电磁超声测厚技术在催化重整装置检验中的应用

张 钰，王 浩，高 尚，高文俊

（1.中国石油兰州石化公司 炼油运行一部，甘肃 兰州 730060；2.甘肃省特种设备检验研究院，甘肃 兰州 730000）

催化重整是连接炼油和化工装置的重要桥梁，是炼油化工的重要工艺过程。在加热、氢压和催化剂存在的反应条件下，催化重整使原油蒸馏所得的轻汽油馏分（或石脑油）转变成富含芳烃的高辛烷值汽油（重整汽油），并副产液化石油气和氢气，重整汽油可直接用作汽油的调和组分，也可经芳烃抽提制取苯、甲苯、二甲苯。副产的氢气是石油炼厂加氢装置（如加氢精制、加氢裂化）用氢的重要来源（如图1所示）。

图1 催化重整流程图

催化重整装置包含锅炉、压力容器、压力管道及其附属安全附件、安全保护装置，以及与安全保护装置相关的承压类特种设备。为防止特种设备安全事故地发生，确保装置安全平稳运行，使用单位需要定期对储罐、管道等压力容器进行厚度检测，防止均匀壁厚减薄造成泄漏事故。

随着石油工业水平和催化重整技术地提高，金属材料越来越多地在高温、高压、高腐蚀性等恶劣条件下使用，而在金属使用过程中很难保证其不会出现腐蚀、缺陷等质量问题，以造成严重的安全隐患。

金属材料检测过程中，根据厚度变化来判断其使用状态。在厚度无损检测中，超声法适用于大多数金属材料的厚度测量。其原理简单、检测精度高，电磁超声基于洛伦兹力或磁致伸缩效应，不需要耦合剂，可应用于高温、高速、在线测量场合。通过这种无损检测，对金属材料进行缺陷检测，可有效避免事故发生，提高经济效益。

电磁超声测厚是无损检测的重要方法之一，是对目标材料进电磁超声（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT），复合测算数值模拟，建立线性映射检验模型，并利用温度补偿算法实现对催化重整装置地检验。然后在相对真实的环境下，对应用实例作出详细分析。这种技术不需要在检验物件表面涂抹耦合剂，也不需要很高的清洁度要求［1］，而且电磁超声传感器可激发更易被检测到的横波［2］，可在高温环境下利用电磁超声波的远距离传输完成检测，扩大了检测范围，提升了检测精准度，比传统检测方法更具有准确性和实用性，提升了我国相关行业的检测水平，在石油化工领域具有广阔的应用前景。然而在应用中，电磁超声也面临一个严峻的问题——能量转换效率低，尤其是随着提离地增大，换能效率低带来的信噪比降低尤为显著。如何提高电磁超声的换能效率和信噪比并针对超声信号特点开发相应的信号处理方法，对进一步扩宽电磁超声应用领域具有重要意义。

在检测应用上，电磁超声测厚技术需有严格运行环境：不仅要在一定的时间限制和约束条件下［3］，而且要在规定的数据指令监测条件下检测；此外，在电磁超声测厚技术运行过程中，由于环境条件发生变化，传统测量器材无法适应压力、温度的频繁波动，导致得出不准确的检测结果，给装置安全生产工作带来较大风险和安全隐患。因此，在这种高危环境下，要模拟建立一种检测应用方法，用以应对各种突发情况，提升检测质量效率。

1 EMAT在催化重整装置中的检验应用

1.1 EMAT测算数值模拟

在质检催化重整装置之前，需要有稳定的测定环境，然后对EMAT 测算数值进行分析模拟。其转换模拟装置一般在高温、干燥、无污染的检验条件下进行，将温度调至250 ℃～350 ℃，消除外部因素阻扰。然后，使用EMAT 探测检验对象，以此强化其磁力性质。检测物件的相关指标，汇总数据。最终，用模拟公式计算EMAT模拟值，具体如式（1）：

其中：β代表温度增长率，n代表惯性指数，a代表退磁比值，M 代表模拟值。通过计算，得出EMAT 测算模拟值。测算模拟值对比实际测量值，较高数值为可应用值。

1.2 建立线性函数映射检验模型

完成EMAT 模拟计算后，结合实际情况，设立线性函数映射的检验模型。首先确定检验目标值，目标值是在常规条件下，由线性回归方向确定。回归方向是由惯性函数决定的，可加性与齐次性是函数应用的必要条件［4］。检验数值是由基础映射数值代入函数变量计算后获取的，通过检验数值即可判断性质，确立目标值。最后，在同等检验条件下，添加考察变量数量关系的同时，通过建立自变量和因变量间线性函数关系，使其相互关联。运用指标及相关参数，可直接描述映射的检验结果关系。

1.3 应用温度补偿算法

催化重整装置的检验应用是在建立线性函数映射检验模型的基础上，利用温度补偿算法来实现的。对检验极值作出相位补偿是为了提高电磁超声检测的准确性［5］。需要调整检验极值的横波数值和竖波数值，分别调整为0.15 和1.85。根据检验极值，计算检验补偿误差值，具体如式（2）：

其中：θ代表质子数，g 代表距离，K 代表误差值。对比实际的检验补偿误差值与各波幅值的偏移变化情况，若偏移值在补偿误差值范围内，说明其检验应用效果良好，具有实际应用价值；反之，若偏移差值超出对应的误差值，证明其检验应用最终结果有差异，实际意义不大。

2 案例分析

2.1 检验情况概述

随着催化重整技术的发展，催化重整装置的应用范围扩大，检验技术的瓶颈问题逐步显现，阻碍了催化重整技术相关领域的发展与创新。此外，检验环境（温度、湿度等）地变化也使检验精准度下降，甚至还出现反射信号减弱、周期增加，波幅一再降低等检验结果大幅度误差的情况，给石油安全生产带来了风险隐患。

2.2 EMAT在催化重整装置中的应用

结合催化重整装置运行现状以及电磁超声测厚技术在该装置中进行实际的检验应用情况，其具体过程为首先利用交变电流产生的电磁场在试件表面感应涡流，在永久磁铁磁场作用下受到力地作用使目标测件表面发生机械振动，进而产生超声波；超声波在试件上下表面传播和反射，超声回波在磁场作用下产生电流并耦合到接收线圈产生感应电压，根据接收到的回波间隔时间实现厚度测量（如图2所示），然后通过模拟测算数值、创建线性函数映射、创造检验环境、构建对应的检验数学模型、完成补偿应用后，对其进行描述，以实现对催化重整装置的检验应用，最后再对比数据、进行分析。

图2 电磁超声检测图

2.3 检验应用结果分析

采取相关指标、检验应用前后指标得出具体数据（见表1 所列），由表1 数据可知：催化重整装置在应用电磁超声测厚技术后，数据误差数值显著降低，实际应用中效果良好。

表1 检验应用结果对比分析表

3 结论

2020 年我国已基本实现工业化，并在十四五开始步入工业化后期。在工业化过程中，建成了一批工业设备、基础设施，而如何有效维护这些工业设备、基础设施对稳定工业发展具有重要意义。由于在不同行业，工业设备、基础设施数量和种类众多，制造材料和损伤模式也有所不同，但是一旦未及时进行检测，工件损伤就可能造成极为严重的后果。

所以结合各种工业设备和基础设施的装置结构、安装位置、失效形式等特点，形成针对性的检测需求，并开发相应的检测手段是非常必要的。常用的厚度测量方法包括超声检测、脉冲涡流检测、射线检测。超声检测由于具有检测灵敏度高、缺陷定位准确、检测方式便捷灵活等特点，成为无损检测领域的研究热点，并被广泛研究应用［6］。尤其在20世纪60年代末，电磁超声（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT）的发明进一步拓宽了超声检测的应用范围。相较于传统压电超声，电磁超声具有无需耦合剂、不直接接触被测试件、能在高温环境下检测等优势，可进一步提升检验效率和质量，具有更强的精准性和实用价值。研究结果表明，电磁超声测厚技术在催化重整装置实现检验应用后，其检验补偿误差值明显下降，说明检验应用效果相对较好，通过理论分析对检测性能进行了讨论，结合实验验证了信号处理方法的可行性并获得了良好的测量精度，值得在工业设备质量检验方面推广应用。

综上所述，电磁超声测厚技术具有非接触的优点，在高温、在线、不停机检测中有广阔的应用前景，是无损检测领域的研究热点，将在经济可持续发展和保障人民生命财产安全方面发挥重要作用。