低温变换炉声发射监测分析研究

王瑞恩，肖宁强

(南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏 南京 211102)

变换炉的安全运行直接关系到合成氨装置的生产安全，变换炉的检验在整套装置检验过程中十分重要。其潜在的损伤机理主要包括回火催化、高温氢腐蚀、高温硫化物腐蚀、蠕变、连多硫酸应力腐蚀开裂、再热裂纹等【1】。用于变换炉的无损检测技术主要包括表面检测、超声检测、射线检测、涡流检测、声发射检测等【2】。其中声发射检测技术可以实现不停机检测和实时监测，为企业减少了停工造成的损失。

目前，化工设备检验检测过程中，声发射检测技术的研究主要集中在压力容器升压过程中，通过缺陷的活动产生声发射信号对压力容器的安全状况进行分析研究【3】。当前在运行状态下利用声发射技术对化工设备进行实时监测分析的还很少。所以，如果能够对一些关键设备在运行过程中进行较长时间的监测，其数据对于推进该类设备声发射技术的研究将有十分重要的意义。

1 检测方案与实验过程

受南京某公司煤化工运行部的委托，对其净化工区低温变换炉共进行了16次声发射在线监测，每次监测时间约为20h。该低温变换炉基本参数如表1所示。

该台压力容器原始资料齐全，制造过程无任何问题记载。首次定期检验时不卸剂，仅在外部进行检查，测厚、磁粉、渗透、超声、硬度检测均未发现影响定级的缺陷。首检之后，在使用过程中，该设备温度计口接管与筒体角焊缝处出现穿透性裂纹，已进行过返修；下弯管与筒体角焊缝处发生过泄漏，也进行了返修。之后的定期检验中，在变换炉器壁对接焊缝和接管角焊缝等位置均发现过裂纹。

表1 低温变换炉基本参数

该低温变换炉的工作介质含有CO、CO2、H2S、H2等。干燥的H2S在常温下对钢材几乎没有腐蚀，但是只要水分增加或是温度升高，其对钢材的腐蚀能力会突然增加。另外H2的存在也会增加H2S的腐蚀能力。这些原因会导致低温变换炉出现裂纹，尤其在接管等受力复杂的部位。该公司欲通过声发射技术对设备运行过程进行监测评估。

本次监测采用德国VALLEN公司AMSY-6多通道声发射仪，传感器型号为VS150-RIC。由于该低温变换炉运行过程中表面温度较高，所以传感器通过波导杆固定在低温变换炉的表面(如图1 所示)，耦合剂为高温真空脂，门槛电平设为40 dB。根据现场粗略测量，背景噪声在34 dB左右。由于该设备保温层拆除难度较大，且在运行状态下监测时，表面是高温状态，所以无法用断铅信号进行衰减测量。

根据该低温变换炉的容积尺寸，共布置了22个传感器以便尽可能将其所有动态缺陷产生的声发射信号捕捉到。传感器的现场布置对应到软件的定位情况如图2所示。

图1 传感器通过波导杆固定在低温变换炉表面

图2 传感器布置示意

2 结果与讨论

2.1 定位分析

由于本次声发射监测是在设备正常工作压力下进行的，并未对其进行人为的超过工作压力状态的加载，所以对于出现的声发射定位信号要格外重视。在16次监测过程中共出现3次定位信号呈现集团化的现象。信号定位情况见图3～图5。

将定位源S1信号集团参数提取出来进行分析，见表2。

对定位源信号的分析发现,其幅度均值为51.9 dB,能量值约为800 eu。进现场勘察判断，该S1定位信号集团对应于低温变换炉的J3(图纸上标注)接管部位。在后期对该接管进行全面检验的过程中发现了整圈树枝状裂纹。

表2 定位源S1参数

定位源S2参数见表3。对表3进行分析发现，定位源S2的幅度平均值也是52 dB左右，能量值E和RMS比S1定位源集团的要小。S2定位源集团与接管J4(图纸上标注)对应，J4接管在后期全面检验过程中也被发现有裂纹存在。

将定位源S3信号集团的参数特征进行分析，如表4所示。

对表4进行分析发现，定位源S3的幅度平均值是51.3 dB， 该值与定位源S1、S2的幅度平均值相差无几。经过现场勘察，定位源出现的位置恰好是接管R1(图纸上标注)的位置，该接管曾因泄漏进行过补焊，在后期全面检验过程中被发现存在裂纹。

图3第8次监测声发射信号定位

图4 第10次监测声发射信号定位

A/dBR/μsD/μsCNTSE/euRMS/μV52.034.649.21253.43.551.31.65.4419.33.752.44.68.4426.53.852.41.65.4424.43.7

2.2 整体信号趋势分析

从图1第1次现场声发射监测开始到第16次声发射监测结束，历时4个月，期间该低温变换炉一直处于开车状态，现将每次现场声发射监测中的所有有效定位信号的幅度平均值做趋势分析，如图6所示。

从图6中可以看出：随着开车时间的增加，定位信号的幅度值是增加的，包括衰减在内信号幅度值从42 dB增加到48 dB(因现场情况特殊，无法进行信号的衰减幅度测量)。幅度值的增加一定程度上代表缺陷总体活动频率的增加或者是裂纹的扩展。

通过后期全面检验发现，出现定位信号集团的部位均存在裂纹。

图5 第16次监测声发射信号定位

3 结语

1) 声发射技术区别于其他无损检测技术的是，它可以检测出设备存在的活性缺陷，并可据此做出一定的判断。从本次历时4个月的监测结果来看，该技术对于几处接管及其周围区域存在的裂纹具有较高的检出率，分析原因是因为在设备运行过程中，接管处所受到的应力比较复杂，再加上工作环境的原因，导致该部位易产生裂纹。

图6 幅度平均值趋势

2) 从每次定位信号幅度平均值的走向和该设备材料损伤模式分析可知，该低温变换炉的裂纹总体是逐步扩展的或堆焊层是逐步剥离的。

3) 本次历时4个月所得到的监测数据来之不易，可以为今后分析该类设备在声发射监测过程出现的信号特性提供一定的参考。