IRIS技術(shù)在在役換熱管束檢測(cè)中的應(yīng)用*

呂 馳

(中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

換熱設(shè)備在石油化工等行業(yè)占有重要地位，但在運(yùn)行期間換熱管束容易出現(xiàn)泄漏故障。對(duì)于在役換熱器無(wú)損檢測(cè)方面，除了射線(xiàn)、磁粉、滲透、著色四大無(wú)損檢測(cè)方法外，近幾年又相繼出現(xiàn)了一些新的專(zhuān)用無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，使以前在裝置停車(chē)大修時(shí)不能檢測(cè)的設(shè)備或部位，有了相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)手段。

對(duì)于新制造換熱管束的檢測(cè)，目前可以采用漏磁和渦流等檢測(cè)方法，技術(shù)較為成熟，檢測(cè)難度較低。對(duì)于在役換熱管束的檢測(cè)，由于管束形式較多(光管、翅片管、釘頭管)、內(nèi)壁結(jié)垢以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件惡劣等因素的制約，目前只有采用內(nèi)窺鏡及渦流測(cè)厚技術(shù)來(lái)檢測(cè)，但內(nèi)窺鏡一般只能觀(guān)察到管束內(nèi)表面狀態(tài)并且會(huì)受到管束內(nèi)壁的光潔度的影響。渦流檢測(cè)一般采用內(nèi)穿過(guò)式差分探頭，通過(guò)樣管與被檢管束信號(hào)比對(duì)來(lái)確定被檢管束厚度變化，受管束材質(zhì)、缺陷形狀等因素影響較大，并且由于翅片管、釘頭管外壁附著翅片及釘頭，渦流檢測(cè)效果較差。而旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)技術(shù)(IRIS)的出現(xiàn)，解決了在役換熱管束檢測(cè)的難題，可以在檢修過(guò)程中對(duì)換熱管束進(jìn)行檢測(cè)，了解在役換熱管束的腐蝕狀態(tài)、剩余壁厚及內(nèi)部缺陷。

1 IRIS檢測(cè)原理及適用范圍

1.1 IRIS檢測(cè)原理

反射鏡連接著水渦輪，水泵產(chǎn)生的高壓水使水渦輪360°持續(xù)旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周就可以檢測(cè)一圈管子壁厚，探頭移動(dòng)，超聲波以螺旋形式掃描管壁每一點(diǎn)的壁厚，就可以了解整根管子的情況，其原理示意見(jiàn)圖1。

圖1 IRIS檢測(cè)原理示意

IRIS檢測(cè)可以認(rèn)為是水浸超聲的一種，IRIS可以檢測(cè)鐵磁性、非鐵磁性、非金屬材料，不受材料電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率的影響，能精確測(cè)量管子的內(nèi)徑及壁厚，能提供管子腐蝕減薄的準(zhǔn)確位置，能實(shí)時(shí)顯示管子橫截面圖(B掃描)、管壁展開(kāi)圖(C掃描)以及管子縱向截面圖(D掃描)，見(jiàn)圖2。

圖2 成像效果示意

1.2 適用范圍

IRIS檢測(cè)適用于直徑為φ13～75 mm、壁厚為1～20 mm的金屬管和非金屬管的檢測(cè)，對(duì)管束的形式?jīng)]有特殊要求，適用于常見(jiàn)的光管、翅片管以及釘頭管。

2 實(shí)際應(yīng)用

2.1 某蠟油加氫裝置換熱器管束檢測(cè)

某蠟油加氫裝置E-103換熱器，內(nèi)部介質(zhì)為石腦油、氫氣以及硫化氫，壓力為12 MPa，溫度為208 ℃。該換熱器為U型管式換熱器，材質(zhì)為合金825，規(guī)格為φ19 mm×2 mm，單程長(zhǎng)度為7 m。

由于在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該換熱器管束發(fā)生泄漏，常用的檢測(cè)手段無(wú)法確定管束泄漏的具體位置，故使用IRIS檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行抽檢，抽檢起始比例定為10%，但在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)管束存在減薄現(xiàn)象，故擴(kuò)大檢驗(yàn)比例，最終抽檢了30%的管束(見(jiàn)圖3)。

零工經(jīng)濟(jì)(Gig Economy)中的零工(Gig)原意是指臨時(shí)工，是一些勞動(dòng)者無(wú)法獲得正式工作，只能從事一些臨時(shí)性工作[1]。由于產(chǎn)業(yè)的周期性以及季節(jié)的周期性，有些工作并長(zhǎng)期不雇傭勞動(dòng)力，往往是需要的時(shí)候才雇傭工人，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)大量勞動(dòng)力以團(tuán)隊(duì)形式暫時(shí)的集聚于某一地方或某一產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)象，例如農(nóng)民工[2,3]。由這種臨時(shí)工所形成的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象被稱(chēng)為零工經(jīng)濟(jì)。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的很多城市中都出現(xiàn)過(guò)這種“零工”現(xiàn)象。

圖3 檢測(cè)部位及減薄比例示意圖

該次共抽檢357根管子，發(fā)現(xiàn)大部分管子存在5%～20%的壁厚減薄，其中編號(hào)為5-13的管子減薄最為嚴(yán)重，距管口200 mm處剩余壁厚僅為0.79 mm，減薄比例為60%(檢測(cè)圖譜見(jiàn)圖4)。圖4中黑色部位為信號(hào)缺失部位，缺失的原因?yàn)閮?nèi)壁清洗不凈，圖4中紅色部位為減薄部位，最終對(duì)于減薄較為嚴(yán)重的管子進(jìn)行了堵管處理。

圖4 減薄部位檢測(cè)圖譜

2.2 某常減壓蒸餾裝置空冷器管束檢測(cè)

某常減壓蒸餾裝置A101空冷器，內(nèi)部介質(zhì)為常頂油氣；壓力為0.095 MPa；進(jìn)口溫度為107 ℃，出口溫度為50～70 ℃；空冷器換熱管材質(zhì)為09Cr2AlMoRE，規(guī)格為φ25×2.5 mm，長(zhǎng)度為9 m，換熱管束形式為翅片管。

在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該空冷器管束發(fā)生泄漏，并且由于空冷器管束管口部位被管箱遮擋，常用的檢測(cè)手段不能進(jìn)行檢測(cè)，故采用IRIS檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行抽檢，以便于掌握其余管束腐蝕狀態(tài)以及剩余壁厚。由于現(xiàn)場(chǎng)條件以及空冷器結(jié)構(gòu)限制，本次抽檢只針對(duì)部分管箱已開(kāi)絲堵部位的16根管子(檢測(cè)部位現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖5)。

圖5 A101空冷器檢測(cè)部位

經(jīng)過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)所檢測(cè)管束均存在腐蝕，平均減薄量在25%左右。上兩排(B和C)管束腐蝕大多分布在北側(cè)，最大減薄量為60%(出現(xiàn)在B4管束，檢測(cè)圖譜見(jiàn)圖6)，剩余壁厚為1 mm。下兩排(D和E)管束大部分為整根斷續(xù)腐蝕，最大減薄量為36%(出現(xiàn)在D3管束)，剩余壁厚為1.59 mm。

圖6 減薄部位圖譜

本次檢測(cè)由于管內(nèi)壁未清洗，對(duì)檢測(cè)結(jié)果有一定影響，檢測(cè)的結(jié)果與實(shí)際腐蝕減薄會(huì)存在一定的誤差，每根管子檢測(cè)圖譜有效數(shù)據(jù)為30%～70%之間(圖譜中除黑色部位外的區(qū)域)。在檢測(cè)過(guò)程中，為了尋找更好的檢測(cè)信號(hào)每根管子均檢測(cè)5遍，最終對(duì)腐蝕較為嚴(yán)重的管束進(jìn)行了堵管處理。

3 IRIS檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果分析

3.1 在役換熱管束IRIS檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)對(duì)以上檢測(cè)案例的過(guò)程以及結(jié)果進(jìn)行分析，可知IRIS檢測(cè)技術(shù)對(duì)于在役換熱器管束檢測(cè)有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1.1 優(yōu) 點(diǎn)

(1)對(duì)在役換熱器管束的檢測(cè)工作都是在裝置一個(gè)運(yùn)行周期之內(nèi)的檢修工作中進(jìn)行的，一般情況下不會(huì)進(jìn)行規(guī)模較大的設(shè)備拆解工作，IRIS在檢測(cè)過(guò)程中只需要打開(kāi)換熱器的管箱或者空冷器的絲堵就可進(jìn)行檢測(cè)工作，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)正常的檢修工作影響不大。

(2)常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法往往只能對(duì)裸露在外側(cè)的管束進(jìn)行檢測(cè)，而IRIS檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)管束的任何部位進(jìn)行檢測(cè)，并且實(shí)時(shí)得出具體的測(cè)厚數(shù)值以及壁厚分布圖，可以直觀(guān)地顯示出管束內(nèi)部的腐蝕情況。

(3)IRIS檢測(cè)技術(shù)可以通過(guò)更換探頭來(lái)適用于目前絕大部分不同規(guī)格的換熱器管束的檢測(cè)，并且對(duì)于材質(zhì)以及管束形式?jīng)]有特殊的要求(在已知材料聲速的前提下)，適用性較為廣泛。

(4)檢測(cè)效率較高，在管束內(nèi)壁清潔度達(dá)到要求的前提下，檢測(cè)速度可以達(dá)到40 mm/s左右，并且由于配備了柔性探頭，故對(duì)于U型管換熱器一次即可對(duì)整根管束進(jìn)行檢測(cè)。

(5)檢測(cè)圖譜可以保存，檢測(cè)結(jié)果具有可追溯性。

3.1.2 缺 點(diǎn)

(1)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作較多，需配備220 V電源以及不間斷水源等。

(2)為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)換熱器管束內(nèi)部清潔度要求較高，往往需要多次對(duì)管束進(jìn)行清洗。

3.1.3 注意事項(xiàng)

(1)在檢測(cè)之前應(yīng)多次清洗換熱管束，避免由于管束內(nèi)壁不清潔而引起的檢測(cè)信號(hào)大面積缺失的現(xiàn)象，影響檢測(cè)效率及靈敏度。

(2)現(xiàn)場(chǎng)耦合用水不能采用脫離子水以及脫鹽水，應(yīng)采用消防水或者工業(yè)水，避免由于水質(zhì)的原因引起的檢測(cè)問(wèn)題。

(3)由于儀器目前未配備移動(dòng)電源，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備220 V電源。

通過(guò)分析以上優(yōu)缺點(diǎn)，可知IRIS檢測(cè)技術(shù)可以作為一種檢測(cè)手段應(yīng)用于在役換熱器管束的腐蝕檢測(cè)，具有良好的實(shí)用性。

3.2 在役換熱管束IRIS檢測(cè)的準(zhǔn)確性

通過(guò)分析以上案例，IRIS檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了局部腐蝕、均勻腐蝕以及點(diǎn)蝕這三種類(lèi)型的缺陷，并且發(fā)現(xiàn)了最高腐蝕比例為60%的局部腐蝕缺陷。針對(duì)已經(jīng)發(fā)生泄漏的A-101空冷進(jìn)行腐蝕原因分析，發(fā)現(xiàn)管束中的介質(zhì)含有硫化氫和水，硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2 000 μg/g。通過(guò)露點(diǎn)計(jì)算，該部位的露點(diǎn)溫度應(yīng)略高于90 ℃，實(shí)際換熱管束運(yùn)行的溫度僅為10 ℃，并且有資料記載露點(diǎn)位置pH值為2.0～3.0，說(shuō)明該空冷器管束內(nèi)發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。

IRIS檢測(cè)的結(jié)果為所檢測(cè)管束均存在平均減薄為25%～36%，最大減薄為60%，分析認(rèn)為，IRIS檢測(cè)結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，具有良好的準(zhǔn)確性。

由于IRIS檢測(cè)為水浸法超聲檢測(cè)，因此在保證管束內(nèi)部清潔度以及探頭與管束的同心度的前提下，其測(cè)厚數(shù)據(jù)可以達(dá)到常規(guī)測(cè)厚儀的靈敏度(±0.1 mm)，檢測(cè)數(shù)據(jù)精度較好。

3.3 在役換熱管束IRIS檢測(cè)的適用性

IRIS檢測(cè)技術(shù)適用于管徑為φ13～75 mm、壁厚為1～20 mm的金屬管和非金屬管，并且在檢測(cè)探頭等硬件條件允許的情況下，也可適用于更大管徑以及壁厚的管束檢測(cè)工作。與渦流、漏磁等檢測(cè)方法相比較，IRIS檢測(cè)技術(shù)對(duì)于管束形式?jīng)]有特殊要求，適用于光管、翅片管以及釘頭管的檢測(cè)。

IRIS檢測(cè)對(duì)于U型管換熱器管束檢測(cè)效率高，而且由于配備了柔性探頭，可以適用于一些常規(guī)檢測(cè)手段不易檢測(cè)的部位及設(shè)備(例如管束彎頭以及帶管箱的空冷器內(nèi)部管束等)，并且IRIS檢測(cè)不局限于換熱器或者空冷器管束的檢測(cè)，對(duì)于其他設(shè)備內(nèi)部管束均具有良好的適用性。

4 結(jié) 論

(1)IRIS檢測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯，但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)管束內(nèi)壁清潔程度以及檢測(cè)用水質(zhì)有一定的要求。

(2)IRIS檢測(cè)技術(shù)具有較高的檢測(cè)靈敏度，可以發(fā)現(xiàn)管束腐蝕狀態(tài)、剩余壁厚和內(nèi)部缺陷，檢測(cè)結(jié)果可信度以及準(zhǔn)確性較高。

(3)IRIS檢測(cè)技術(shù)使用范圍較廣，對(duì)于管束的材質(zhì)沒(méi)有特殊要求，可以作為一種常規(guī)檢測(cè)手段應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)在役換熱管束的腐蝕檢測(cè)及泄漏點(diǎn)的查找等工作，并且不局限于換熱管束的檢測(cè)工作，也可推廣用于其他設(shè)備內(nèi)部管束的檢測(cè)工作。

(4)該技術(shù)對(duì)于在役換熱管束檢測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性以及廣泛適用性等特點(diǎn)，建議將該技術(shù)作為石化裝置大修中換熱管束檢測(cè)的主要手段進(jìn)行應(yīng)用。