压力容器氢损伤的监测与检测方法

?必威动态 ????|???? ?2019-07-22 12:12


  技术综述压力容器氢损伤的监测与检测方法李丽菲\沈功田2,王芳3,李晓苇1测氢损伤的主要方法:超声波法、金相法、挂片法、氢传感器探测法和声发射技术,并指出了未来发展的方向,对现场检验具有一定的价值。
  氢损伤是目前石化企业需要解决的共性介质腐蚀问题之一,特别是硫化物应力腐蚀开裂,时间短、破坏性大,因此临氢设备的腐蚀和防护一直都是困扰压力容器管理(guǎn lǐ)部门和企业的重要难题,而在湿硫化氢环境下的氢损伤,常以材料开裂破坏的形式表现出来,对装置的危害性更大。随着石油炼制、合成(说明:由几个部分合并成一个整体)氨(分子式NH3)工业和煤转化等所用设备日趋大型化、复杂化,所需条件日趋苛刻,氢损伤引起的事故时有发生。因此,采用有效的氢损伤检测检验手段,对确保生产安全和减少各种损失具有重大意义。
  目前,对于氢损伤的检测检验手段可以分为两大类:离线检测和在线监测。
  1离线检测的主要方法离线检测是指在设备运行一定时期后,在设备停车检修期间检测其有无裂纹,测量剩余壁厚,检查材料微观组织的变化,从而制订合理的维修保养计划,对设备进行维护。离线检测主要是为了控制危险性和防止突发事故,获得缺陷发展的累计结果。目前,针对氢损伤采用的主要检验方法有:超声波法、金相法和挂片法等。
  1.1超声波法传统的超声检测技术是通过对超声波的反射变化,检测金属厚度和是否存在裂纹、空洞缺陷,目前己经发展得非常成熟,具有检测灵敏度高、设备轻巧、成本低廉、适用于各种环境等特点,在无损检测中得到了广泛的应用。其主要有以下三种检查方法。
  1.1.1壁厚/增值“检测法金属材料受高温高压氢腐蚀后会引起微观组织变化,晶界变宽、出现微裂纹等,使超声波的衰减、反射、声速和频率都受到影响。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。晶粒之间的缝隙会使超声波传播路线改变,声程加大,即相当于壁厚加。
  金属材料发生氢腐蚀后导致材料的弹性模量E降低,而声速与E成正比,即:E的降低引起声速的降低。目前,超声波测厚大多采用纵波脉冲反射法,由于超声波在各种介质内的传播速度不同,即由一相介质转到另一相介质必然产生反射波,从而可以利用初始波与反射波的时间差和声速来确定金属材料壁厚。材料的厚度:t=2D/Ci由于材料氢腐蚀后Ci降低,声波在氢腐蚀材料中传播的时间变长,宏观表现为壁厚加。因此,可以根据超声波测厚仪检测厚度来判断壁厚有无/值‘现象,进而估计、判断压力容器产生氢腐蚀的可能性。《检规》第23条/内外部检验内容“第5款/壁厚测定”中指出:“测定临氢介质的压力容器时,如发现壁厚值’,应考虑氢腐蚀的可能‘。
  影响测厚数值的因素很多,超声波测厚仪测定的数据不能作为最后的可靠依据,只能将数据作为怀疑点,即壁厚/值“检测法只能估计氢腐蚀的可能性,必须对怀疑点采用常规方法复核、鉴定、评估,否则会造成严重后果。
  1.1.2超声波声速比法钢材产生氢腐蚀后,声速降低,纵波降低得快,横波降低得慢,因此可以用超声波的纵波速度Ci和横波速度Cs传播通过(tōng guò)总厚度的时间之比来检测有无氢腐蚀。无氢腐蚀的情况下,纵波声速Ct=5900m/s,横波声速Cs=3230m/s,因此Cs/Ct=0.5477.通过比值的大小可以判断有无氢腐蚀。据有关资料先容:Cs/Ci的比值大于0.55时就表示钢中产生了氢腐蚀。国外20世纪80年代初进行的/氢蚀的无损检测方法“试验研究证明,此方法能可靠地检出母材中有无氢腐蚀。但超声波声速比法受试样表面光洁度影响大,不能检测单一的氢腐蚀缺陷,要检测出焊缝和热影响区的氢腐蚀还有一定的困难。
  1.1.3超声波探伤法此方法主要通过测量信号往复缺陷的时间确定缺陷和探头接触表面的距离,测量回波信号的幅度和超声探头的位置,来确定缺陷的大小和位置。从有无底波和波形是否出现不规则的紊乱现象,可以判断是否出现了氢致材料劣化。该方法灵敏度高,缺陷定位精度高,并可根据缺陷波在垂直坐标上的高度,确定缺陷的当量大小。
  超声波探伤法的缺点:一是由于超声波的反射、折射和波型转换等原因,使得声波在设备中的传播比较复杂,容易对取向不合适的缺陷漏检;二是对缺陷的评定不准确。目前采用的是当量缺陷比较方法,难以判定裂纹的真实大小;三是无法判断检出缺陷的成因,即对于检测出来的裂纹不能判断出是由于氢致开裂还是其它原因造成的;四是只有宏观裂纹出现,即裂纹尺寸大于1mm时,才能检测出来。同时,超声波检测法需要检验人员确定检测部位后,去掉保护层,才能进行,而且很多部位需要搭脚手架,这些都大大加了现场人员的工作量,给检测带来不便。
  1.1.4衍射波时差法超声检测技术TOFD检测技术是1977年由Silk根据超声波衍射现象提出来的,其原理图见。沿表面传播的一束声波和工件背面的镜面反射被接收探头接收,形成固有信号。横向纵波遇到线形缺陷后,在缺陷的两端除产生反射波外还会产生衍射波,衍射金相检验是采用定量金相学原理,由二维金相1994-2012ChinaAcademicJournal能量在很大角度范围内传播并且假定它们都源于缺陷的端部。如果缺陷有足够的自身高度,缺陷两端点的信号在时间上将是可分辨的,根据探头所记录的衍射信号传播时差就可以判定缺陷高度的量值,从而可以对缺陷进行定量。缺陷尺寸总是根据衍射信号的传播时间来测量的,信号幅度不用来评估尺寸。这与传统的超声波完全不同,传统超声波主要依靠从缺陷上反射能量的大小来判断缺陷的大小。
  TOFD原理图与传统的超声波探伤法相比,TOFD技术的特点在于:检测不受缺陷方向的影响;可以精确确定缺陷的高度,对较长的条形缺陷的测长精度可以满足工程应用的要求;可以在线得到检测结果,并且可以将结果用数字信号形式永久保存在光盘中,以便于以后在役检验进行对比分析;成本较低,仅是传统超声脉冲回声技术的1/10.与传统的超声波探伤法一样,TOFD技术不能判定缺陷性质,信号的说明和评定在一定程度上受人为影响。TOFD技术的不足还在于:对圆形缺陷和小条形缺陷的定量误差较大,对高度在20mm以下的面积型缺陷测高精度很高,对高度在20mm以上的面积型缺陷测高出现大的误差;位于表面下几毫米处是TOFD的盲区,在近内壁的TOFD的信号也不清晰。
  但是,用传统超声波技术结合TOFD检测技术可以较好的检测出氢致裂纹,对检测结果中缺陷的评定可以APIRP57916.目前,TOFD检测技术在西方国家是热点讨论问题,己经开始在核电、建筑、化工、石化、长输管道等工业的厚壁容器和管道方面推广应用,经过几年以后,将有取代RT趋势的可能。压力容器能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛,它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。我国也在近几年来开始了在这方面应用的探索。
  1.2金相检验法金相组织直接影响钢的抗氢致开裂的性能,如淬火+高温回火的金相组织为细小弥散的球状碳化物,氢鼓泡对这种组织的敏感性最低,而对未回火的马氏体组织则敏感性最高。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌,从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系,主要检查设备运行后受温度、介质和应力等因素的影响,其材质的金相组织是否发生了变化,是否存在微裂纹等缺陷。金相检验分为宏观金相和微观金相,可以观察到设备的局部金相组织。对于材料的金相检验,根据有关标准,可以判定钢材脱碳层深度,测定低碳钢的游离渗碳体,亚共析钢的带状组织和魏氏组织,以及晶粒度等,帮助判定腐蚀、断裂的类型,分析造成容器失效的原因。对于在用压力容器金相检验结果的判定,目前尚无标准可循,通常采用与典型缺陷金相图谱对比的方法来进行判定。现场金相检验法是目前检测氢致开裂较可靠的验证方法。
  3挂片法挂片法是指在压力容器运行期间,将与压力容器材质相同、制造工艺特性相似的金属试片悬挂于容器内部,使其承受的压力和接触的环境与容器相同,经过一己知的暴露期后把金属试片取出,切片并观察其微观组织的变化,可以说明腐化侵蚀 的类型,进而对压力容器的运行状况进行评价。一旦发现挂片产生氢损伤的倾向,则需对容器本体进行有针对性的各项检测。
  挂片法的出现,标志腐蚀监测规范化的开始,其原理简单,被大多数现场人员接受,现在使用较频繁。
  1.4其他无损检验方法常规的无损检验方法还有X射线、渗透探伤和磁粉(magnetic particle)检验,这里不再赘述。氢损伤中的氢鼓泡多出现在压力容器表面,通过目测观察和手摸就可以发现,而氢致裂纹属于面积型缺陷,且裂纹细小,不易与照射方向一致,用X射线检验很容易造成漏检,因此不适用于氢损伤的检验;渗透探伤和磁粉检验用于表面近表面裂纹的检验,对于氢致开裂形成初期的细小狭窄裂纹,渗透探伤检出率很低,必须采用磁粉探伤才能有效地检验。对于焊缝及其热影响区和冷变形剧烈等应力集中部位,必须进行表面探伤,观察是否存在应力导向氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂造成的微小裂纹。表面探伤的局限性在于拆除保温层和进行表面处理需要消耗大量的人力和时间,对于内径小的容器难以进入而无法检测内表面,而且表面裂纹的深度不能确定。
  2在线监测的主要方法在线监测的目的是控制开裂的发生与发展,使设备处于良性运行,从而延长了设备的使用寿命。其主要方法有:氢传感器探测法和声发射技术等。
  2.1传感器探测法无论何种类型的氢损伤均导致材料性能下降,钢中氢浓度与氢损伤程度成正比的观点己为人们普遍接受。氢传感器探测法,就是通过测量氢原子(hydrogen atom )的含量来反映氢的扩散能力的,由扩散速率可以计算出钢中氢的浓度,从而判断材料遭受氢损伤的程度。
  氢传感器探测法分为物理方法和电化学方法,但无论哪种方法,其测量结果均未与材料发生低应力断裂的特点联系起来,不能赖以直接评定和迅速可靠判断设备发生氢致开裂的危险性。
  1压力氢探测仪压力氢探测仪是一种检测渗氢速率的物理方法,其工作原理是使氢气通过封闭的空腔,测量空腔中积聚氢的压力。通过适当的装置使探测仪的封闭端进入待测环境中,随着设备内壁的腐蚀,一部分氢将扩散进入设备的外表面,在探测仪的测压器内壁复合成氢分子而释放能量,导致压力的增高,利用晶体的压电效应测量压力的大小,而压力增加的速率则反映了设备在环境中的渗氢速率。
  压力氢探测仪是一种积累型仪器,结构简单,不需要外加能源。氢渗透率是以单位时间内压力的积累来计算的,要求对探测仪作定期读数,通常在24小时内反映出氢渗透率的变化。但是,由于测定的是累积的气体压力,精确度差,且其灵敏度受压电晶体灵敏度的限制。目前,这种仪器己经在油田中使用多年。
  此外,利用物理原理检测渗氢速率的还有真空氢探测仪和劳伦斯测氢仪,但是由于价格昂贵应用受到限制,前者目前还仅限于,声发射源发出的弹性波,经介质传播到被检物体的表面,引起表面的机械振动,经耦合在被测物体表面的声发射传感器将表面的瞬态位移转换成电信号,再经放大、处理后,形成其特性参数,并被记录与显示,最后,经数据的说明来评定出声发射源的特性。
  技术具有以下优点:由于提供缺陷在应力作用下的动态信息,适于评价缺陷对结构的实际有害程度;利用多通道实现整体或大范围的快速检测,经一次加载或试验过程,就可确定缺陷的部位,检测效率高;实现连续在线监测,适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报;由于对被检构件的接近要求不高,可适应复杂的检测环境,如高低温、核辐射、易燃、易爆及有毒等环境。
  声发射技术的局限性在于:仅用于检测活性缺陷,用此方法没有检测出裂纹,并不能肯定该设备没有缺陷,同时,为使裂纹处于活跃(Active)状态采取的压,使本来可能带有未知危险缺陷的设备,处于一种可能的更不安全中,须慎重对待;不能确定缺陷的性质和大小;检测灵敏度非常高,因此背景噪声,如电噪声、机械摩擦等给检测带来的干扰难以避免。但是,随着信号分析处理技术的发展,现在己经可以对声发射信号进行小波去噪和特征提取,进而能够对声发射源进行模式识别和精确定位,并判定缺陷的性质。
  利用声发射技术监测氢损伤的研究直到20世纪80年代才开始。但是至今为止,检索的结果表明人们在这方面的研究还是很少。日本高坪纯治和中国学者李晓刚等分别研究了高温充氢的高碳钢和低碳钢在拉伸过程的声发射信号特征,肯定了拉伸过程中的声发射活动能够敏感的反应试样的氢腐蚀程度;1982年,V.A.Gol*tsov116等首次用声发射技术研究了钢中白点的形成过程,而A.K.Bhattachaiya117和S.Y.Tsai等人用电解充氢的方法模拟氢致开裂产生的环境,分别研究了拉伸过程和氢渗透测量过程中的声发射特征。
  从以上可以看出,对于声发射技术可以用来监测氢损伤己经得到了国内外学者的肯定。虽然目前还处于实验室研究阶段,但是其在动态监测方面的优越性以及信号分析处理手段的不断发展使人们对声发射技术在氢损伤监测方面的应用充满了期待,具有广阔的发展前景。
  3结语压力容器氢损伤的开裂检测或监测是技术性、综合性很强,难度很大的工作,各种检测方法都是针对一定损伤类型的特定特征进行分析的,具有各自的特点,适用于不同的失效形式。因此,仅靠一种检测方法是难以确切定论的,必须是几种检验方法相互配合和验证(Experimental)。另外,在检测时,还应根据设备的操作历史记录、几何形状、工况条件的变化情况,分析压力、温度、介质的波动规律对氢损伤影响的可能性,判定容易受损的区域,为有针对性地进行检验提供可靠的依据。
  在目前的监测和检测技术中,对氢损伤的离线检测己经发展得比较成熟,而在线监测由于其能够及时发现设备(shèbèi)存在的问题,为定期检验提供有针对性的可靠依据,能够减少停车次数,为企业的安全生产带来巨大的经济利益,因此越来越受到人们的关注。其中,声发射检验技术随信号分析处理手段的进步而不断发展,在氢损伤在线监测中的应用会成为今后研究发展的主要方向。