電磁超聲測厚技術在催化重整裝置檢驗中的應用

張 鈺，王 浩，高 尚，高文俊

（1.中國石油蘭州石化公司 煉油運行一部，甘肅 蘭州 730060；2.甘肅省特種設備檢驗研究院，甘肅 蘭州 730000）

催化重整是連接煉油和化工裝置的重要橋梁，是煉油化工的重要工藝過程。在加熱、氫壓和催化劑存在的反應條件下，催化重整使原油蒸餾所得的輕汽油餾分（或石腦油）轉變成富含芳烴的高辛烷值汽油（重整汽油），并副產液化石油氣和氫氣，重整汽油可直接用作汽油的調和組分，也可經芳烴抽提制取苯、甲苯、二甲苯。副產的氫氣是石油煉廠加氫裝置（如加氫精制、加氫裂化）用氫的重要來源（如圖1所示）。

圖1 催化重整流程圖

催化重整裝置包含鍋爐、壓力容器、壓力管道及其附屬安全附件、安全保護裝置，以及與安全保護裝置相關的承壓類特種設備。為防止特種設備安全事故地發生，確保裝置安全平穩運行，使用單位需要定期對儲罐、管道等壓力容器進行厚度檢測，防止均勻壁厚減薄造成泄漏事故。

隨著石油工業水平和催化重整技術地提高，金屬材料越來越多地在高溫、高壓、高腐蝕性等惡劣條件下使用，而在金屬使用過程中很難保證其不會出現腐蝕、缺陷等質量問題，以造成嚴重的安全隱患。

金屬材料檢測過程中，根據厚度變化來判斷其使用狀態。在厚度無損檢測中，超聲法適用于大多數金屬材料的厚度測量。其原理簡單、檢測精度高，電磁超聲基于洛倫茲力或磁致伸縮效應，不需要耦合劑，可應用于高溫、高速、在線測量場合。通過這種無損檢測，對金屬材料進行缺陷檢測，可有效避免事故發生，提高經濟效益。

電磁超聲測厚是無損檢測的重要方法之一，是對目標材料進電磁超聲（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT），復合測算數值模擬，建立線性映射檢驗模型，并利用溫度補償算法實現對催化重整裝置地檢驗。然后在相對真實的環境下，對應用實例作出詳細分析。這種技術不需要在檢驗物件表面涂抹耦合劑，也不需要很高的清潔度要求［1］，而且電磁超聲傳感器可激發更易被檢測到的橫波［2］，可在高溫環境下利用電磁超聲波的遠距離傳輸完成檢測，擴大了檢測范圍，提升了檢測精準度，比傳統檢測方法更具有準確性和實用性，提升了我國相關行業的檢測水平，在石油化工領域具有廣闊的應用前景。然而在應用中，電磁超聲也面臨一個嚴峻的問題——能量轉換效率低，尤其是隨著提離地增大，換能效率低帶來的信噪比降低尤為顯著。如何提高電磁超聲的換能效率和信噪比并針對超聲信號特點開發相應的信號處理方法，對進一步擴寬電磁超聲應用領域具有重要意義。

在檢測應用上，電磁超聲測厚技術需有嚴格運行環境：不僅要在一定的時間限制和約束條件下［3］，而且要在規定的數據指令監測條件下檢測；此外，在電磁超聲測厚技術運行過程中，由于環境條件發生變化，傳統測量器材無法適應壓力、溫度的頻繁波動，導致得出不準確的檢測結果，給裝置安全生產工作帶來較大風險和安全隱患。因此，在這種高危環境下，要模擬建立一種檢測應用方法，用以應對各種突發情況，提升檢測質量效率。

1 EMAT在催化重整裝置中的檢驗應用

1.1 EMAT測算數值模擬

在質檢催化重整裝置之前，需要有穩定的測定環境，然后對EMAT 測算數值進行分析模擬。其轉換模擬裝置一般在高溫、干燥、無污染的檢驗條件下進行，將溫度調至250 ℃～350 ℃，消除外部因素阻擾。然后，使用EMAT 探測檢驗對象，以此強化其磁力性質。檢測物件的相關指標，匯總數據。最終，用模擬公式計算EMAT模擬值，具體如式（1）：

其中：β代表溫度增長率，n代表慣性指數，a代表退磁比值，M 代表模擬值。通過計算，得出EMAT 測算模擬值。測算模擬值對比實際測量值，較高數值為可應用值。

1.2 建立線性函數映射檢驗模型

完成EMAT 模擬計算后，結合實際情況，設立線性函數映射的檢驗模型。首先確定檢驗目標值，目標值是在常規條件下，由線性回歸方向確定?；貧w方向是由慣性函數決定的，可加性與齊次性是函數應用的必要條件［4］。檢驗數值是由基礎映射數值代入函數變量計算后獲取的，通過檢驗數值即可判斷性質，確立目標值。最后，在同等檢驗條件下，添加考察變量數量關系的同時，通過建立自變量和因變量間線性函數關系，使其相互關聯。運用指標及相關參數，可直接描述映射的檢驗結果關系。

1.3 應用溫度補償算法

催化重整裝置的檢驗應用是在建立線性函數映射檢驗模型的基礎上，利用溫度補償算法來實現的。對檢驗極值作出相位補償是為了提高電磁超聲檢測的準確性［5］。需要調整檢驗極值的橫波數值和豎波數值，分別調整為0.15 和1.85。根據檢驗極值，計算檢驗補償誤差值，具體如式（2）：

其中：θ代表質子數，g 代表距離，K 代表誤差值。對比實際的檢驗補償誤差值與各波幅值的偏移變化情況，若偏移值在補償誤差值范圍內，說明其檢驗應用效果良好，具有實際應用價值；反之，若偏移差值超出對應的誤差值，證明其檢驗應用最終結果有差異，實際意義不大。

2 案例分析

2.1 檢驗情況概述

隨著催化重整技術的發展，催化重整裝置的應用范圍擴大，檢驗技術的瓶頸問題逐步顯現，阻礙了催化重整技術相關領域的發展與創新。此外，檢驗環境（溫度、濕度等）地變化也使檢驗精準度下降，甚至還出現反射信號減弱、周期增加，波幅一再降低等檢驗結果大幅度誤差的情況，給石油安全生產帶來了風險隱患。

2.2 EMAT在催化重整裝置中的應用

結合催化重整裝置運行現狀以及電磁超聲測厚技術在該裝置中進行實際的檢驗應用情況，其具體過程為首先利用交變電流產生的電磁場在試件表面感應渦流，在永久磁鐵磁場作用下受到力地作用使目標測件表面發生機械振動，進而產生超聲波；超聲波在試件上下表面傳播和反射，超聲回波在磁場作用下產生電流并耦合到接收線圈產生感應電壓，根據接收到的回波間隔時間實現厚度測量（如圖2所示），然后通過模擬測算數值、創建線性函數映射、創造檢驗環境、構建對應的檢驗數學模型、完成補償應用后，對其進行描述，以實現對催化重整裝置的檢驗應用，最后再對比數據、進行分析。

圖2 電磁超聲檢測圖

2.3 檢驗應用結果分析

采取相關指標、檢驗應用前后指標得出具體數據（見表1 所列），由表1 數據可知：催化重整裝置在應用電磁超聲測厚技術后，數據誤差數值顯著降低，實際應用中效果良好。

表1 檢驗應用結果對比分析表

3 結論

2020 年我國已基本實現工業化，并在十四五開始步入工業化后期。在工業化過程中，建成了一批工業設備、基礎設施，而如何有效維護這些工業設備、基礎設施對穩定工業發展具有重要意義。由于在不同行業，工業設備、基礎設施數量和種類眾多，制造材料和損傷模式也有所不同，但是一旦未及時進行檢測，工件損傷就可能造成極為嚴重的后果。

所以結合各種工業設備和基礎設施的裝置結構、安裝位置、失效形式等特點，形成針對性的檢測需求，并開發相應的檢測手段是非常必要的。常用的厚度測量方法包括超聲檢測、脈沖渦流檢測、射線檢測。超聲檢測由于具有檢測靈敏度高、缺陷定位準確、檢測方式便捷靈活等特點，成為無損檢測領域的研究熱點，并被廣泛研究應用［6］。尤其在20世紀60年代末，電磁超聲（Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT）的發明進一步拓寬了超聲檢測的應用范圍。相較于傳統壓電超聲，電磁超聲具有無需耦合劑、不直接接觸被測試件、能在高溫環境下檢測等優勢，可進一步提升檢驗效率和質量，具有更強的精準性和實用價值。研究結果表明，電磁超聲測厚技術在催化重整裝置實現檢驗應用后，其檢驗補償誤差值明顯下降，說明檢驗應用效果相對較好，通過理論分析對檢測性能進行了討論，結合實驗驗證了信號處理方法的可行性并獲得了良好的測量精度，值得在工業設備質量檢驗方面推廣應用。

綜上所述，電磁超聲測厚技術具有非接觸的優點，在高溫、在線、不停機檢測中有廣闊的應用前景，是無損檢測領域的研究熱點，將在經濟可持續發展和保障人民生命財產安全方面發揮重要作用。