中圖分類號TQ053.5 文獻標志碼B 文章編號0254-6094（2025）03-0514-05

我國的煉油廠多始建于二十世紀八九十年代，由于當時設計、施工建設條件的限制，且原油來源比較單一，硫化氫含量較低，導致諸多煉油設備采用的鋼材和制造工藝均未考慮濕硫化氫的破壞問題[1]。當煉制高含硫量、高酸值原油時，這些設備面臨嚴峻考驗。即使近年來新建裝置和設備已采用抗氫致開裂鋼，但服役時間不長，仍需要通過檢驗來保障設備的安全性。此外，由于工程管理的原因，在裝置運行過程中工藝并未按要求嚴格執(zhí)行，造成濕硫化氫破壞問題，嚴重的甚至導致整臺設備失效。

國內(nèi)外關于氫鼓包、氫致開裂等濕硫化氫損傷導致壓力容器失效的案例屢見不鮮[2-5]。但在定期檢驗時，因濕硫化氫損傷主要存在于殼體母材，具有較強的隱蔽性，如何在眾多壓力容器中篩選出容易發(fā)生濕硫化氫損傷的壓力容器和重點檢驗部位，如何在有限的停工檢修時間內(nèi)實現(xiàn)濕硫化氫損傷的快速檢出和缺陷性質(zhì)診斷，以及發(fā)現(xiàn)損傷后如何開展合于使用評價和在役監(jiān)測，這些關鍵問題在相關標準規(guī)范中（例如TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》）均未作出明確規(guī)定，按照常規(guī)檢測方法容易造成具有較大危害性的濕硫化氫損傷漏檢或誤判。因此，高效精確地檢測出氫鼓包、氫致開裂等宏觀損傷，對于發(fā)現(xiàn)濕硫化氫損傷后評估它對設備安全性能的影響以及在役監(jiān)測方面都具有重要意義。

筆者根據(jù)團體標準T/CASEI011—2022《濕硫化氫腐蝕環(huán)境固定式壓力容器定期檢驗規(guī)范》中的相關條款對某氨精制塔全面實施濕硫化氫損傷的無損檢測新技術(shù)檢驗，實現(xiàn)該團體標準在實際工程中的推廣應用。

1設備概況與存在的問題

被檢容器為某氨精制塔（T3402），容器筒體名義壁厚為 12mm ，材料為20R，介質(zhì)為 H₂S，NH₃ 、H₂O 。圖1為氨精制塔（T3402）的實物圖和內(nèi)表面缺陷宏觀圖。

在壓力容器定期檢驗過程中，檢驗人員進入容器內(nèi)部進行宏觀檢驗，發(fā)現(xiàn)該氨精制塔（T3402）內(nèi)表面存在一處較大面積的鼓起，測厚發(fā)現(xiàn)該處厚度約 5.9～6.3mm 。結(jié)合該容器的使用工況，初步確定為濕硫化氫環(huán)境下引起的鼓包缺陷。需要進一步對該缺陷進行檢測分析，并采用有效技術(shù)對整臺設備進行快速檢測和精確診斷，以便快速發(fā)現(xiàn)濕硫化氫損傷引起的類似缺陷，保障設備的安全使用。

2 檢驗檢測方案

電磁超聲是一種新型的無損檢測技術(shù)[6.7]，采用電磁耦合換能機制產(chǎn)生超聲波，具有無需耦合介質(zhì)、可重復性好的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)高溫環(huán)境下的快速檢測[8-I1]。電磁超聲技術(shù)主要用于檢測設備壁厚和腐蝕情況（無需打磨和涂抹耦合劑），自動爬壁器可以搭載電磁超聲探頭實現(xiàn)在鋼板上的快速移動，因此電磁超聲技術(shù)匹配自動爬壁器可以實現(xiàn)大面積快速連續(xù)檢測。為了檢測該鼓包缺陷的尺寸，并進一步判斷該容器的其他部位是否存在類似缺陷，采用電磁超聲檢測技術(shù)匹配自動爬壁器進行快速檢測。初步排查時，應兼顧缺陷檢出率和工作效率，一般應保證爬壁器相鄰掃查間距不超過 300mm 。電磁超聲自動爬行檢測時若發(fā)現(xiàn)壁厚值存在異常，則在容器的相應部位進行標記，并繪圖記錄詳細情況。必要時可縮小抽查間距，或?qū)梢刹课贿M行復驗，以確定壁厚異常部位的分布情況。

超聲相控陣檢測技術(shù)利用多通道的換能器產(chǎn)生和接收超聲波束，通過控制換能器陣列中各陣元發(fā)射或接收脈沖的不同延遲時間，改變聲波到達或來自物體內(nèi)某點時的相位關系，從而實現(xiàn)焦點和聲束方向的變化，達到超聲波波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦的目的[12-14]。在電磁超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的基礎上，采用相控陣技術(shù)進行缺陷的精確診斷，能夠?qū)崿F(xiàn)檢驗人員對缺陷的定位、定量和定性評價。檢測前，在可疑缺陷部位的母材表面劃分正交等距網(wǎng)格，探頭沿正交線進行逐條掃查 _^°0^° 縱波直人射C掃描和橫波斜人射S形扇掃檢測時探頭均需沿同樣的網(wǎng)格正交線逐條掃查，必要時可將多條掃查數(shù)據(jù)拼接后分析。橫波斜入射S形扇掃檢測時，橫波聲束覆蓋角度推薦采用 35～75^° 。對于宏觀檢查發(fā)現(xiàn)的鼓包部位以及其他可能產(chǎn)生氫致開裂的可疑部位，需要進行缺陷診斷時，可以采用相控陣超聲檢測方法確定缺陷的分布、尺寸等情況。

電磁超聲檢測采用InnerspecPowerBoxH主機和InnerspecMUST電磁超聲自動爬壁器。相控陣檢測采用GEKKO64：64PR-TFM64實時全聚焦相控陣檢測儀。在實驗室試驗或仿真的基礎上，制定相應的檢測工藝，包括探頭的選擇、激發(fā)參數(shù)的設置、缺陷的判別等。

3全聚焦相控陣特征圖譜的CIVA仿真

CIVA軟件可用來設計或優(yōu)化無損檢測方法，以及預測在實際無損探傷工作中的檢測能力[15]。筆者利用CIVA軟件進行濕硫化氫環(huán)境下服役壓力容器氫致宏觀缺陷（氫鼓包、氫致開裂）的缺陷響應研究，得到全聚焦相控陣技術(shù)對氫鼓包和氫致開裂缺陷的圖譜特征。壓力容器壁厚為 12mm ，假設缺陷位于容器鋼板的中部位置，在仿真軟件中建立氫鼓包和氫致開裂缺陷的簡易模型如圖2所示。其中，氫鼓包的長度為 50mm ，深度為 6mm ，氫致開裂為臺階狀缺陷，每個臺階長 2mm ，間隔 1mm 。

采用全聚焦相控陣技術(shù)，選擇合適的檢測工藝，得到氫鼓包和氫致開裂缺陷的特征圖譜如圖3所示。可以看出，氫鼓包缺陷成像顏色均勻，回波信號連續(xù)，缺陷形貌有一定的弧度；氫致開裂缺陷的成像顏色不均勻，回波信號分散，不規(guī)則，缺陷總體形貌平直并伴有臺階狀回波。

4檢測結(jié)果與問題處理

首先，采用電磁超聲檢測技術(shù)測定該鼓包的邊界。然后，對該鼓包所在筒節(jié)進行電磁超聲快速檢測，又發(fā)現(xiàn)一處較大面積的壁厚異常部位和一處較小的鼓包，其他位置未發(fā)現(xiàn)缺陷信號。最后，對該容器鼓包部位采用64陣元的全聚焦相控陣探頭進行檢測診斷，并分別在T3402內(nèi)表面鼓包處、內(nèi)表面壁厚異常處、內(nèi)表面無缺陷處及外表面等區(qū)域進行9帶全聚焦相控陣檢測與分析，最終得到如圖4所示的缺陷分布圖。

電磁超聲快速檢測發(fā)現(xiàn)缺陷主要分布于人孔附近的筒體環(huán)向上，長度約 500mm ，軸向上長度為筒節(jié)高度的區(qū)域內(nèi)，缺陷分布深度范圍為5.7～6.3mm （在內(nèi)壁測得）。

全聚焦相控陣垂直入射檢測發(fā)現(xiàn)氨精制塔（T3402）母材中部存在多處開裂缺陷，其中兩處已經(jīng)形成鼓包。缺陷深度分布在鋼板中部，已形成多層界面反射波，大鼓包缺陷內(nèi)部已形成一定的臺階狀開裂。圖5為大鼓包處全聚焦相控陣垂直檢測圖譜，圖6為暫未形成鼓包的開裂處全聚焦相控陣垂直檢測圖譜，圖7為無缺陷處的全聚焦相控陣垂直檢測圖譜。

根據(jù)TSG21—2016和T/CASEI011—2022中的安全狀況等級評定，結(jié)合企業(yè)自身對設備安全性的考慮，對上述缺陷分布區(qū)域采用局部挖補法進行修理，并經(jīng)檢驗合格后繼續(xù)投入使用。同時，對修理部位和附近區(qū)域采用電磁超聲技術(shù)進行定期在役監(jiān)測，監(jiān)測時間至少持續(xù)到下個檢驗周期。若發(fā)現(xiàn)異常，應根據(jù)具體情況采取相應措施。

5結(jié)束語

石油化工行業(yè)是國民經(jīng)濟重要的支柱產(chǎn)業(yè)，臨氫腐蝕環(huán)境下運行的壓力容器的檢測診斷難度大，常規(guī)檢測方法和工藝難以對這些缺陷進行全面有效的檢測和診斷，在損傷的在役監(jiān)測方面更是面臨許多尚未解決的關鍵技術(shù)難題。文中研究內(nèi)容成功地解決了上述問題，總結(jié)如下：

a.對濕硫化氫環(huán)境下服役壓力容器的氫致宏觀缺陷（氫鼓包、氫致開裂）采用爬壁電磁超聲技術(shù)進行快速檢測和在役監(jiān)測，解決了發(fā)現(xiàn)缺陷難題；

b.對濕硫化氫損傷的壓力容器采用相控陣超聲技術(shù)進行精確診斷，結(jié)合CIVA缺陷響應仿真，總結(jié)氫致?lián)p傷的相控陣圖譜特征，解決了診斷缺陷難題；

c.對修補部位和附近懷疑有損傷的區(qū)域采用電磁超聲技術(shù)進行定期在役監(jiān)測，解決了在役監(jiān)測難題。

文中研究內(nèi)容是T/CASEI011—2022《濕硫化氫腐蝕環(huán)境固定式壓力容器定期檢驗規(guī)范》的一次成功應用，證明了該團體標準具有較強的可操作性和技術(shù)先進性，確保了該設備在下一周期內(nèi)的使用安全性。同時，避免了企業(yè)因無法按計劃開車而造成的重大經(jīng)濟損失，有力地保障了裝置的安全運行，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟價值。該團體標準的實際工程應用可在一定程度上為我國重石化基地特種設備長周期安全運行提供技術(shù)保障。

參考文獻

[1]CHEN D Y，WANG D，CHEN H，et al.Research of key technology for macroscopic hydrogen induced injury testingand in-service monitoringofpressurevessel in wethydrogen sulfide environment [J].Procedia Engineering，2015，130：1665-1676.

[2] 李緒豐，李越勝，邵春文，等.壓力容器氫致開裂的超 聲相控陣監(jiān)控[J].中國特種設備安全，2012，28 （11）：24-25.

[3] 王勇，李崇剛.液化石油氣儲罐氫鼓包分析[J].石油 化工設備，2009，38（4）：95-97.

[4]趙正宏，楊克祥，王慶余，等.液化石油氣球罐內(nèi)壁鼓 泡分析及防治措施[J].壓力容器，2001，18（5）：64-66.

[5]王慶，馬池營，孫云華.硫化氫罐開裂失效分析[J].內(nèi) 蒙古石油化工，2009，35（12）：82.

[6]ZHANG K，YIPX，LI YH，et al.A New Method to Evaluate Surface Defectswith an Electromagnetic Acoustic Transducer[J].Sensors，2015，15（7）：17420- 17432.

[7]陳鵬，韓德來，蔡強富，等.電磁超聲檢測技術(shù)的研究 進展[J].國外電子測量技術(shù)，2012，31（11）：18-21;25.

[8]余國民，李黎，楊釗.電磁超聲檢測技術(shù)在石油管行 業(yè)板材和管材檢測中的應用[J].無損檢測，2014，36 （10） ：78-83.

[9]TAKISHITA T，ASHIDA K，NAKAMURA N，et al.Development of shear-vertical-wave point-focusing electromagnetic acoustic transducer[J].Japanese Journal of Applied Physics，2015，54（7S1） ：54-61.

[10]黃鳳英，周正干.靜態(tài)偏置磁場對電磁超聲換能器 靈敏度的影響[J].機械工程學報，2011，47（10）：1-7.

[11]BURROWS S E，F(xiàn)AN Y，DIXON S.High temperature thickness measurements of stainless steel and low carbon steel using electromagnetic acoustic transducers [J].NDTamp;EInternational，2014，68：73-77.

[12]單寶華，喻言，歐進萍.超聲相控陣檢測技術(shù)及其應 用[J].無損檢測，2004，26（5）：235-238.

[13］郭偉燦，錢盛杰，凌張偉.換熱器管板角焊縫相控陣 自動超聲檢測技術(shù)研究［J]．壓力容器，2015，32 （8） ：69-74.

[14]HUNTER AJ，DRINKWATERB W，WILCOX P D. Autofocusing ultrasonic imagery for non-destructive testing and evaluation of specimens with complicated geometries [J].NDT amp; E International，2010，43（2）： 78-85.

[15]GUO W C，QIAN S J，LING Z W.Research on phased array ultrasonic technique for testing tube to tubesheet welds of heat exchanger [C]/Volume 5：HighPressure Technology; Rudy Scavuzzo Student Paper Symposium and 24th Annual Student Paper Competition;ASME Nondestructive Evaluation，Diagnosis and Prognosis Division （NDPD）; Electric Power Research Institute（EPRI） Creep Fatigue Workshop.American Society of Mechanical Engineers Digital Collection， 2016.DOI：10.1115/pvp2016-63968.

（收稿日期：2024-05-25，修回日期：2025-05-16）