瞬變電磁法在分液罐檢驗中的應(yīng)用

劉楊

上海泓濟環(huán)保科技股份有限公司 （上海 200443）

火炬系統(tǒng)是石油化工生產(chǎn)裝置中重要的安全和環(huán)保設(shè)施，主要用于處理生產(chǎn)裝置開停工、非正常生產(chǎn)及緊迫狀況下無法進行有效回收的可燃和有毒氣體。火炬系統(tǒng)通常由分液罐、水封罐、管道系統(tǒng)、火炬煙囪、冷凝液收集系統(tǒng)等組成。全世界每年經(jīng)由火炬燃燒處理的烴類氣體的數(shù)量相當(dāng)可觀。如果不經(jīng)過火炬燃燒處理直接排空，這些可燃有毒氣體將會嚴(yán)重污染周圍環(huán)境，甚至引發(fā)火災(zāi)。因此，保證火炬系統(tǒng)的安全運行、減少環(huán)境污染具有重要意義。

火炬系統(tǒng)分液罐的作用是去除火炬氣中夾帶的凝液和固體，以減少火炬氣總管中的凝液量，避免液滴被夾帶到火炬頭，造成火雨現(xiàn)象[1]。不同化工生產(chǎn)過程產(chǎn)生的火炬氣成分不同，主要組分包括烴類、水、硫化氫、有機酸、氯化物等。火炬氣從各裝置排放管道匯總進入火炬總管，經(jīng)過分液罐后再進入水封罐，最后引到高空火炬煙囪內(nèi)燃燒后排放，典型的火炬系統(tǒng)流程如圖1 所示。由于分液罐外具有保溫層，分液罐的腐蝕及焊縫失效很難發(fā)現(xiàn)，容易引發(fā)事故。2016 年8 月11 日，湖北省當(dāng)陽市馬店矸石發(fā)電有限責(zé)任公司的2 號鍋爐高壓主蒸汽管道發(fā)生爆管事故，事故共造成22 人死亡、4 人受傷，直接經(jīng)濟損失約2 313 萬元[2]。因此，對于含絕熱層的承壓設(shè)備，需要予以特別關(guān)注。

圖1 典型的火炬系統(tǒng)流程

1 瞬變電磁法檢測原理及方法

1.1 瞬變電磁法基本原理

瞬變電磁法是一種以電磁感應(yīng)隨時間變化為理論基礎(chǔ)核心的探測方法。SY/T 0087.2—2012《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn)埋地鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評價》把該檢驗方法作為間接判斷埋地管道腐蝕的一種方法。該方法不但可以應(yīng)用于地面上各類金屬壓力管道的腐蝕檢測，對儲罐等承壓設(shè)備也有顯著效果；由于采用電磁感應(yīng)的非接觸式信號加載，特別適用于不能停產(chǎn)以及具有絕熱層的承壓設(shè)備。

電流通過恒定激勵的線圈形成一次脈沖磁場（一次場），此時瞬間斷開激勵電流，一次磁場隨時間衰減，同時在管道周圍激勵形成的感應(yīng)渦流亦隨時間變化，繼而在周邊區(qū)間形成與一次場方向相同的二次衰變磁場（二次場）；二次場經(jīng)過接收線圈，在接收線圈中激勵起感生電動勢，最終觀測到用激勵電流歸一化的二次磁場隨時間變化的衰變曲線-瞬變響應(yīng)[3]。因此，瞬變電磁法在無損檢測領(lǐng)域也被稱為脈沖渦流法，其原理如圖2 所示。

圖2 瞬變電磁法檢測原理

1.2 瞬變電磁法信號衰減特征

為研究不同厚度的衰變曲線特征，選用20#鋼材進行試驗。傳感器直徑為70 mm，發(fā)射線圈400匝，接收線圈1 000 匝，提離1 cm，20#鋼試件厚度分別為3，5，7，10，12，15，17和20 cm。將檢測數(shù)據(jù)繪制在同一圖上進行對比，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下，不同厚度的檢測曲線在前期一致，隨著厚度的增加，曲線出現(xiàn)拐點的時間延長，具有明顯的時間可分性。特征時間與被測鋼板壁厚有一定的函數(shù)關(guān)系，見公式（1）。

其中：τ 是衰減時間；μ 為磁導(dǎo)率；σ 為電導(dǎo)率；d 為壁厚。

瞬變響應(yīng)特征與管體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、厚度等因素相關(guān)。將某已知厚度區(qū)域的檢測信號作為參考，將待檢區(qū)域的檢測信號與參考區(qū)域信號的衰變特性進行對比，其差值可認為是待測區(qū)域與參考區(qū)域的厚度值變化。因此，有必要通過實測對比的方法確定設(shè)備的電磁參數(shù)，其作用等同于使用已知標(biāo)準(zhǔn)厚度的試塊來校準(zhǔn)超聲測厚儀的波速[4]。比較參考區(qū)域與待檢區(qū)域檢測信號的衰變特性差別，即可獲得厚度值的變化。參考區(qū)域應(yīng)無明顯電磁及金屬干擾，其覆蓋層厚度及材料、管道材質(zhì)與待檢測區(qū)域相近。

圖3 不同厚度下電動勢隨時間的衰減曲線

為驗證瞬變電磁能否檢測承壓設(shè)備內(nèi)部腐蝕缺陷，選用一塊20#鋼板，在背面從上到下加工不同深度的3 處缺陷：缺陷1 尺寸為7 mm×5 mm×3 mm，缺陷2 尺寸為7 mm×5 mm×2mm，缺陷3 尺寸為7 mm×5 mm×1 mm。在鋼板正面規(guī)劃網(wǎng)格逐點測試，將測試數(shù)據(jù)繪制成等值線圖，可以很明顯地發(fā)現(xiàn)缺陷位置及程度。

1.3 瞬變電磁法檢測的影響因素

1.3.1 電磁干擾

影響瞬變電磁法檢測精度的主要因素是外界電磁干擾。增加收發(fā)磁矩、加大激勵電流、適當(dāng)增加采集次數(shù)并取平均值、人為避開干擾時間段等手段可以有效抑制外界電磁干擾，提高信噪比。對強干擾地段，需要調(diào)整檢測方法，并在檢測時進行記錄。

1.3.2 覆蓋層

覆蓋層結(jié)構(gòu)、厚度直接影響檢測的靈敏度和精度。保溫鋁皮等非鐵磁性材料的覆蓋層，由于其電磁感應(yīng)不明顯，因此比帶有鐵磁性保護層的設(shè)備檢測效果好。利用外加磁化方式將鐵磁性保護層磁化到飽和，有利于提高檢測效果。

1.3.3 規(guī)格及材質(zhì)

下午丁主任再也不敢到柜臺前站了，他總是在他老婆坐的木樁上看報紙，看書，有時，看到梨花出來解手，也打聲招呼，可看到后面鬼鬼祟祟地跟著潘美麗，便埋頭看自己手里的東西，頭都不抬。潘美麗走過去，一把拿下他手里的東西：你的眼水還不錯哈！丁主任笑笑，看著遠方：去上班吧。潘美麗等著梨花走遠了才在丁主任頭上一拍，身后丟下一句：別吃著碗里的，看著鍋里的。

對于待檢設(shè)備一般要求母材厚度不小于3 mm，管道的公稱直徑不小于50 mm，待檢設(shè)備厚度小、曲率半徑大，都會使檢測效果變差。一般要求待檢材料溫度不超過500 ℃，待檢設(shè)備溫度發(fā)生變化會影響其電磁特性，最后導(dǎo)致檢測結(jié)果存在偏差。

1.3.4 探測區(qū)域

信號覆蓋范圍是從發(fā)射線圈以近似于45°角向外擴散。探頭尺寸與探測區(qū)域相匹配，為了保證檢測靈敏度和精度，盡量選擇小尺寸的探頭。探頭與被測區(qū)域平行或者對正相切時效果最好，由于基于電磁感應(yīng)效應(yīng)，設(shè)備震動、人為晃動等都會造成檢測結(jié)果誤差。在探頭附近2 倍提離高度檢測范圍內(nèi)的其他電磁導(dǎo)體或電磁場也會影響檢測結(jié)果。

1.3.5 參考區(qū)域

由于不同材質(zhì)金屬材料的電磁參數(shù)不同，檢測時需要利用已知壁厚的位置作為參考區(qū)域，待檢測區(qū)域與參考區(qū)域之間存在較大差異時，需要重新選擇參考區(qū)域。

2 工程實際應(yīng)用

2.1 工程簡介

某煤化工裝置中，各裝置火炬管道匯總后沿管廊敷設(shè)，火炬總管規(guī)格為?530 mm×10.0 mm，材料為20#鋼，火炬總管道設(shè)計壓力為0.35 MPa，設(shè)計溫度為195 ℃，保溫層厚度為120 mm。火炬管道進入分液罐后再進入水封槽。分液罐為臥式圓筒形壓力容器，采用鞍式支座支撐，基本參數(shù)如表1 所示，屬于II 類壓力容器。

表1 分液罐參數(shù)表

2.2 失效模式分析

損傷模式識別有助于找出有關(guān)的損傷機理[5]。該裝置中火炬氣含有的腐蝕性雜質(zhì)可能有硫化氫、二氧化碳、堿性物、氯化氫、氫等，分液罐潛在的損傷模式主要為腐蝕減薄、環(huán)境開裂、機械損傷等。

CUI 是指外部被保溫層覆蓋，由于水分和腐蝕性物質(zhì)的進入而發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。CUI 是一種危害性較大的破壞形式，當(dāng)設(shè)備保溫層發(fā)生破壞時，水分及金屬離子進入分液罐外壁，由于溫度較高，水分不斷增多，金屬鹽粒子濃度不斷增大，空氣中的氧氣在水中與金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕。CUI 在海洋大氣環(huán)境中更容易發(fā)生，設(shè)備外表面局部區(qū)域形成腐蝕環(huán)境。腐蝕速率與大氣的相對濕度、溫度以及表面涂層的好壞密切相關(guān)。此外，CUI 隱蔽性較大。

2.2.2 酸腐蝕

火炬氣體中含有的酸性成分（如二氧化碳、有機酸、氯化氫等）溶解于液體中，對分液罐內(nèi)部造成腐蝕，這種腐蝕一般為均勻腐蝕，當(dāng)介質(zhì)局部濃縮或者露點腐蝕時表現(xiàn)為局部腐蝕。

2.2.3 堿腐蝕

火炬氣中的堿性成分（如氫氧化鈉、氯化銨等）溶解于分液罐中，造成內(nèi)壁的腐蝕，當(dāng)水氣界面介質(zhì)濃縮時會造成局部溝槽，溫度高于79 ℃時堿液可造成碳鋼的均勻腐蝕。

2.2.4 堿應(yīng)力腐蝕開裂

堿應(yīng)力腐蝕開裂是金屬在高溫NaOH 和拉應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的開裂，裂紋主要位于晶間。堿應(yīng)力腐蝕開裂的程度由堿濃度、金屬溫度和拉應(yīng)力水平?jīng)Q定，其典型形態(tài)是細微網(wǎng)狀裂紋。

2.2.5 濕H2S 破壞

濕H2S 環(huán)境下應(yīng)力腐蝕開裂：裂解爐出來的裂解氣含H2S，CO2和H2O 等雜質(zhì)，在低溫環(huán)境下可能會對分液罐產(chǎn)生氫鼓泡（HB）、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）、氫致開裂（HIC）與應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂（SOHIC）等損傷。影響和區(qū)分各種濕H2S 損傷的因素主要有環(huán)境條件、材料特性和拉伸應(yīng)力水平等。

2.2.6 沖蝕

流體對分液罐內(nèi)表面同時產(chǎn)生沖刷和腐蝕破壞。當(dāng)高速流體沖擊金屬表面保護膜時導(dǎo)致破損處的金屬加速腐蝕。如果火炬氣中含有固體粒子或者氣泡，會加劇腐蝕的發(fā)生。沖蝕多發(fā)生在流體改變方向的進出口位置。

2.3 瞬變電磁法檢驗實施

瞬變電磁法通常采用的檢測系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、控制單元3 個主要部分。對于每一個檢測點，理論所需時間主要由發(fā)射頻率、疊加次數(shù)、現(xiàn)場環(huán)境決定。一般設(shè)備的壁厚較大，根據(jù)現(xiàn)場分液罐的實際情況，設(shè)置檢測系統(tǒng)的工作參數(shù)，具體如表2所示。

表2 工作參數(shù)一覽表

現(xiàn)場參考點可以選用受干擾較小數(shù)據(jù)或者已測得平均壁厚的點作為參考。本次將601#點作為參考點，檢測發(fā)現(xiàn)可疑位置429#點的衰減較601#位置快，二者的電動勢隨時間的衰減如圖4 所示。對可疑區(qū)域進行復(fù)測，以保證檢測質(zhì)量。重復(fù)性檢測點應(yīng)均勻分布，且點數(shù)不低于總檢測點數(shù)的3%，檢測誤差不應(yīng)超出±5%[6]。拆除絕熱層后使用超聲波測厚儀進行檢測，將該數(shù)據(jù)與瞬變電磁法感應(yīng)電壓值進行壁厚反演計算，結(jié)果如圖5 所示。

圖4 不同位置感生電動勢對比

圖5 超聲測厚與TEM 檢測對比

2.4 評價及問題處理

該分液罐投用于2016 年1 月，最大腐蝕深度為5.2 mm。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對其進行評價，安全狀況等級為3級，主要腐蝕為內(nèi)表面的均勻腐蝕，主要發(fā)生在分液罐液位經(jīng)常波動的部位。該部位作為下一次全面檢驗的重點位置，同時使用單位應(yīng)加強日常巡查，觀察絕熱層的情況，防止因為保溫層破壞造成分液罐的外部腐蝕。

3 結(jié)語

瞬變電磁法作為一種不拆除絕熱層結(jié)構(gòu)前提下的在線檢測方法具有極大的優(yōu)越性。對于現(xiàn)場具備絕熱層的設(shè)備，可以先采用瞬變電磁法進行檢測，對信號異常位置進行加密檢測，針對復(fù)測的異常位置按照金屬腐蝕量的大小進行排序，識別出高風(fēng)險區(qū)域，對于部分高中風(fēng)險區(qū)域可以拆除部分絕熱層或者進入設(shè)備內(nèi)部進行復(fù)合。但是瞬變電磁法由于其原理所限，不能區(qū)分內(nèi)外壁腐蝕，僅可計算出某一區(qū)域內(nèi)的平均剩余壁厚值，且對局部出現(xiàn)的小范圍點蝕、孔蝕不敏感，同時當(dāng)檢測范圍內(nèi)存在其他金屬體、高壓線纜等干擾時，接收到的電磁數(shù)據(jù)會發(fā)生偏差，影響檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。