Метод акустической эмиссии для диагностики сосудов давления на нефтеперерабатывающем заводе

Б.С.Кабанов, В.П.Гомера, В.Л.Соколов, A.A.Охотников, “КИРИШИНЕФТЕОРГСИНТЕЗ”

Введение

“Киришинефтеоргсинтез” был первым нефтеперерабатывающим заводом в России, который ввел группу АЭ в структуру своей лаборатории технической диагностики. В тот период метод АЭ использовали, в основном, научные организации и исследовательские центры. Промышленные организации пользовались услугами данных центров, когда в этом возникала необходимость.

Учитывая перспективы использования АЭ для повышения надежности работы технологического оборудования, и желая увеличить объемы и оперативность использования АЭ, руководство механической службы приняло решение о создании собственной группы АЭ. Сейчас АЭ сопровождает проведение гидроиспытаний и пневмоиспытаний сосудов давления, работающих в наиболее жестких эксплуатационных условиях и повышает эффективность применения традиционных методов дефектоскопии в результате локализации зоны использования этих методов. Кроме того, все пневмоиспытания сосудов обязательно сопровождаются АЭ. Российские правила контроля разрешают проводить пневмоиспытания сосудов вместо гидро-испытаний только при условии использования АЭ для обеспечения безопасности контроля.

Необходимость такой замены возникает часто, так как на заводе эксплуатируется достаточно много сосудов, для которых нельзя допускать попадания воды внутрь из-за конструкционных особенностей этих сосудов (например, наличие катализатора внутри реакторов). Для анализа данных, полученных в результате испытаний, используются, в основном, традиционные критерии: локация сигналов, эффект Кайзера, выдержки давления и др. Дополнительно при анализе данных используется такой метод, как локация источников АЭ с учетом переменных значений скорости распространения сигналов в относительно тонких оболочках (различные моды волн Лэмба). Также применяются некоторые алгоритмы кластерного анализа. С 1992 года проведены испытания 205 сосудов.

По результатам испытаний был проведен профилактический ремонт 29 сосудов. По результам обработки всех испытаний формируется база данных по АЭ контролю сосудов. Первой АЭ системой, которая была использована на нашем предприятии была LOCAN AT фирмы PAC. Эта система продолжает эксплуатироваться и сейчас. Дополнительно, чтобы повысить качество АЭ при контроле больших сосудов, и, учитывая прогресс в развитии АЭ систем, наша организация в 1998 году приобрела систему AMSY4 фирмы “Vallen Systeme”.

Примеры использования АЭ для контроля сосудов

Чтобы подтвердить тезис об эффективности использования АЭ для диагностики оборудования нефтеперерабатывающего завода приведем несколько реальных примеров обнаружения дефектов. Во всех этих примерах вероятность обнаружить дефекты без применения АЭ, используя только традиционные методы контроля, была очень мала. Результаты получены с использованием системы AMSY4.

ПРИМЕР 1 

Объект контроля - корпус теплообменника, материал – углеродистая сталь с плакировкой из нержавеющей стали, толщина – 20 мм, пневмоиспытания (эскиз представлен на рис.1). Результаты планарной локации показаны на рис.2. Они были использованы для определения участка корпуса сосуда с высокой концентрацией источников АЭ – для последующего анализа. Затем с использованием других инструментов пост-обработки данных была проведена более точная локализация и классификация зон АЭ активности. Примеры элементов такого анализа приведены на рис.3. Приведенная на левом графике зависимость Amplitude от Counts для трех каналов (показана различным цветом для разных каналов) свидетельствует о наличии более высоких амплитуд, регистрируемых по 14 каналу, в сравнении с каналами 6 и 13 (что является достаточным основанием не ограничиваться результатами формальной локации и указывает на необходимость дополнительного анализа данных от группы АЭ источников, расположенных в пределах рассматриваемого фрагмента локационной антенны). 

Схема теплообменника с указанием конструкционных элементов, инициирующих основной массив АЭ сигналов во время пневматических испытаний сосуда

Наличие импульсов высокой амплитуды по #14 указывает на то, что возможно наличие АЭ источника в непосредственной близости от места установки датчика. Правый график на Рис.3 иллюстрирует использование информации о параметре Rise Time для интерпретации результатов планарной локации.

Окончательные результаты локализации зон, содержащих источники АЭ, и положение АЭ преобразователей на развертке сосуда указаны на Рис.4. Указанные зоны АЭ активности были классифицированы в соответствии с природой АЭ источников, их образующих, следующим образом: Зона 1 связана с процессами релаксации напряжений в сварном соединении между корпусом и неподвижной опорой; Зоны 2 и 3 образованы в результате регистрации сигналов, сопровождавших релаксационные процессы в зонах приварки внутренних устройств к корпусу сосуда. (Необходимо отметить, что процессы релаксации в Зонах 2 и 3, как правило, коррелировали между собой, поэтому сигналы из различных источников образовывали суперпозиции; данные суперпозиции регистрировались сенсорами из локационной группы, образованной каналами ## 13,14,6,10 и, как следствие, формальные результаты планарной локации имели вид, представленный на Рис.2). В Зоне 4 (в районе расположения датчика #14) по результатам дополнительного контроля традиционными методами контроля был обнаружен опасный дефект (круговая трещина глубиной глубиной 8-10 мм в сварном шве вокруг глухой бобышки диаметром 45 мм с выходом на продольный шов обечайки), образовавшийся как результат коррозионного растрескивания.

Рис.2. Параметры локационного кластера, соответствующего Зоне 2.

Рис.3. Некоторые зависимости, используемые при анализе данных из Примера 1: корреляции Counts vs. Amp [1] and  Rise Time vs. Amp [2] для каналов ## 6,13,14

Рис.4. Схема расположения контрольных преобразователей на развертке корпуса теплообменника  (Пример 1), вид изнутри. Обозначены зоны наиболее активных AЭ источников.

ПРИМЕР 2

Объект контроля – вертикальный сосуд, расположенный в одном корпусе с другим сосудом. Сосуды разделены плоской сплошной перегородкой (Рис.5). АЭ контроль сопровождал гидроиспытания верхнего сосуда. Материал – углеродистая сталь с плакировкой, толщина стенки – 16 мм.

В результате эксплуатационных нагрузок в нескольких точках по периметру перегородки произошла ее перфорация: в сварном шве между корпусом и пергородкой появились сквозные трещины. Эти трещины раскрывались только в результате воздействия внутреннего давления и поэтому не были обнаружены традиционными методами контроля во время остановки сосуда.

Применение АЭ во время гидроиспытаний сосуда позволило выявить данные дефекты. Импульсные характеристики сигналов некоторых датчиков из нижнего пояса имели вид, характерный для сигналов, регистрирующих утечки (некоторые импульсные характеристики представлены на Рис.6). Однако, визуально - с внешней стороны корпуса – утечки отсутствовали. Кроме того, предварительный контроль другими методами сварных соединений перегородки и корпуса дефектов не обнаружил.

Дополнительная информация для решения проблемы была получена при помощи функций визуализации формы сигнала, которые были использованы для качественной оценки типа источника АЭ по форме сигналов.

Рис.5. Схема объекта контроля из Примера 2 (два вертикальных сосуда, разделенных перегородкой)

На Рис.7 представлен пример регистрации типичных сигналов для двух разных датчиков от источников разной природы. Датчик #4 находился возле участка сварного шва с небольшими коррозионными дефектами.

Датчик #3 был расположен возле перегородки (см. Рис.5) и регистрировал периодические утечки через сквозные трещины соединительного шва.

Надо заметить, что нижний сосуд также был заполнен водой (подготовлен к гидроиспытаниям). Это факт внес дополнительные особенности в характер регистрируемых данных: вода, нагнетаемая насосом в верхний сосуд, повышала в нем давление до тех пор, пока напряжение в месте перфорации не превысило значение, нужное для раскрытия трещин. В результате через трещины вода из верхнего сосуда поступала в нижний и повышало в нем давление до того же значения, что и в верхнем сосуде. Это обстоятельство внесло дополнительные возмущения в структуру данных.

Однако, использование АЭ для решения подобных проблем, возможно, является оптимальным. Во всяком случае, в рассмотренном примере удалось успешно определить тип всех дефектов и место их расположения.

Рис.6. Некоторые графические формы для импульсных параметров, которые были использованы при анализе данных в Примере 2

Рис.7. Примеры сигналов, зарегистрированны от утечки (Chan.3) и от коррозионного растрескивания (Chan.4)

Рис.8. Определение положения дефекта на корпусе сферического сосуда с использованием алгоритмов сферической локации

Рис.9. Примеры графических форм, использованных для локализации зоны корпуса сферической емкости (участок шва протяженностью 800мм), содержащей коррозионные дефекты (с использованием принципов зональной локации)

ПРИМЕР 3

Эффективность АЭ высока для больших сосудов с труднодоступными участками. Для таких сосудов наиболее эффективным является использование комбинации различных локационных алгоритмов, предоставляемых системой AMSY4. Например, для контроля сферического сосуда хорошие результаты были получены при сочетании сферической и зональной локации.

Характеристики сосуда: материал - углеродистая сталь, толщина -16 мм, диаметр – 10500 мм, емкость – 600 куб.м. АЭ сопровождала гидроиспытания сосуда. В результате контроля были выявлены две зоны на корпусе сосуда, содержащие коррозионные дефекты. Одна из зон была выявлена с использованием результатов сферической локации (Рис.8). Вторая зона (участок шва) была определена с использованием принципов зональной локации. Некоторые данные, характеризующие высокую относительную активность датчика #8, расположенного в этой зоне, приведены на Рис.9.

В дальнейшем результаты АЭ были подтверждены ультразвуковым контролем. и произведен ремонт дефектных участков корпуса.

Заключение

Сейчас метод АЭ на “Киришинефтеоргсинтез” включен в общую структуру неразрушающего контроля предприятия и успешно дополняет традиционные методы.

Руководство организации, учитывая эффективность применения АЭ, увеличивает объемы его применения и продолжает инвестиции в развитие АЭ на предприятии.

ВЕРСИЯ ДЛЯ ПЕЧАТИ