室完成，受生產(chǎn)調(diào)度影響，氨合成塔系統(tǒng)升壓及降壓較慢，保壓時(shí)間累計(jì)達(dá)3 h。這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)噪聲控制提出了更高的要求。實(shí)際加壓程序曲線如圖7所示。

圖7 實(shí)際加壓程序曲線

對(duì)采集的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析，一共發(fā)現(xiàn)3個(gè)明顯的聲發(fā)射定位源，其由直徑為228 mm的圓框定(見圖8)。利用設(shè)備筒體外表面的斷鉛試驗(yàn)信號(hào)來反標(biāo)記定位源的位置，并在氨合成塔的外表面用記號(hào)筆標(biāo)記出定位源的區(qū)域。標(biāo)記時(shí)定位區(qū)域可以盡量放大，以方便復(fù)驗(yàn)檢測(cè)。

圖8 聲發(fā)射定位源位置示意

根據(jù)聲發(fā)射源區(qū)幅值最大的前5個(gè)定位信號(hào)的平均值確定定位源的強(qiáng)度。參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18182-2012對(duì)聲發(fā)射定位源進(jìn)行強(qiáng)度分級(jí)?；胤艛?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射定位源信號(hào)在升壓或保壓過程中間斷出現(xiàn)，同樣參考該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聲發(fā)射定位源進(jìn)行活性分級(jí)。聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度及活性分級(jí)綜合評(píng)級(jí)結(jié)果如表2所示。

表2 聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度及活性分級(jí)綜合評(píng)級(jí)結(jié)果

對(duì)表2中的3個(gè)定位源信號(hào)進(jìn)行分析。第一次升壓、保壓及第二次保壓過程是定位源信號(hào)獲取的主要時(shí)間段，第二次升壓過程中基本沒有出現(xiàn)定位源信號(hào)。對(duì)源信號(hào)的變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)S1，S2，S3定位源信號(hào)的幅值相差不大，試驗(yàn)獲取的典型聲發(fā)射定位源信號(hào)如圖9所示。由圖9可知，試驗(yàn)獲取的信號(hào)有連續(xù)型摩擦定位信號(hào)的特征，未見典型的裂紋突發(fā)型信號(hào)。由以往的研究可知，多層包扎氨合成裝置整體在線檢測(cè)的重點(diǎn)在于排除層間摩擦信號(hào)并得到有效信號(hào)[5]。同時(shí)，多層包扎設(shè)備在升壓及保壓過程中存在的噪聲信號(hào)較多，內(nèi)層層板發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)不易被收集，聲發(fā)射源不易定位，以及在規(guī)定的試驗(yàn)壓力下外側(cè)層板不能達(dá)到足夠的應(yīng)力水平，不能保證活性缺陷成為有效的聲發(fā)射源[6-8]。在上述問題存在的前提下，聲發(fā)射定位源信號(hào)中肯定包含部分噪聲信號(hào)。為了過濾定位源中的噪聲信號(hào)，筆者對(duì)集中定位及分散定位信號(hào)的特征參數(shù)(上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表3)，發(fā)現(xiàn)分散定位與集中定位的上升時(shí)間及持續(xù)時(shí)間有較大的不同。集中定位信號(hào)的上升時(shí)間更短，持續(xù)時(shí)間更短。根據(jù)上升時(shí)間的不同可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾。上升時(shí)間更短的信號(hào)更可能是突發(fā)型的有效信號(hào)。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)聲發(fā)射定位源進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。對(duì)設(shè)備本體的聲發(fā)射定位源區(qū)域進(jìn)行打磨，打磨后對(duì)其進(jìn)行磁粉及超聲檢測(cè)。定位源S1未發(fā)現(xiàn)缺陷，但S1所處位置靠近設(shè)備筒體接管，筆者推測(cè)定位信號(hào)為設(shè)備進(jìn)出料口氣體與筒體內(nèi)部部件摩擦形成。定位源S2表面檢測(cè)未見異常，超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在點(diǎn)狀缺陷，推測(cè)定位信號(hào)與點(diǎn)狀缺陷內(nèi)部摩擦及缺陷擴(kuò)展有關(guān)。定位源S3表面檢測(cè)未見異常，超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在條狀缺陷，深度為12 mm，位于焊縫根部。筆者推測(cè)定位信號(hào)與焊縫根部條狀缺陷內(nèi)部氧化皮脫落、雜物摩擦及缺陷擴(kuò)展有關(guān)。為保證設(shè)備的安全運(yùn)行，設(shè)備停工檢修時(shí)須對(duì)定位源S2及S3的內(nèi)部缺陷進(jìn)行處理。

圖9 試驗(yàn)獲取的典型聲發(fā)射定位源信號(hào)

表3 集中定位及分散定位的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù) ms

4 結(jié)語

(1) 采用常溫探頭進(jìn)行在線檢測(cè)時(shí)需要利用波導(dǎo)桿進(jìn)行信號(hào)采集。波導(dǎo)桿的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足溫度及聲發(fā)射信號(hào)采集的要求。

(2) 波導(dǎo)桿的存在會(huì)使聲發(fā)射探頭信號(hào)采集的靈敏度降低，部分低幅值信號(hào)的缺陷有可能漏檢，可適當(dāng)降低門檻值以減小缺陷的漏檢率。

(3) 在線檢測(cè)過程中會(huì)得到有意義的聲發(fā)射定位信號(hào)，信號(hào)多在第一次升壓、保壓及第二次保壓過程中出現(xiàn)，保壓過程的時(shí)間可以盡量延長(zhǎng)，以保證收到更多的有效信號(hào)。缺陷信號(hào)具有連續(xù)型摩擦定位信號(hào)的特征；集中定位信號(hào)的平均上升時(shí)間短，最有可能是有效的定位信號(hào)。