胡 棟 李杜偉 翟永軍 陸 斌 陳增江

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 引言

加氫裂化裝置是石油煉化工藝中的關(guān)鍵設(shè)備[1]，在高溫、臨氫及其他介質(zhì)的影響下，易產(chǎn)生腐蝕及開(kāi)裂。為了提高其耐腐蝕性能，加氫裂化裝置主要承壓部件多采用奧氏體不銹鋼或奧氏體不銹鋼襯里，但其在苛刻條件下長(zhǎng)期工作仍無(wú)法避免產(chǎn)生缺陷。奧氏體不銹鋼不具有導(dǎo)磁性，通常采用滲透技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，但滲透技術(shù)基于毛細(xì)孔效應(yīng)，只能進(jìn)行開(kāi)口型缺陷檢測(cè)，并無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定性和定量，在檢測(cè)貫穿性裂紋時(shí)，容易產(chǎn)生漏檢和誤判。

交流電磁場(chǎng)技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理，在導(dǎo)電體表面感應(yīng)出均勻的交變電流，均流場(chǎng)會(huì)在工件的不連續(xù)部位產(chǎn)生擾動(dòng)，造成空間磁場(chǎng)畸變，并在缺陷的縱向和深度方向端點(diǎn)處產(chǎn)生規(guī)律性特征，利用磁阻傳感器獲取空間磁場(chǎng)信號(hào)并進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)缺陷的長(zhǎng)度與深度定量。交流電磁場(chǎng)技術(shù)檢測(cè)效果受材料磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率影響，一般情況下，磁導(dǎo)率越低，檢測(cè)效果越好，因此可應(yīng)用于不銹鋼材料的檢測(cè)中；其次，交流電磁場(chǎng)檢于測(cè)信號(hào)是基于空間磁場(chǎng)的變化的連續(xù)信號(hào)，在沿不銹鋼焊縫及不銹鋼堆焊焊道檢測(cè)時(shí)，受焊縫及堆焊層不連續(xù)干擾較小。本文通過(guò)制備不銹鋼焊接試板及堆焊層試塊模擬加氫裂化裝置，開(kāi)展交流電磁場(chǎng)檢測(cè)研究，討論定性定量檢測(cè)的精度及可行性。

1 加氫裂化裝置工藝流程及損傷模式

加氫裂化裝置是將重油轉(zhuǎn)化成為輕油的工藝裝置[2]，對(duì)原料油的適應(yīng)性較強(qiáng)，可加工直鎦柴油、催化裂化循環(huán)油、焦化鎦出油，也可用于脫瀝青重殘油生產(chǎn)汽油、航空煤油和低凝固點(diǎn)柴油，生產(chǎn)方案比較靈活，可根據(jù)不同季節(jié)要求來(lái)改變生產(chǎn)方案。加氫裂化裝置[3]操作壓力為8～20 MPa，操作溫度為380～450 ℃，以硅酸鋁、氟化鋁為擔(dān)體，原料油經(jīng)過(guò)濾、脫水后進(jìn)入緩沖罐，由高壓泵升壓后與氫氣混合進(jìn)入換熱器，然后進(jìn)入加熱爐預(yù)熱，預(yù)熱后從反應(yīng)器頂部進(jìn)入，在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)完成后從底部排出，經(jīng)與新鮮原料、循環(huán)氫加熱后進(jìn)入空冷器冷卻，通過(guò)高壓分離器來(lái)實(shí)現(xiàn)油、油氣和氫氣的分離過(guò)程，生成油通過(guò)分餾塔、汽提塔、脫丁烷塔分流后得到汽油、柴油等產(chǎn)品。

加氫裂化裝置在高溫高壓環(huán)境下工作，介質(zhì)包含氫氣、硫化氫和烴類等，損傷形態(tài)主要包括材質(zhì)劣化、腐蝕減薄和環(huán)境開(kāi)裂[4]。其中材質(zhì)劣化形式包括珠光體球化、石墨化、蠕變、脫碳，腐蝕減薄包括高溫硫腐蝕、高溫環(huán)烷酸腐蝕、高溫硫化氫腐蝕等，環(huán)境開(kāi)裂主要包括硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和氫致開(kāi)裂，其中氫致開(kāi)裂從熱壁加氫裂化裝置堆焊層表面向內(nèi)部擴(kuò)展，這也是加氫裂化裝置的主要損傷模式。

2 交流電磁場(chǎng)（ACFM）檢測(cè)技術(shù)

2.1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

根據(jù)電磁感應(yīng)原理[5]，對(duì)交流電磁場(chǎng)激勵(lì)探頭施加交流電后，在工件表面感應(yīng)出均勻交變電流，在無(wú)缺陷或遠(yuǎn)離缺陷處，感應(yīng)磁場(chǎng)未產(chǎn)生較大變化，當(dāng)探頭從缺陷位置經(jīng)過(guò)時(shí)，由于缺陷處空間不連續(xù)導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化，感應(yīng)電流從缺陷的兩邊和底部（對(duì)開(kāi)口型缺陷）或頂部（對(duì)近表面非開(kāi)口型缺陷）繞過(guò)，引起表面磁場(chǎng)擾動(dòng)。

圖1 交流電磁場(chǎng)檢測(cè)原理

將空間磁場(chǎng)在笛卡爾坐標(biāo)系中分解，可以得到磁通密度在三個(gè)維度上的分量，其中平行于電流方向的分量為By，沿表面垂直于電流方向的分量為Bx，垂直于工件表面的分量為Bz。在缺陷部位，電流發(fā)生繞行，流經(jīng)缺陷的電流密度減小，感應(yīng)磁場(chǎng)的磁通密度將出現(xiàn)極?。ū砻骈_(kāi)口型）或極大值（非表面開(kāi)口型），因此Bx具備單谷或單峰特征；而流經(jīng)缺陷兩端的電流密度增大，缺陷兩端的磁通密度將處于極大值，根據(jù)右手定則，缺陷兩端點(diǎn)的相位會(huì)發(fā)生180°變化，因此Bz具備類正弦信號(hào)特征；By的數(shù)量級(jí)較小，在不需要特殊處理下，可不用于缺陷的判定。

2.2 集膚效應(yīng)

感應(yīng)電流在導(dǎo)體內(nèi)通常沿表面流動(dòng)，這種現(xiàn)象為集膚效應(yīng)[6]，集膚層厚度由式（1）確定：

由式（1）可知，集膚層厚度與材料的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率及電流頻率有關(guān)。材料的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率是材料的固有屬性，由被檢測(cè)對(duì)象決定，因此，可通過(guò)降低頻率增大集膚層厚度，集膚層厚度增大有利于近表面非開(kāi)口型缺陷的檢出。

2.3 ACFM缺陷檢測(cè)模型

缺陷引起的電磁場(chǎng)擾動(dòng)包含兩部分[7]：

式中：A0（X,Y,Z）——檢測(cè)電流感應(yīng)的矢量勢(shì)函數(shù)；

Ap（X,Y,Z）——缺陷引起的電場(chǎng)擾動(dòng)感應(yīng)的矢量勢(shì)函數(shù)。

根據(jù)電磁感應(yīng)，矢量勢(shì)函數(shù)A0（X,Y,Z）和Ap（X,Y,Z）都滿足Laplace方程[8]：

其中，A0（X,Y,Z）滿足無(wú)缺陷時(shí)的邊界條件為：

Ap（X,Y,Z）滿足含缺陷狀態(tài)時(shí)的邊界條件為：

式中：c——缺陷寬度。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬石油裂化裝置，制備了奧氏體不銹鋼焊縫及奧氏體不銹鋼堆焊層試塊，以縱向刻槽模擬裂紋缺陷，不銹鋼焊縫試塊從焊縫背面刻槽，槽深分別為3 mm和5 mm，長(zhǎng)度分別為10 mm和15 mm，奧氏體不銹鋼堆焊層試塊從覆層側(cè)加工開(kāi)口型槽，槽深為3 mm，長(zhǎng)度為10 mm，試塊及模擬缺陷參數(shù)如表1所示。

表1 試塊及缺陷參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用1 kHz頻率探頭沿焊道進(jìn)行檢測(cè)。

以試塊1焊縫背面為檢測(cè)面，模擬不銹鋼焊縫開(kāi)口型裂紋進(jìn)行檢測(cè)，缺陷1和缺陷2的檢測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 缺陷1焊縫背面檢測(cè)結(jié)果

圖3 缺陷2焊縫背面檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果圖中，Bx和Bz分量圖中橫坐標(biāo)代表距離，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度，蝶形圖為Bx，Bz的關(guān)聯(lián)圖，橫坐標(biāo)為Bx磁感應(yīng)強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為Bz磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖2 a）中 基值（無(wú)缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值）約為5 200 T，圖2 b）中Bz基值約為15 550 T，以缺陷1深度（3 mm）為基準(zhǔn)深度進(jìn)行標(biāo)定，確定的深度系數(shù)為5.953，基于該深度系數(shù)對(duì)缺陷2深度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得深度為4.09 mm，與實(shí)際深度5 mm相比，偏差約為1 mm，兩缺陷的Bx圖均有明顯谷狀特征，谷值相對(duì)基值降低約50 T，Bz分量有明顯極值，極值信號(hào)相位相反，相對(duì)基值上下約200 T，代表缺陷端點(diǎn)特征，兩缺陷測(cè)得長(zhǎng)度與實(shí)際相同，軟件長(zhǎng)度可精確到毫米，故偏差在5%以內(nèi)，蝶形圖具備閉環(huán)特征。

以試塊1焊縫表面為檢測(cè)面，模擬不銹鋼焊縫非開(kāi)口型裂紋進(jìn)行檢測(cè)，缺陷1和缺陷2的檢測(cè)結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4 缺陷1焊縫正面檢測(cè)結(jié)果

圖5 缺陷2焊縫正面檢測(cè)結(jié)果

模擬近表面非開(kāi)口型缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，缺陷1的Bx，Bz均未表現(xiàn)出明顯特征，蝶形圖未具備閉環(huán)特征，考慮原因?yàn)榧w效應(yīng)導(dǎo)致的有效檢測(cè)深度不足；缺陷 2 的Bx具備明顯峰狀特征，Bz基值約為15 580 T，缺陷端點(diǎn)具備明顯極值特征，相對(duì)基值上下約30 T，蝶形圖未具備閉環(huán)特征。

試塊2的檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 試塊2正面檢測(cè)結(jié)果

模擬堆焊層開(kāi)口缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，Bx具備谷型特征。Bz具備類正弦特征，基值約為15 150 T，極值點(diǎn)相對(duì)基值上下約100 T，蝶形圖有閉環(huán)趨勢(shì)，但受Bx缺陷后端信號(hào)影響，未形成有效閉環(huán)。長(zhǎng)度測(cè)量值為10 mm，與實(shí)際值相同，由于深度無(wú)標(biāo)定參考，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)該缺陷確定的深度系數(shù)為5.009。

5 結(jié)論

（1）采用交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)加氫裂化裝置不銹鋼焊縫及不銹鋼襯里檢測(cè)及定量。

（2）對(duì)于表面開(kāi)口型缺陷，蝶形圖具有閉環(huán)特征，因此靈敏度不受信號(hào)幅值影響，靈敏度較高。

（3）對(duì)于近表面非開(kāi)口型缺陷，蝶形圖不具有閉環(huán)特征，信號(hào)判定依賴于Bx和Bz的幅值，幅值隨深度增加而減小，因此缺陷埋深越深，靈敏度越低，埋深超過(guò)5 mm時(shí)，缺陷無(wú)法檢出。

（4）交流電磁場(chǎng)長(zhǎng)度的定量較為準(zhǔn)確，偏差約在5%以內(nèi)，偏差主要受限于編碼器精度，深度定量需以已知深度缺陷標(biāo)定，受限于材料表面各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度基值不同，深度定量存在較大偏差。