摘要:基于超声波在多层介质中的传播规律,探讨超声波技术检测加热管内表面结焦层的可行性。研究结果表明:超声波技术无损评价炉管内壁结焦层厚度是可行的;超声回波信号的幅度、周期性以及波形的畸变程度可作为结焦层厚度变化的表征指标;无焦区,回波清晰,周期性较好,幅度较高;薄焦区,回波幅度减少,周期性较好,回波略有畸变;厚焦区,回波幅度明显降低,畸变严重。
结焦是炉管内的油品温度超过一定界限后发生热裂解,变成游离碳,堆积到管内壁的现象,主要发生在减压炉、焦化炉、减黏裂化炉、润滑油加热炉以及乙烯裂解炉中。结焦不仅使减压炉加热管传热能力降低,能耗增加,还可以引起管壁局部区域温度急剧升高,加剧炉管的腐蚀和高温氧化,缩短炉管的使用寿命,严重影响装置的正常运行,因此检测炉管结焦,清除炉管结焦,防止或减轻炉管结焦,已经成为若干高温加热炉操作中最重要的任务之一[1,2]。管壁结焦是多种因素综合作用的结果,已有的措施只能减轻炉管结焦的倾向,难以从根本上杜绝结焦的发生。因此,在焦层存在的前提下,加强对结焦层厚度的精确测量以及对炉管使用寿命影响程度的科学评价对减少热损耗与提高炉管的使用寿命就显得至关重要;此外,还可以为企业的管理人员制定合理的清焦方案提供科学的依据。目前常用的结焦检测方法:(1)利用内窥镜进行成像检测,该方法只能反映结焦是否存在,不能给出焦层厚度的量化指标;(2)肉眼观察管子外壁颜色是否变化,通常也被用于判断是否发生结焦的方法;(3)采用红外成像的方法,根据炉管外壁升温情况,判断结焦程度并进行定期清焦,检测结果易受到诸如烟气、火焰等环境气氛产生的不良影响,且红外成像装备价格昂贵,明显提高了检测成本[3,4]。
相对于其他无损检测方法,超声波具有传播方向好,穿透能力强,能量高,对人体健康无损害等优点[5],所以超声检测技术成为无损检测领域中应用和研究最为活跃的技术之一。鉴于此,本研究利用超声波在多层介质中的传播规律,分析了超声波检测技术无损评价结焦层的可行性,探索了一套可用于结焦层厚度判断的基本方法。
1 实验方法及试样选取
1.1 试样选取
实验样品取自于某石化公司蒸馏减压装置,如图1所示。炉管外壁已发生氧化,内壁附着黑色坚硬的焦炭,厚度分布不均匀,肉眼观察焦层最厚的部位约为1mm,最薄处约为0.5mm,个别区域可见裸露的金属内壁。依据炉管内表面厚度的不同,适当选择无焦、薄焦以及厚焦区作为研究对象,应用超声检测方法进行均匀的取点采样。选用标称频率为2.5MHz的水浸聚焦探头,应用脉冲回波反射法,对炉管内壁不同厚度的结焦层进行测试,每个区域采集10个样本(允许采样区域发生部分重叠)。
1.2 实验方法
适用于结焦层超声评价的检测系统如图2所示。借助CTS-23A型超声波探伤仪发射脉冲波,在同一检测灵敏度条件下,通过TDS-2012型数字存储示波器逐个采集样品的超声回波信号,并直接形成时间序列数据文件,最终经RS-232型接口将采样信号输送到微型计算机。为避免随机噪声、耦合状态和人为因素等的影响,故启动了TDS-2012型数字存储示波器的自动平均(128次)工作模式。
1.3 超声波在垂直入射钢-焦-水界面的传播模型
基于超声波在多层介质中的传播规律,选择无焦、薄焦以及厚焦区的回波信号进行分析,图3,4对应超声波在管内壁无焦、有焦区域的传播模型。图3中S1为水和钢界面的一次反射波,B1,B2…对应钢/空气界面的一次,二次…底面反射回波,图4中B3,B4分别为钢/焦界面以及焦层/空气界面的反射回波。
2 分析与讨论
2.1 实验结果
按照上述实验方法,获得来自不同界面、对应不同厚度焦层的超声回波信号,如图5~7所示。对比图5~7,可以看出,超声波通过无焦以及厚薄不同的结焦区时,回波信号有较为显著的差异。对应无结焦区域,可以接收到多次反射回波,回波信号清晰,周期性好,回波幅度较高(如图5所示);薄焦区尽管仍可以得到多次反射回波,与无焦区相比,回波幅度显著降低,周期性也减少(如图6所示);进一步观察发现,对应厚焦区回波信号幅度的下降更加明显,回波周期性明显较少,畸变程度增大(如图7所示)。
2.2 实验结果分析与讨论
超声波垂直入射到足够大的光滑异质平界面时,将在第一介质中产生一个与入射波方向相反的反射波,在第二介质中产生一个与入射波方向相同的透射波。反射波与透射波的声压分配比例由声压反射率R和声压透射率T来表示,它们仅与两种介质的声阻抗Z1,Z2有关,可以表示为:
式中:Z表示声阻抗;ρ表示密度;c表示声速。
平面波情况下的声阻抗Z反映了介质的传声特性,由介质的密度和声速的乘积决定。超声波透过无焦区域时,在钢/空气界面处,形成幅度较高且清晰的反射回波信号;当钢的内侧附着不同厚度的焦层时,声波首先传播到钢/焦界面,一部分声波被反射,另一部分则发生透射并传播至焦层/空气界面,反射波被探头接收。相对于炉管厚度而言,焦层薄得多,声波在焦层中可能发生多次往复反射,使得来自焦层/空气界面的反射回波一并叠加在钢/焦层界面回波中,增加了探头接收回波信号的复杂性,使得回波信号特征发生改变。
分析认为:结焦区回波信号的变化与焦层对超声波的散射和吸收相关。焦层是一种疏松多孔的材料,对声波的吸收和散射能力都很强,致使超声波在通过该区域时,更多的能量被衰减。由于焦的吸声作用,使得超声波在焦层中(无论薄或厚焦层)传播时声能耗失,底面回波明显降低,回波周期性降低;同时,焦层的存在还能够引起信号的散射,造成回波波形杂乱,畸变度增加。而且焦层愈厚,影响越显著。
3 结论
(1)超声波检测技术无损评价炉管内壁结焦层厚度是可行的。
(2)超声波在通过不同厚度的结焦区时,回波信号有较为显著的变化。回波信号的周期性、回波幅度以及波形的畸变度均可作为结焦层厚度改变的表征指标。
(3)无焦区,回波清晰,周期性较好,幅度较高;薄焦区,回波幅度减少,周期性减小,回波略有畸变;厚焦区,回波幅度明显降低,畸变严重,周期性几乎完全消失。
(4)本项工作选择加热管中的结焦层作为研究对象,所获得的研究方法也可用于锅炉垢层的无损检测。
参考文献
[1] 钱家麟.管式加热炉[M].北京:中国石化出版社, 2003. 605-606.
[2] 董晓坤,赵军.气分换热气结焦原因分析[J].石油与天然气化工,2005,34(5):381-383.
[3] 金光熙,徐长山,岳长进,等.红外热像技术诊断乙烯裂解炉热故障[J].红外技术,1999,5(29):308-309.
[4] 黄贤平.乙烯裂解炉结焦控制技术近况[J].江苏化工,2004,32(2):49-58.
[5] 关云隆.超声检测[M].北京:国防工业出版社,1987.6-7.
作者简介:李萍(1969—),女,副教授,在职博士,现主要从事材料无损检测与评价方面的研究,联系地址:大连理工大学材料科学与工程学院(116024),E-mail:liping69@dlut.edu.cn
