商顯棟，王軍明，張 號，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)備檢驗研究院有限公司，濟南250101；2.山東大學 機械工程學院，濟南250061； 3.中國石化齊魯分公司熱電廠，淄博 255400；4.阿拉善盟特種設(shè)備檢驗所，阿拉善盟 750306)

多層包扎氨合成塔是在高溫、高壓下使氮氣和氫氣發(fā)生催化反應并進行氨合成的設(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有發(fā)生[1-4]。

氨合成塔定期檢驗時，依據(jù)行業(yè)標準TSG 21-2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 的要求，停工檢驗是規(guī)定的定檢形式，但當壓力容器的安全狀況等級為4級時，需依據(jù)該標準第8.1.6.1節(jié)的第(3)條對壓力容器進行監(jiān)控使用。監(jiān)控措施包括應力應變監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測、泄漏監(jiān)測等。該標準的第8.3.9條還規(guī)定應對無法進行內(nèi)部檢測的壓力容器采用可靠的檢測技術(shù)(例如內(nèi)窺鏡、聲發(fā)射、超聲檢測等)從外部進行檢測。氨合成塔工作環(huán)境復雜，外壁溫度高，干擾信號多，利用常規(guī)探頭對其進行檢測技術(shù)難度高，需要檢測人員對整個檢測流程進行設(shè)計梳理?，F(xiàn)場檢測實踐的積累對多層包扎氨合成塔的安全管理具有重要意義。

1 檢測前期準備

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行首次定期檢驗。筆者受廠方委托，對氨合成塔進行聲發(fā)射在線檢測。該氨合成塔為多層包扎結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的設(shè)計溫度為400 ℃，外筒壁為200 ℃，實際使用時外壁溫度不會超過140 ℃，環(huán)境溫度為0 ℃。筒體內(nèi)的設(shè)計壓力為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，重點關(guān)注了設(shè)備壓力及溫度波動情況，確定了氨合成塔運行正常且無超溫超壓等異常狀況出現(xiàn)。依據(jù)標準NB/T 47013.9-2012 《承壓設(shè)備無損檢測 第9部分：聲發(fā)射檢測》 第5.4.1.3條對在用承壓設(shè)備加壓程序的規(guī)定，對于在用承壓設(shè)備的在線檢測和監(jiān)測，當工藝條件限制聲發(fā)射檢測所要求的試驗壓力時，試驗壓力應不低于最高工作壓力，且應在檢測前一個月將操作壓力降低至少15%，以滿足檢測時的加壓循環(huán)要求。檢測開始前1個月，檢測人員降低了裝置整體的運行壓力。

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)標準要求設(shè)計的氨合成塔的在線檢測加壓程序曲線如圖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加壓程序曲線

1.2 波導桿有限元模擬分析

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

氨合成塔外筒壁設(shè)計的最高溫度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)。波導桿直徑為15 mm，長為250 mm，波導桿材料為Q345R鋼。波導桿的熱導率λQ345R=48 W·(mK)-1，保溫層的熱導率λ保溫=0.045 W·(mK)-1，波導桿與空氣的對流熱換系數(shù)h=5 W·(m2K)-1。

波導桿的簡化模型如圖2所示。對保溫層外和保溫層內(nèi)的導熱問題進行分析。保溫層外的溫度較低，可以忽略波導桿輻射換熱的影響。y方向上波導桿的導熱熱阻與x方向上的導熱熱阻之比遠小于1，且y方向上波導桿的導熱熱阻與空氣的對流換熱熱阻之比遠小于1，可將該部分導熱問題看為準一維穩(wěn)態(tài)下的導熱問題。在保溫層內(nèi)，波導桿四周被保溫層包圍，因為保溫層的導熱率遠小于波導桿的導熱率，所以研究認為波導桿四周絕熱，溫度沿x軸變化，同樣按一維穩(wěn)態(tài)導熱問題進行處理。保溫層內(nèi)波導桿的導熱流量φ由式(1)計算得到，結(jié)果為11.87 W。

(1)

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

圖2 波導桿簡化模型示意

波導桿的有限元仿真模型如圖3所示，仿真計算得到的溫度分布如圖4所示。

圖3 波導桿的有限元仿真模型

圖4 波導桿仿真計算得到的溫度分布

由圖4可知，波導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)計最大值時的結(jié)果，實際溫度應當?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 檢測過程

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

圖5 氨合成塔上波導桿傳感器的布置陣列示意

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

焊接完成后必須按照標準NB/T 47013.4-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：滲透檢測》 要求對焊縫進行100%磁粉檢測，合格級別為I級。磁粉檢測發(fā)現(xiàn)存在超標缺陷后，需對缺陷進行反復驗證，確認后可進行補焊，補焊后再進行磁粉檢測，合格級別為I級。

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

圖6 波導桿傳感器與筒體的連接外觀

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

探頭靈敏度校準完成后，需對定位精度進行校準，此時檢測人員將試驗門檻值調(diào)為48 dB，重新開始采集信號。在容器的不同位置進行斷鉛試驗，觀察定位結(jié)果的唯一性和準確性。結(jié)果表明，在實際聲速測量準確的前提下(測量位置應遠離接管等不連續(xù)的地方)，定位精度滿足標準要求(標準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后進行信號采集，觀察各個通道的最高幅值，即系統(tǒng)背景噪聲。各通道信號的最高幅值為42 dB，依據(jù)標準GB/T 18182-2012 《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》的要求，門檻上浮6 dB調(diào)節(jié)到48 dB。聲發(fā)射檢測儀參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 聲發(fā)射檢測儀器參數(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。選定一個探頭(此時可以通過硬件設(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處分別進行3次斷鉛，記錄該探頭的響應幅值。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，信號傳播2.2 m后幅值衰減到60 dB，即信號衰減速率約為11.36 dB·m-1?？蓳?jù)此推斷在該設(shè)置下，信號幅值小于73 dB的缺陷有可能漏檢。實際數(shù)據(jù)采集過程中可適當降低門檻值以減小缺陷的漏檢率。

3 結(jié)果分析

實際在線檢測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，保壓時間累計達3 h。這對現(xiàn)場噪聲控制提出了更高的要求。實際加壓程序曲線如圖7所示。

圖7 實際加壓程序曲線

對采集的數(shù)據(jù)文件進行分析，一共發(fā)現(xiàn)3個明顯的聲發(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信號來反標記定位源的位置，并在氨合成塔的外表面用記號筆標記出定位源的區(qū)域。標記時定位區(qū)域可以盡量放大，以方便復驗檢測。

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個定位信號的平均值確定定位源的強度。參考標準GB/T 18182-2012對聲發(fā)射定位源進行強度分級。回放數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射定位源信號在升壓或保壓過程中間斷出現(xiàn)，同樣參考該標準對聲發(fā)射定位源進行活性分級。聲發(fā)射信號的強度及活性分級綜合評級結(jié)果如表2所示。

表2 聲發(fā)射信號的強度及活性分級綜合評級結(jié)果

對表2中的3個定位源信號進行分析。第一次升壓、保壓及第二次保壓過程是定位源信號獲取的主要時間段，第二次升壓過程中基本沒有出現(xiàn)定位源信號。對源信號的變化進行分析，發(fā)現(xiàn)S1，S2，S3定位源信號的幅值相差不大，試驗獲取的典型聲發(fā)射定位源信號如圖9所示。由圖9可知，試驗獲取的信號有連續(xù)型摩擦定位信號的特征，未見典型的裂紋突發(fā)型信號。由以往的研究可知，多層包扎氨合成裝置整體在線檢測的重點在于排除層間摩擦信號并得到有效信號[5]。同時，多層包扎設(shè)備在升壓及保壓過程中存在的噪聲信號較多，內(nèi)層層板發(fā)出的聲發(fā)射信號不易被收集，聲發(fā)射源不易定位，以及在規(guī)定的試驗壓力下外側(cè)層板不能達到足夠的應力水平，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)射定位源信號中肯定包含部分噪聲信號。為了過濾定位源中的噪聲信號，筆者對集中定位及分散定位信號的特征參數(shù)(上升時間和持續(xù)時間)進行統(tǒng)計分析(見表3)，發(fā)現(xiàn)分散定位與集中定位的上升時間及持續(xù)時間有較大的不同。集中定位信號的上升時間更短，持續(xù)時間更短。根據(jù)上升時間的不同可以對信號進行過濾。上升時間更短的信號更可能是突發(fā)型的有效信號。

依據(jù)標準要求對聲發(fā)射定位源進行復驗。對設(shè)備本體的聲發(fā)射定位源區(qū)域進行打磨，打磨后對其進行磁粉及超聲檢測。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，筆者推測定位信號為設(shè)備進出料口氣體與筒體內(nèi)部部件摩擦形成。定位源S2表面檢測未見異常，超聲檢測發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在點狀缺陷，推測定位信號與點狀缺陷內(nèi)部摩擦及缺陷擴展有關(guān)。定位源S3表面檢測未見異常，超聲檢測發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在條狀缺陷，深度為12 mm，位于焊縫根部。筆者推測定位信號與焊縫根部條狀缺陷內(nèi)部氧化皮脫落、雜物摩擦及缺陷擴展有關(guān)。為保證設(shè)備的安全運行，設(shè)備停工檢修時須對定位源S2及S3的內(nèi)部缺陷進行處理。

圖9 試驗獲取的典型聲發(fā)射定位源信號

表3 集中定位及分散定位的聲發(fā)射信號特征參數(shù) ms

4 結(jié)語

(1) 采用常溫探頭進行在線檢測時需要利用波導桿進行信號采集。波導桿的設(shè)計應滿足溫度及聲發(fā)射信號采集的要求。

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

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