摘要：2019年2月,某炼油厂制氢装置设备员在巡检时发现某吸附塔开裂泄漏,裂纹位于母材位置,距环焊缝160 mm,该裂纹长285 mm,沿塔壁纵向扩展,外壁裂纹形貌如图1所示。经查设备资料,该吸附塔材料为16 MnR,规格为ϕ2 800 mm（直径）×13 356

2019年2月,某炼油厂制氢装置设备员在巡检时发现某吸附塔开裂泄漏,裂纹位于母材位置,距环焊缝160 mm,该裂纹长285 mm,沿塔壁纵向扩展,外壁裂纹形貌如图1所示。经查设备资料,该吸附塔材料为16 MnR,规格为ϕ2 800 mm（直径）×13 356 mm（高度）×30 mm（壁厚）,操作温度为常温,塔内介质主要为氢气和少量甲烷、一氧化碳、二氧化碳。该吸附塔长期经历吸附、降压、顺放、逆放、冲洗、升压等循环过程,操作压力在0.03~2.5 MPa内循环变化,单个循环周期为40~500 s,吸附-解吸压力曲线如图2所示。使用单位对该设备进行失效分析,推断该起开裂是长期循环载荷作用导致的机械疲劳引起。经评估,裂纹起始于外壁,并向内壁扩展,最终贯穿整个塔壁,对设备的安全性造成了严重的影响。

图 1 某吸附塔外壁裂纹形貌

图 2 吸附-解吸压力曲线

从安全角度考虑,使用单位需要对其余同类疲劳工况吸附塔的开裂情况进行在线排查。由于该批吸附塔主要介质为氢气,有易燃易爆的特点,在线运行时不具备大面积动火打磨油漆的条件,因此常规的磁粉、渗透等检测方法难以实施,需对其在线检测方法的有效性和准确性进行研究。

阵列涡流检测（ECAT）采用阵列式传感器,借助计算机对激励次序进行快速控制和处理,可实现大面积范围的高速检测[1-5]。阵列涡流检测技术不需要进行表面耦合,可以隔着一定厚度的涂层对焊缝表面缺陷进行检测,已在船舶、石化等行业广泛应用。相关研究表明,阵列涡流检测技术可以对涂层下碳钢焊缝的表面裂纹进行检测,当涂层厚度超过1.5 mm时,检测信号较弱,缺陷容易漏检,但未进一步给出漏检裂纹的参考尺寸[6]。利用阵列涡流检测技术对吸附塔进行在线检测,需要研究涂层厚度对检测精度的影响,且因其存在微小开裂漏检的可能,因此需要采取其他检测方法作为吸附塔漆层下裂纹的补充检测手段。

声发射（AE）是指材料中局部源能量快速释放而产生瞬态弹性波的现象,声发射检测则是依据该原理检测材料内部因结构变化而产生的瞬态弹性波信号,从而实现材料完整性及缺陷情况的评估[7]。相关研究表明,可以使用声发射技术对裂纹的萌生与扩展进行检测[8],但微小尺寸的裂纹在疲劳工况下开裂的声发射信号特征规律尚不清晰,需要进一步试验研究。

针对上述难题,文章研究漆层厚度提离效应对阵列涡流检测精度的影响,以及微小裂纹在三点弯曲载荷下开裂扩展的声发射信号特征,对吸附塔漆层下裂纹开展阵列涡流在线检测,并制定声发射检测工艺作为补充检测手段。

试验采用Eddyfi Technologies公司的ECTANE2-E64RNMI型阵列涡流检测仪和CUE-ECA64 （SHARCK-W028-EH05S）型探头,以碳钢材料平板对比试块为检测对象,采用阵列涡流检测方法对对比试块进行不同涂层厚度的模拟检测试验。对比试块参考标准NB/T 47013.6—2015《承压设备无损检测 第6部分：涡流检测》的要求,加工出宽度均为0.2 mm,长度均为60 mm,深度分别为2.0,1.0,0.5 mm的人工刻槽,对比试块实物如图3所示,分别选取1,2,3张1.0 mm厚的绝缘垫片放置在对比试块表面,用来模拟厚度为1.0,2.0,3.0 mm 的涂层。

图 3 对比试块实物

无涂层、1.0 mm涂层、2.0 mm涂层、3.0 mm涂层对比试块的阵列涡流检测结果如图4所示。从试验结果可知,涂层厚度不超过2 mm时,对比试块上三个刻槽的阵列涡流检测信号均能清晰显示,然而,随着涂层厚度的增加,0.5 mm深的人工刻槽的显示信号逐渐减弱,深度0.5 mm以下的微小开裂存在漏检的可能性。涂层厚度为3 mm时,对比试块上三个刻槽的阵列涡流检测信号均无明显显示。

图 4 带不同厚度涂层试件的阵列涡流检测结果

经现场实测,失效吸附塔的外表面涂层厚度约为0.5~1.0 mm,取最大值1.0 mm。为保护阵列涡流探头,现场检测时需要加套1 mm厚塑料保护膜,因此现场阵列涡流检测的最大提离深度约为2.0 mm。虽然阵列涡流检测技术可以克服涂层影响,对塔的表面裂纹进行检测,但是该检测方法受漆层厚度影响,对0.5 mm以下微小开裂存在漏检可能,而影响氢吸附塔的正常运行和安全性。

选用Vallen System公司的多通道AMSY-6式声发射数据采集系统作为信号监测装置,使用VS150-M式探头搭配AEP5式前置放大器采集声发射信号。试验选定采样频率为10 MHz,放大器增益为34 dB,探头工作频率为100~400 kHz,谐振频率为150 kHz,设定门槛值为34 dB。

利用声发射检测技术对吸附塔漆层下深度0.5 mm以下的微小开裂进行补充检测,需要得到微小裂纹萌生阶段的声发射信号特征。文章参照标准GB/T 232—2010《金属材料弯曲试验方法》的要求,加工预制V型缺口的碳钢试块进行三点弯曲试验（试验现场见图5）。AE信号撞击数随载荷位移的变化情况如图6所示,可以看出,V型缺口处持续产生了大量的AE信号,V型缺口处裂纹萌生时,裂纹尺寸小于0.5 mm,AE信号撞击数（活性）明显上升并达到峰值,因此可以用AE信号撞击数表征吸附塔微小裂纹的萌生。

图 5 V型缺口试块三点弯曲试验现场

图 6 AE信号撞击数随载荷位移的变化情况

现场检测吸附塔时,对其外壁进行阵列涡流在线扫查,扫查区域包含筒体母材及焊缝。经扫查,发现塔壁筒体母材上存在十余处相关显示,其中两处典型缺陷的阵列涡流检测异常信号位置如图7所示,其阵列涡流检测信号显示如图8所示,分析1#和2#两处阵列涡流检测显示信号,其呈现裂纹的信号特征。

图 7 阵列涡流检测异常信号位置示意

图 8 两处典型缺陷的阵列涡流检测信号

在不影响装置运行的前提下,将该塔短暂停车并对1#位置除漆打磨,然后采用磁粉检测方法复验,发现裂纹类磁痕显示,继续打磨后发现母材表面开裂,吸附塔阵列涡流在线检测信号异常处的现场验证结果如图9所示,该结果与阵列涡流检测结果得到验证后,依次对其余缺陷进行消缺处理。

图 9 吸附塔阵列涡流在线检测信号异常处的现场验证结果

阵列涡流检出的裂纹虽已全部消除,但该方法受漆层厚度影响,漆层下微小开裂仍然存在漏检的可能性,因此现场采用声发射检测技术对吸附塔进行在线补充检测。

现场吸附塔AE传感器布置情况如下：筒体均匀布置5层,每层间距均为2 350 mm；每层均匀布置4个传感器,相邻传感器间的间距均为2 245 mm；1#,9#,17#传感器在正北方向,5#,13#传感器在西北方向；21#,2#传感器位于封头顶部,声发射传感器布置位置如图10所示。对传感器的安装部位进行表面打磨油漆处理,使其表面平整并露出金属光泽,然后在传感器的安装部位涂上真空脂耦合剂,使传感器与被检件表面达到良好的声耦合状态。

图 10 声发射传感器布置位置示意

将已安装的传感器和系统主机用电缆线连接,开机预热至系统稳定工作状态,对声发射检测系统进行初步工作参数设置并调试。由于装置运行时不具备人工加载的条件,此次声发射检测采用吸附塔的实际工作压力作为加载程序,即吸附、降压、顺放、逆放、冲洗、升压以及最终升压过程（见图2）。经声发射检测,现场未发现有意义的声发射定位源信号,即未发现正在扩展的裂纹缺陷。

文章结合制氢吸附塔在线不打磨检测实例,提出采用阵列涡流方法进行在线扫查,并在缺陷消除后进行利用声发射补充检测的组合方案,主要结论如下。

（1）阵列涡流检测技术对于制氢吸附塔漆层下开裂缺陷的在线检测具有适用性。但是阵列涡流检测方法受漆层厚度影响,深度0.5 mm以下微小开裂存在漏检可能性。

（2）通过提取微小裂纹声发射信号特征,采用声发射检测技术对吸附塔微小开裂缺陷进行了在线补充检测,未发现正在扩展的裂纹缺陷。

（3）经检测合格的吸附塔装置连续运行5 a未再发生泄漏的情况,提出的在线检测方案为疲劳开裂在线不打磨检测提供了参考和借鉴。

来源：小林科技观察