基于Lyft 脉冲涡流检测系统的带隔热层在用球罐金属损失检测技术

2022-11-02蔡刚毅陈浩禹郑宏伟杜志遥

化工机械 2022年5期

蔡刚毅陈浩禹郑宏伟杜志遥郭颖

（1.浙江省特种设备科学研究院浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室；2.湖北特种设备检验检测研究院黄石分院）

带隔热层压力容器广泛应用于石油化工行业［1］，隔热层通常由保温层和防雨罩组成。保温层一般为非导电材料，主要作用是尽量减少设备内部介质的热量损失，通常由岩棉、聚氨酯及硅酸铝等组成。保温层外通常包有一层厚0.3～1.0 mm的防雨罩，常见的防雨罩材料主要有白铁皮、不锈钢和铝皮3种形式。金属壁厚减薄是引起带隔热层铁磁性设备失效破坏最主要的原因之一，在设备内部介质均匀腐蚀和隔热层下金属外壁局部腐蚀的双重作用下，部分设备在运行中会因腐蚀过量发生失效，而大部分设备则在停机检修时才能发现容器金属损失率超过预期。现有比较成熟的检验检测技术一般要求停机拆除保温层才能对压力容器金属损失情况进行全面检测［2］，然而临时停机往往会影响企业的正常生产，同时部分隔热层的大面拆除也会给企业带来一定的经济损失。

目前，脉冲涡流检测技术［3］已逐步在带隔热层压力管道的检测中开展应用，取得了较好的效果。压力容器一般本身壁厚和隔热层厚度均较压力管道更大，特别是球罐、反应器等，金属壁厚一般在30 mm以上，隔热层厚度一般在100 mm以上，脉冲涡流因受穿透能力限制，检测效果有所下降。因此，研究厚壁、厚隔热层压力容器脉冲涡流检测技术具有一定的科研和实际意义。

1 脉冲涡流检测

1.1 脉冲涡流技术特点

脉冲涡流检测技术的主要优点是：可直接接触表面，无需表面准备与处理即可检测［4］；对近表面与远表面缺陷灵敏；可以通过隔热层、涂层、油漆、混凝土防护层及滋生海生物等进行检测；可以透过铝、不锈钢、镀锌白铁皮防雨罩进行检测；可以检测具有钢丝网或钢筋的结构，不受水或冰等物质影响；无需拆除昂贵的隔热层即可对设备进行检测；检测期间没有辐射等安全隐患。

脉冲涡流检测技术也有一定的劣势，主要是：检测期间受金属结构的边缘影响较大；检测发现的缺陷无法分辨是近侧缺陷还是远侧缺陷；无法检测较小的点蚀缺陷；无法精确测量小于探头覆盖平均区域的缺陷尺寸；难以在直径小于200 mm的管道弯头上使用；难以应用在磁场变化快的材料上。

1.2 脉冲涡流技术简介

脉冲涡流技术是分析经快速磁场变化后组件内部涡流场变化情况的技术，一般分为3个阶段［5］。第一阶段是释放阶段，探头释放可以穿透元件厚度的磁场，磁化内部待检测组件，组件内部最终达到饱和状态，形成稳定的磁场；第二阶段是终止阶段，当磁场发射突然终止时，基于电磁感应原理，组件中会感应出强大的涡流信号；第三阶段是接收阶段，探头内筒的磁性传感器检测攻坚内部涡流信号的衰减情况，由此达到检测壁厚变化的目的。 3个阶段即为一个循环，如图1所示，一个循环的总长度取决于材料的时间常数，因此待检设备壁厚越大、磁导率越高、电导率越高，材料磁场到达稳定的时间越长，磁场衰减越慢。

图1 脉冲涡流检测循环示意图

1.3 Lyft脉冲涡流检测系统

Lyft脉冲涡流检测系统是一种脉冲涡流检测设备，该设备可以对厚壁或具有绝缘材料的工件表面的腐蚀情况进行动态扫描，并使用先进的尺寸算法和智能过滤技术显著提高数据采集质量，通过对脉冲涡流信号进行高速率采集和分析，得到高分辨率的图像，有利于缺陷尺寸的精准定量。

Lyft脉冲涡流检测系统与常规涡流检测应用的Log-Log比例曲线（图2）的区别在于：设备扫描前端位置受材料表面的涡流信号控制［6］，Log-Log比例曲线中显示直线形式，Log-Lin比例曲线快速下降；设备扫描的后期涡流信号在材料体积中的衰减起主导作用，Log-Log比例曲线中快速下降，Log-Lin比例曲线显示直线形式。因此，在Log-Lin比例曲线中，组件壁厚越薄，曲线衰减越陡峭，因为这种曲线分析方法分析的是信号的斜率，所以对提离变化不敏感，提离信号会改变信号的幅值，但不会改变曲线的斜率，对带隔热层设备的检测结果也会更稳定［7］。

图2 Log-Log与Log-Lin比例曲线对比

2 球罐在线检测实施

2.1 设备情况

本次检验的对象为某气站装置中的490 m3液态二氧化碳球罐V-102。该球罐主体结构为单层焊制，详细设计操作参数如下：

设计压力 2.3 MPa

操作压力不大于2.2 MPa

设计温度 -30/-14 ℃

操作温度 -30/-14 ℃

主体材料 16MnDR

介质液态二氧化碳

公称厚度 40 mm

腐蚀裕量 1.0 mm

保温材料聚氨酯泡沫

保温材料厚度 120 mm

球罐直径 9 900 mm

设备总高 12 310 mm

该球罐自投用后未进行开罐检测和相应的设备检测，由于球罐长周期运行，企业管理人员对球罐本体的运行情况并不了解，同时，球罐使用位置毗邻造船厂和大型冷库，这两种企业均属于劳动密集型企业，运行期间周围人数较多，一旦发生事故，会造成较大影响。因此，设备管理人员委托检验人员对设备本体进行相应安全性能检测。该球罐内部介质为液态二氧化碳，有别于一般储存类球罐，内部介质充装和释放比较频繁，罐体内部介质波动较频繁。考虑到金属在潮湿的二氧化碳环境中可能会产生腐蚀减薄现象。本次检测主要针对金属壁厚进行测定，重点检查液位波动处的金属壁厚。

球罐保温层采用聚氨酯泡沫，造价较高，全部或大面积拆除后检测金属壁厚是不现实的。针对特殊工况和实际情况，本次主要采用脉冲涡流的方法对球罐带隔热层金属壁厚进行测定，根据测定的结果分析金属壁厚损失。

2.2 检测前准备

通过前期的资料审查与现场勘察，制定了针对性检验研究方案，具体如下：

a. 宏观检查。对球罐的结构、变形、腐蚀及基础等情况进行全面勘察和实地了解。

b. 确定检测部位。根据制造与安装资料，找出制造成型时和运行期间可能造成壁厚减薄的部位；现场宏观检查找出使用中易产生变形和磨损的部位，综合考虑球罐充装记录中液位波动位置，根据分析，选择上、下极板（物料进出口）及筒体上环靠铭牌柱侧作为主要检测部位。

c. 选择检测探头。由于设备壁厚和隔热层厚度均较大，探头所需能量随之增加，因此选择型号为PEC-152-G2的大型探头。脉冲涡流在检测时探头存在振动现象，而镀锌铁皮（设备保护层材料）的存在更加扩大了探头的振动效应，使脉冲涡流激励机理紊乱，无法得到有效的计算结果。因此，创造性提出衬垫减振法，在探头与镀锌铁皮之间装设衬垫，以减轻探头振动效应，衬垫厚度的选择也是经验性的选择，选择太厚则影响能量传播，会造成检测结果取得困难或偏差较大；选择太薄，则不能消除探头振动效应。表1为通过多次现场试验得出的经验性总结结果。

表1 脉冲涡流球罐扫查衬垫选择经验表

2.3 检测实施

标记检测位置。对检验方案确定的3处部位（上、下极板，球罐上环缝）的检测点进行逐一位置标记，如图3所示，上极板扫描检测25个位置，下极板扫描检测100个位置，球罐上环缝部位扫描检测44个位置。

图3 上、下极板和球罐上环缝检测部位标记图

现场实施检测。确定球罐可能壁厚变化较小、隔热层较平整区域为探头标定对象，一般情况下标定点应遵循的原则是：优先使用壁厚最厚的位置或者保温层最薄的位置做校准；避免存在缺陷；远离特殊结构，避免边缘影响；避免防雨罩重叠或者绑带的区域；远离振动源。标定完成后系统在该标定区测定的壁厚将被作为工件的标准壁厚，随机按顺序对3个部位进行检测。

检测注意事项。现场勘察后方可进行脉冲涡流检测；被检工件表面无大面积疏松的锈蚀层、焊疤及其他金属连接结构等；被检工件材质电磁特性应基本一致、相邻部位的温差不宜过大、无较大振动、探头背侧两倍提离距离范围内（不小于200 mm）应无其他金属物体；覆盖层应连续、厚度均匀、没有污染，当由于覆盖层的原因无法检测时，应去除部分或全部覆盖层；检测人员对缺陷信号有怀疑时，应进行复探。

2.4 检测结果

进行数据分析时，脉冲涡流检测实际的信号信息=平均标称壁厚信息+缺陷信息。

根据图4的检测结果分析，脉冲涡流检测结果最小值为39.8 mm，金属保有率为99.5%，检测位置为赤道位置的A-2点，除了赤道位置的A-2点和B-11点较公称壁厚略小外，其他位置的检测点金属保有率均在100%以上，该球罐检测位置金属未发现损失情况。

图4 脉冲涡流检测结果

3 检测技术分析

3.1 停机开罐内表面壁厚检测

在球罐法定检验到期后开罐进行全面检验期间，采用经校验合格的超声波测厚仪，在球罐内表面进行超声波全面测厚［8］，测厚部位分布如图5所示。

图5 球罐内表面超声波测厚检测部位

检测仪器型号为TIME2110，仪器精度±（T%+0.1） mm，检测表面状况为砂轮打磨，实测点数152点，检测最小壁厚为39.6 mm，位于45#检测点上环缝与C4纵缝交叉点附近。

3.2 在线检测与停机开罐检测综合对比

对脉冲涡流检测结果与球罐内部超声波测厚结果进行分析。采用脉冲涡流检测方式在隔热层外测得的壁厚数据为最小39.8 mm，最大41.9 mm；采用超声波测厚仪在球壳板上直接测厚得到的数据为最小39.6 mm，最大42.0 mm。对比两种情况下检测得到的数据和相关部位，检测结果和壁厚变化趋势基本吻合，误差在±2.5%以内，误差对球罐的强度要求和计算方面的影响可忽略不计，对设备的安全运行也完全可以忽略。由此认为，基于Lyft系统的脉冲涡流检测技术在厚壁、厚隔热层的金属损失检测应用方面是可靠、可行的。