換熱器管板聲發射在線檢測及評價方法

發布日期：2020-05-08 14:57　　　 瀏覽次數：次

     換熱器是石油化工生產的關鍵設備，其完整性對安全生產影響很大。由于換熱器的管板屬于多孔結構，制造工藝(鍛造、鉆孑L等)復雜，容易產生缺陷，且管板與換熱管連接通常采用焊接、脹接、脹焊并用等方式，連接質量不易保證。同時由于其開口數量大，強度削弱，在使用過程中容易產生裂紋，誘發嚴重事故。因此，如何在出廠前發現換熱器管板制造過程中產生的先天性缺陷，并做針對性的處理，對提高換熱器管板質量及使用壽命具有很大的意義和價值。目前，常規檢測方法無法保證檢測元件與管板具有良好的接觸耦合，無法保證檢測效果。聲發射檢測作為一種動態無損檢測技術，以其動態特性、整體性、實時性和經濟性等特點，在壓力容器的制造質量驗證、在役檢驗和在線監測中被廣泛應用 。針對換熱器管板的檢測問題，筆者確定使用聲發射檢測技術，使用專用波導桿，保證傳感器與換熱管的良好接觸耦合。通過對不同類型換熱器管板進行的聲發射檢測試驗及分析，制定了管殼式換熱器管板的聲發射檢測及評價方法。以下結合6臺新制換熱器管板的聲發射檢測與評價過程，對這    一方法進行介紹。

   1 換熱器管板聲發射檢測方法 進行。

   1．1 換熱器管板聲發射檢測原理

    聲發射檢測是指材料在應力作用下產生變形與裂紋擴展形成聲發射源發出彈性波，經介質傳播到達被檢物體表面，引起表面的機械振動。經過聲發射傳感器將表面的瞬態位移轉換成電信號。聲發射信號再經放大、處理后，形成其特性參數，并被記錄與顯示。最后，經數據的解釋評定出聲發射源的特性。圖1表示了聲發射檢測的原理。

    針對換熱器管板的特殊結構和特殊檢測條件，決定在殼程水壓試驗條件下，對換熱器管板及管板與換熱管連接處進行聲發射檢測。如果管板或管板與換熱管連接處存在缺陷，在壓力作用下缺陷會發生變形或開裂，產生彈性波并發出聲發射信號。借助插入換熱管中的波導桿，傳感器可以接收聲發射信號，經過聲發射檢測儀分析處理，即可確定缺陷的位置和嚴重程度，確定管板的質量。

    1．2 換熱器管板聲發射檢測的關鍵技術

   在利用聲發射技術對換熱器管板進行檢測時，需要注意如下關鍵問題：

   (1)由于管板多孔結構對聲發射波傳播的影響，為保證彈性波的傳播，避免局部幾何不連續帶來的影響，需使用專用的波導桿插入到換熱管中。用磁座將傳感器固定在波導桿上，各接觸面使用耦合劑，通過這種連接方式保證彈性波的傳播，提高傳感器的接收效果。

   (2)由于換熱器管板的結構特殊，其開孔數量大，聲發射信號傳播衰減明顯，需預先進行衰減測量。結合管板上換熱管分布情況，確定傳感器最大間距，同時制定傳感器布置方案。傳感器布置方案需滿足采用區域定位方法時，可保證對整個換熱器管板全部覆蓋。

   (3)檢測需在殼程水壓試驗加載狀態下進行，最高試驗壓力為換熱器殼程的水壓試驗壓力，要求采用二次加載保載方式，升壓過程盡量平穩，升壓速度不應大于0．5 MPa／min，且每次保載時間不少于10 min。

   (4)其它檢測步驟參照NB／T 47013．9—2012《承壓設備無損檢測第9部分聲發射檢測》標準進行。

    2 換熱器管板質量的聲發射評價方法

    通過對多臺不同類型的換熱器管板進行聲發射檢測試驗，并根據NB／T 47013．9—2012與JB／T1O764—20O7(常壓金屬儲罐聲發射檢測及評價方法》標準，建立換熱器管板質量聲發射評價方法。該評價方法根據聲發射檢測區域定位結果及參量分析方法，綜合考慮聲發射信號的活性和強度指標，對換熱器管板質量進行分級評價。

    2．1 聲發射信號活性分級

    聲發射信號特征參數中的撞擊計數是系統對撞擊的累計計數，它反映聲發射活動的總量和頻度，常用于聲發射活動性評價。如表1所示，在對換熱器管板進行評價時，需綜合考慮一次、二次加載最高壓力保載階段的撞擊數，確定聲發射信號的活性等級。Hi表示保壓階段每一通道的盧發射撞擊數；HH表示保壓階段所有通道聲發射撞擊總數；CHH表示本次檢測所用的聲發射通道總數；m,n值由試驗確定，根據目前試驗數據，確定m=5 ,n=10。

    2．2 聲發射信號強度分級

   聲發射信號的強度可用能量、幅值或計數參數來表示，如表2所示。幅值是指事件波形的最大幅值，不受門檻的影響，直接決定事件的可測性。在對換熱器管板進行評價時，采取聲發射信號幅值參數表示強度，并根據區域定位所得信號的平均幅值確定聲發射信號的強度等級。表中，聲發射信號強度Q可用幅值、能量或計數參數表示，本方法暫定為用幅值表示。以a，b值由試驗確定，并需通過具體結構衰減測量曲線修正。根據試驗數據，暫定以a=50 dB；b一60 dB。

 

    2．3 聲發射信號綜合等級評定及管板質量劃分

    綜合考慮聲發射信號的活性和強度指標，確定聲發射信號的綜合等級共分4級。根據檢測評價專家經驗，在確定換熱器管板聲發射信號綜合等級時，需優先考慮聲發射信號的活性指標，如表3所示。

    根據表3劃分的聲發射信號綜合等級，確定換熱器管板質量劃分標準，如表4所示。管板質量主要包括管板本身的制造質量(對于復合板尤為重要)和管子與管板間的脹(焊)接質量。

    3 換熱器管板聲發射在線檢測及評價實例

    利用建立的換熱器管板聲發射檢測與評價方法，對某廠6臺新制換熱器管板進行水壓試驗下的聲發射在線檢測及評價�，F以換熱器(E一335C)為例，說明檢測及評價過程。

     3．1 換熱器(E-335C)聲發射檢測及評價

     3．1．1 換熱器E-335C及管板基本資料

    設計壓力2．68 MPa；試驗壓力4．51 MPa；管板規格尺寸BES1200—4．0-400-6／25-2I；材質16Mn+06Crl3AL+堆焊(固定管板)。

     3．1．2 E一335C換熱器管板聲發射檢測過程

     (1)采用美國PAC公司制造的SAMOS_32通道聲發射檢測儀，傳感器型號為R15，共振頻率為150 kHz，設置門檻值為40 dB，增益為30 dB。

     (2)根據E-335C換熱器管板尺寸、換熱管數量及分布情況(BESI200—4．0-400—6／25—21)，通過預先進行的衰減測試試驗數據，采用區域定位方法，制定傳感器布點圖。在換熱器管板各布點位置安裝插入換熱管中的專用波導桿，在波導桿端部安裝面打磨出見金屬光澤的區域，利用磁座將傳感器固定在波導桿上，傳感器通過波導桿與換熱器管板連接。傳感器布置示意圖如圖2所示。

    (3)各通道連接完成后，設置采集程序，對各通道進行靈敏度標定，使各通道靈敏度與平均靈敏度之差小于3 dB。

    (4)按水壓試驗加載曲線加載并同時開始聲發射系統采集。E-335C換熱器管板聲發射檢測加載曲線圖見圖3。

    (5)加載過程中與加載人員保持聯系，若發現持續增加的幅值較大的信號，應及時停止加載或卸載，采用其他常規方法對該部位復驗，根據復驗結果決定是否繼續試驗。若確認為密封面泄漏或其它干擾信號造成，則排除后可繼續加壓監測。加載結束后，再次標定各通道，以確認各通道在加載期間均正常。

    3．1．3 E一335C換熱器管板聲發射檢測結果分析與評定

    對E一335C換熱器管板各加載階段保壓過程的檢測數據進行了事后處理和分析，包括特征參數分析、相關性分析和區域定位分析。圖4～5為主要一次、二次加載最高壓力保載階段的區域定位圖及部分特征參數相關分析圖。表5為E-335C換熱器聲發射檢測一次、二次加載最高壓力保載數據分析結果。

 

    利用前述的換熱器管板聲發射評價方法，對換熱器(E_335C)固定管板聲發射檢測分析結果進行評價，由表5和圖5的分析結果，可得到如下結論：

    (1)第一次加載4．51 MPa保壓階段聲發射信號強度為低強度，聲發射信號活性為弱活性，管板質量等級為工級。

    (2)第二次加載4．4 MPa保壓階段聲發射信號強度為低強度，聲發射信號活性為弱活性，管板質量等級為I級。

    (3)綜合考慮第一次加載最高試驗壓力

     4．51 MPa保壓和第二次加載4．4 MPa保壓階段聲發射信號強度和活性等級，確定該換熱器管板聲發射評價等級為I級，管板質量好。

     3．2 6臺換熱器管板聲發射檢測評價結果

     利用上述方法對某石化機械廠生產的其余5臺換熱器管板進行了出廠前的聲發射檢測，換熱器管板檢測評價結果匯總于表6。檢測的6臺換熱器管板，工級共4臺，Ⅱ級共2臺，管板質量均滿足使用要求。

    4 結語

   (1)針對多孔形換熱器管板及管板與換熱管連接的質量問題，提出聲發射檢測技術方案。借助專用波導桿，采用區域定位方法，通過殼程水壓試驗二次加載方式，實現對換熱器管板的檢測。

   (2)根據多臺換熱器管板聲發射檢測試驗，并參照相關標準，制定換熱器管板質量的聲發射評價方法。該方法綜合考慮一次和二次加載最高壓力保載階段聲發射信號的活性和強度兩個指標，確定聲發射信號的綜合等級，并據此對換熱管版進行質量分級與評價。

 （3）利用建立的換熱管板聲發射檢測與評價方法，對某石化機械廠6臺換熱器進行檢測與評價，其中4臺管板等級為Ⅰ級，2臺為Ⅱ級，管板質量滿足使用要求。

        作者：張穎   張盛璃   戴光   候曉峰   朱旭光

(1．東北石油大學，大慶163318；2．中國石油大慶石化公司，大慶163000)