CN104502459B - 基于声发射对炉管进行诊断的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及炉管缺陷检测技术领域，尤其涉及基于声发射对炉管进行诊断的方法。基于声发射对炉管进行诊断的方法，包括：在欲检测炉管的不同预设测试点上进行断铅测试，产生断铅脉冲信号；布置在所述欲检测炉管上的声发射传感器采集因所述断铅脉冲信号反馈形成的声反馈信号，并将所述声反馈信号发送给监测主机；所述监测主机接收所述声反馈信号，根据反馈信号特征参数的差异性生成炉管衰减检测曲线图，基于所述炉管衰减检测曲线图对所述欲检测炉管进行诊断。本方法通过对炉管衰减检测曲线图的分析处理，实现对炉管材质劣化程度的检测。

Description

基于声发射对炉管进行诊断的方法

技术领域

本发明涉及炉管缺陷检测技术领域，具体而言，涉及基于声发射对炉管进行诊断的方法。

背景技术

能源在国民经济中具有特别重要的战略地位，是人类经济发展的命脉。能源的主要供应者是石油化工，而大型管式燃料加热炉是石油化工企业中广泛应用且必不可少的重要设备，能否实现长周期、满负荷、优质运行，对保证石化企业的安全生产及社会经济的快速发展至关重要。

石油化工企业中广泛应用且必不可少的重要设备之大型管式燃料加热炉，其炉管长期在火焰、烟气、飞灰等恶劣环境下运行，服役过程中易受到介质腐蚀、磨损、拉裂等因素的影响，炉管极易产生渗碳、渗碳开裂、弯曲、蠕变开裂、热疲劳开裂、鼓胀、氧化及高温硫腐蚀等失效事故，不仅会导致装置的非计划停车，给生产上造成巨大的损失，还会严重影响着石化企业的安全生产。另一方面，现在各大石油化工企业为了利益最大化，往往会提高炉管的操作温度，这样就要求炉管材料具有较好的高温强度，并对其抗高温腐蚀性能提出了更为严格的要求。这些恶劣的工况会加速炉管的劣化，减少使用寿命。据统计，所有失效形式中与渗碳相关的失效占93％，而且所有的炉管均会伴随着不同程度的氧化。因此，如何测试渗碳层的厚度及研究渗碳的厚度、氧化程度对炉管综合性能的影响尤为重要。

裂解炉炉管发生渗碳的原因是炉管中的碳氢化合物的裂解和分解释放出来的活性炭原子在管壁的吸附，向合金基体的渗透和扩散，引起合金中金属碳化物的大量析出和碳化物类型的改变，导致炉管变质脆化和开裂的一种破坏形式。这种现象对石化工业的生产有极大的危害。美国Kaya和Ali Arslan等研究了合金钢HK40在氧化和渗碳环境下的高温组织变化，发现了在这种材料中，共析碳化物的晶体变得粗大，且转化成为M7C3的碳化物，发生渗碳。国内，已有学者研究了渗碳的基本过程及从中的物质传输问题，并在此基础上提出了碳的扩散方程，由此分析了有内压和渗碳发生但不蠕变时的计算结果。这些结果表明渗碳产生的基理已清晰。由渗碳引起的失效分析可知，发生渗碳后，材料组织及成分发生了变化，致使组织疏松，另一方面，由于碳化铬的形成，打破了组织中Cr-Fe-Ni三相平衡状态，使原本弱磁组织的磁性增加。

炉管高温氧化是一种高温下的气体腐蚀，是高温设备中常见的化学腐蚀之一。温度越高，氧化越严重。钢材在300℃时，表面出现可见的氧化皮；温度高于570℃时，氧化特别强烈。铁与氧形成的化合物为：FeO、Fe2O3、Fe3O4，温度越高越易生成FeO。由于FeO是简单的立方晶格，在这种结构中，氧原子数较FeO化学式所应有的氧原子少，即原子空位较多，结构疏松。另一方面，氧原子容易通过通过氧化层空隙扩散到基体表面，使铁继续氧化，随着氧化层下的铁不断氧化，氧化层愈来愈厚，形成厚厚的氧化层。实践中，除少数贵金属和合金外，几乎没有一种金属或合金在高温环境工作时是稳定的，它们都在不同程度上与气氛中的氧、硫、碳等元素发生化学或电化学反应，导致材质劣化或破坏。氧化不仅使壁厚 减薄、结构疏松，而且氧化层的磁性及氧化过程中同样会打破Cr-Fe-Ni三相平衡状态。

总之，不论是渗碳还是氧化都将会引起材质的劣化，因而采用有效的检测方法对材质劣化程度进行检测是非常必要的，不仅可以确保炉管的安全使用，而且可以为炉管的剩余寿命预测提供可靠依据。对此国内外已进行了大量的研究，但尚未有行之有效的方法能够对炉管材质劣化程度进行检测。

发明内容

本发明的目的在于提供基于声发射对炉管进行诊断的方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种基于声发射对炉管进行诊断的方法，基于声发射对炉管进行诊断的方法，包括：在欲检测炉管的不同预设测试点上进行断铅测试，产生断铅脉冲信号；布置在所述欲检测炉管上的声发射传感器采集因所述断铅脉冲信号反馈形成的声反馈信号，并将所述声反馈信号发送给监测主机；所述监测主机接收所述声反馈信号，并生成炉管衰减检测曲线图，基于所述炉管衰减检测曲线图对所述欲检测炉管进行诊断。

优选地，所述预设测试点与所述声发射传感器所在母线之间的夹角为0度、90度或180度。

优选地，所述声反馈信号为L模态信号、T模态信号及F模态信号的叠加。

优选地，所述炉管衰减检测曲线图为距离-幅值声衰减曲线图。

优选地，所述基于所述炉管衰减检测曲线图对所述欲检测炉管进行诊断，包括：基于所述炉管衰减检测曲线图对所述欲检测炉管的渗碳层厚度及氧化程度进行检测。

优选地，所述基于所述炉管衰减检测曲线图对所述欲检测炉管进行诊断，包括：将两组欲检测炉管的所述炉管衰减检测曲线图进行对比，根据对比的结果对所述欲检测炉管的渗碳层厚度及氧化程度进行检测。

优选地，两组所述欲检测炉管的规格材质相同，服役年限不同。

优选地，两组所述欲检测炉管的规格材质相同，渗碳层厚度不同。

优选地，两组所述欲检测炉管的渗碳层厚度相同，氧化程度不同。

优选地，两组所述欲检测炉管的规格材质相同，服役年限不同且渗碳层厚度不同。

本发明实施例提供的基于声发射对炉管进行诊断的方法利用声发射技术，在炉管的预设测试点上进行断铅测试，由此产生断铅脉冲信号，其中产生的断铅脉冲信号是一种瞬态弹性波；断铅脉冲信号在炉管材质上传播的过程中携带大量炉管结构或材料缺陷处的信息，形成声反馈信号；布置在炉管上的声发射传感器采集声反馈信号并在监测主机处生成炉管衰减检测曲线图，通过对炉管衰减检测曲线图的分析处理，实现对炉管材质劣化程度的检测。

附图说明

图1示出了本发明实施例中基于声发射对炉管进行诊断的方法流程图；

图2-图8示出了本发明实验中的距离-幅值声衰减曲线图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明实施例提供了一种基于声发射对炉管进行诊断的方法，如图1所示，主要处理步骤包括：

步骤S11：在欲检测炉管的不同预设测试点上进行断铅测试，产生断铅脉冲信号；

步骤S12：布置在欲检测炉管上的声发射传感器采集因断铅脉冲信号反馈形成的声反馈信号，并将声反馈信号发送给监测主机；

步骤S13：监测主机接收声反馈信号，并生成炉管衰减检测曲线图，基于炉管衰减检测曲线图对欲检测炉管进行诊断。

本发明实施例的基于声发射对炉管进行诊断的方法，利用声发射技术实现对炉管材质劣化程度的检测。

在对炉管进行声检测的过程中，在炉管的测试点上进行断铅测试，在炉管中形成断铅脉冲信号；断铅脉冲信号在炉管上传播的过程中携带大量炉管结构或材料缺陷处的信息，形成声反馈信号；设置在炉管上的声发射传感器采集声反馈信号，并在监测主机处生成炉管衰减检测曲线图，通过对炉管衰减检测曲线图的分析实现对炉管材质劣化程度的检测。

通过上述基于声发射检测技术基于炉管衰减检测曲线图能够实现对欲检测炉管的渗碳层厚度及氧化程度进行检测。

具体地，监测主机利用声反馈信号形成的炉管检测曲线为距离-幅值声衰减曲线图。

利用上述检测方法对炉管进行检测的过程中，需预先确定测试点，并参照测试点在炉管上设置声发射传感器，为了使形成的距离-幅值声衰减曲线图衰减程度更加明显，设置预设测试点与声发射传感器所在母线之间的夹角为0度、90度或180度。

实验表明，当预设测试点与声发射传感器所在母线之间的夹角为0度时，在监测主机上形成的距离-幅值声衰减曲线图的衰减程度最为明显，更加有利于对炉管状态进行检测。

在炉管的预设测试点上进行断铅测试，产生断铅脉冲信号；断铅脉冲信号在炉管材质上传播的过程中形成多种模态的信号，包括L模态信号、T模态信号及F模态信号；声发射传感器上接收到的声反馈信号为多种模态信号的叠加，即声反馈信号为L模态信号、T模态信号及F模态信号的叠加。

利用本发明实施例的声发射技术对炉管进行检测的过程中，为了使检测结果更加准确、直观及可对比，优选地，采用两组炉管进行对照检测，在对照检测过程中形成两组炉管衰减检测曲线图，并将两组欲检测炉管的炉管衰减检测曲线图进行对比，根据对比的结果对欲检测炉管的渗碳层厚度及氧化程度进行检测。

在两组炉管进行对照检测过程中，两组欲检测炉管的选择方式包括：(1)规格材质相同，服役年限不同；(2)两组欲检测炉管的规格材质相同，渗碳层厚度不同；(3)两组欲检测炉管的渗碳层厚度相同，氧化程度不同；(4)两组欲检测炉管的规格材质相同，服役年限不同且渗碳层厚度不同。

基于上述炉管诊断方法，本发明实施例进一步提供了炉管诊断检测的实验，以验证上述基于声发射对炉管进行诊断的方法的有效性，同时对上述诊断方法作进一步说明。

该炉管诊断检测实验所采用的仪器主要包括：SAEU2S-1016-4声发射检测仪器一台、特制SR150S(直径6mm)小传感器四个(频率范围：100～400KHz)、40dB前放4个、数据连接线4根、30米 同轴电缆4根、胶带一圈、直径0.5mm的HB铅芯若干、标准断铅装备一个、数据采集及处理系统。

声发射衰减测试步骤如下：

a、校验系统，一个有效的声发射检测是建立在一个完好系统的基础之上，故检验前对声发射检测仪进行相应的系统校准；

b、布置传感器，将传感器布置于事先打磨好的部位；

c、连接同轴电缆、前放、数据线及主机；

d、打开软件进行背景噪声测试，设备门槛等参数；

e、按衰减测试的有关规定，在传感器10mm以内、100mm、200mm、300mm等部位进行不少于三次断铅测试，记录所采集的信号幅值，拟合幅值与距离的曲线图，即可得到相应的衰减曲线图。

实验一：同一炉管不同方位对比测试

(1)实验目的

声发射信号在管道中的传播较为复杂，在实验过程中所采用的断铅信号为局部脉冲信号，它会在管道中形成多种模态，如L(0，n)，T(0，n)，F(m，n)模态，而最终的信号是多个模态信号的叠加。其中L(0，n)和T(0，n)模态能量沿管道周向分布均匀，而F(m，n)模态在任意管道周向截面上的分布不均，是角度的函数，且能量的周向分布随着传播距离的变化而变化。因此选取合适的方位进行衰减测试以获得最大的衰减梯度是至关重要的。本实验的主要目的是通过声发射传感器与测试部位呈不同角度的声衰减测试来确定衰减梯度最大的测试部位。

(2)测试对象

本实验采用的测试炉管：服役7.5年，规格为Ф127×12×2000(mm)，材质为HP40Nb(25Cr35NiNb-Ma)

(3)测试及结果

根据上述声发射衰减测试步骤，如图2所示，分别沿着与声发射传感器所在母线成0度、90度、180度三个方向进行同距离的断铅测试，记录每次断铅的幅值，拟合后形成的三条衰减曲线如图3所示。

(4)分析讨论

根据声信号衰减测试方法对同一管子的三个方位分别进行衰减测试，如图3的测试结果表明：传感器布置与测试点位于同一母线时衰减梯度最大，即沿0度方向测量时，其差异更显著，更适合于辨别检测中有无影响因素。

综上，当声发射传感器与测试点位于同一母线时，衰减梯度最大，故进行衰减测试时应优先选择同一母线测试法。

实验二：同一规格材质、不同服役年限炉管的对比测试

(1)目的

通过对同一规格材质、不同服役年限的炉管进行衰减测试，其目的为了确认服役后的炉管与未服役炉管有无明显差异，初步研究声发射检测技术在炉管检测中有效性。

(2)测试对象

规格为Ф80×8.2×2000(mm)，材质为HP40Nb(25Cr35NiNb-Ma)，一根服役3年，一根未服役。

(3)测试及结果

对两根不同服役年限的炉管根据声发射衰减测试步骤进行测试，其测试结果拟合曲线如图4所示。

(4)分析讨论

a.如图4，比较服役与未服役炉管的声衰减程度可知，服役过炉管衰减程度明显高于未服役过炉管，衰减差异的存在表明声发射衰减测试技术可以用于炉管检测中；因为炉管在服役过程中会发生渗碳、氧化等现象，根据衰减影响因子可知，这些变化会在一定程度上影响着声信号的衰减。

b.由整个长度范围内的衰减可知，0～200mm范围内的衰减梯度远高于200～2000mm范围内的衰减梯度；如图4所示，以服役过的炉管为例，在200mm以内的降幅为8dB/100mm，在1000mm以外的降幅为0.5dB/100mm。同样得出0～200mm内的衰减梯度远远高于200mm以外的衰减梯度，采用300mm的样管进行实验是可行的。

(5)小结

a.对于同一规格的管子，服役与未服役炉管的声衰减存在明显差异，因此声发射衰减测试技术可以用于炉管检测；

b.衰减测试时，0～200mm内的衰减梯度最明显，表明采用300mm实验样管可行。

实验三：同一规格材质，不同渗碳层厚度炉管的测试

(1)实验目的

通过对同一规格材质、不同渗碳层厚度的炉管进行衰减测试，其目的为了确认渗碳层厚度对声信号衰减的影响程度，从而研究声发射检测技术在炉管渗碳层厚度检测中的有效性。

(2)测试对象

规格为Ф70×6×300(mm)，材质为HP40Nb(25Cr35NiNb-Ma)，渗碳时间分别为0小时、5小时、8小时和10小时，形成的渗碳层厚度分别为0微米、880微米、990微米及1070微米。

(3)测试及结果

对测试对象中给出的，经不同时间渗碳的四个样管进行相应的声信号衰减测试，拟合相应的衰减曲线图如图5所示。

(4)分析讨论

a.根据炉管渗碳后的金相变化，炉管渗碳后的组织发生了明显的变化；矫顽力测试测结果表明矫顽力随着渗碳的厚度增加而增加，说明渗碳后材质的磁场强度在一定程度上有所增强；

b.如图5所示，渗碳层厚度为0μm和990μm的炉管，实验的炉管总长为300mm，在炉管300mm处进行断铅时，虽进行一定处理，但仍没有消除断铅一次波与端面反射二次波之间叠加引起幅值上升的可能，；c.不考虑300mm处的影响，比较200mm范围内渗碳与未渗碳试件的声衰减梯度值，结果表明渗碳后的试件声衰减梯度低于未渗碳的试件，说明渗碳会影响声信号的衰减；而这一影响并非是加速衰减，在一定程度上起到减缓衰减的作用；

d.比较传感器附近、100mm和200mm处的声信号幅值，四个不同渗碳处理的试件在同一距离的幅值变化范围分别为1dB、2.5dB和2.0dB，如果考虑误差因素，则可认为目前渗碳层厚度范围内不会影响声信号的显著变化。

(5)小结

a.经渗碳处理后的炉管，由于组织与磁声强度均发生了变化，从而影响了声信号的衰减程度，而这一影响并非加速衰减，在一定程度上起到减缓的作用；b.如果考虑误差因素，认为短时无氧化单一强渗碳层的厚度不会引起声信号的显著变化。

实验四：同一渗碳层厚度不同氧化程度炉管的测试

(1)目的

对一根服役后发生氧化的炉管进行衰减测试，其目的为了确认炉管的氧化程度对声信号衰减的影响，从而研究声发射检测技术在炉管氧化程度检测中有效性。

(2)测试对象

规格为Ф114×6.5×600mm，服役近一个周期，炉管的主要化学成分见表1。

表1HP40Nb炉管化学成分

(3)测试及结果

根据理论分析，声信号衰减会随着材质渗碳、氧化而发生变化，为更加明确氧化程度对声信号衰减的影响，本实验除了对本试管的四个截面进行声衰减测试外，还进行了相应的金相分析和矫顽力测试。

根据上述声衰减测试工艺，对测试对象中给出的、同一炉管的四个不同方位(向火面、背火面及两个过渡面)分别进行声信号衰减测试；不同方位矫顽力测试结果如表2所示。轴向矫顽力与附着层厚度之间的关系如图6所示，声衰减测试结果如图7所示。

表2不同方位矫顽力测试结果

(4)分析讨论

a.炉管在向火面有一层厚厚的附着层(厚度达1.5mm)，经能谱分析可知该附着层为氧化层，证明该炉管服役期间发生了氧化；由内壁金相分析可知，氧化层下面还存在一层厚约为500μm的渗碳 层，说明该炉管发生氧化的同时伴有渗碳现象；另外，矫顽力测试结果显示该炉管的磁性明显增加；

b.比较1～4号位的衰减结果可知，1号位的衰减梯度最小，3号位的衰减梯度最大；而整个截面的渗碳层厚度无明显差异，故不同方位间声信号衰减梯度变化并非由渗碳层厚度引起；

c.比较氧化层厚度与声信号衰减梯度大小之间的对应关系可知，声信号衰减梯度变化对氧化层厚度较敏感，氧化层厚度越厚，声信号衰减梯度越大，氧化层厚度越薄，声信号衰减梯度越小。

(5)小结

对同一渗碳层厚度而不同氧化层厚度的声衰减测试结果可知，声信号衰减梯度变化对氧化层厚度较敏感，故声发射检测技术可以应用在加热炉炉管氧化程度方面的检测中。

实验五：对已服役、进行不同渗碳厚度炉管的测试

(1)目的

通过对同一规格材质、不同服役年限、不同渗碳层厚度的炉管(通过不同渗碳时间来获得)进行衰减测试，进一步比较渗碳层厚度与氧化程度对声信号衰减的影响，综合研究声发射检测技术在炉管渗碳层厚度、氧化程度检测中的有效性。

(2)测试对象

规格为Ф80×8.2×300(mm)，材质为HP40Nb(25Cr35NiNb-Ma)，各管的信息见下表3。

表3不同管子的信息表

(3)测试及结果

同样根据声衰减测试工艺对表3中Z0～Z4四种炉管分别进行相应的声信号衰减测试，拟合不同的衰减曲线见图8。

(4)分析讨论

a.由金相分析可知，服役3年后炉管发生轻微渗碳、氧化及结焦；对其再次进行短时强碳渗后，组织发生了明显的变化；此外，矫顽力测试结果显示该炉管经再次渗碳后磁性明显增加；

b.比较图8中Z1～Z4(服役后炉管与服役后再次进行短时强渗碳炉管)的声衰减程度可知，不考虑300mm处的影响，在200mm范围内，经短时强渗碳后三个炉管(Z1～Z3)的衰减程度比未渗碳炉管(Z4)的衰减程度有所减缓，此结论与实验三相吻合，再一说明目前渗碳层厚度在一定程度上起到减缓声信号衰减的作用；

c.比较图8中Z0～Z4(未服役过、服役后与服役后再次进行短时强渗碳炉管)的声衰减程度可知，虽然渗碳后的炉管有减缓声信号的作用，但是服役后炉管(Z1～Z4)的衰减梯度高于未服役炉管(Z0)的衰减梯度，说明在引起衰减梯度变化的因素中氧化比渗碳更显著，进一步说明声信号衰减梯度对氧化层厚度较敏感；

d.对于目前渗碳层厚度不会引起声信号衰减的显著变化，而声信号衰减梯度对氧化层厚度更明显。

(5)小结

a.本实验再一次说明：虽然渗碳后的组织发生了明显的变化，但目前渗碳层厚度(或未引起材质劣化的渗碳状态)不会引起声信号衰减显著变化；

b.由图8中Z1～Z3三条曲线所处的位置可以看出，对于服役后再进行强渗碳的炉管，其氧化对声信号衰减梯度引起的变化较短时强渗碳所产生渗碳层厚度引起的变化明显。

综上可得出：

1.传感器布置与测试点位于同一母线时的衰减梯度最大，故进行衰减测试时应优先选择同一母线测试法；

2.衰减测试时，0～200mm内的衰减梯度最明显，表明采用300mm实验样管可行；检测中也可将短距离的测试结果应用于整个炉管评价；

3.对于同一规格的管子，服役与未服役炉管的声衰减存在明显差异，因此声发射衰减测试技术可以用于炉管检测；

4.经渗碳处理后的炉管，其组织形态和磁场强度与未经渗碳处理的炉管相比有较明显的变化；虽然渗碳后会引起声信号衰减梯度的变化，但目前渗碳层厚度不会对声信号衰减梯度产生显著变化；

5.相比目前渗碳层厚度的影响，声信号衰减梯度变化对氧化层厚度更明显，而且随着氧化层厚度的增加，衰减梯度也增大。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于声发射对炉管进行诊断的方法，其特征在于，包括：

在欲检测炉管的不同预设测试点上进行断铅测试，产生断铅脉冲信号；

布置在所述欲检测炉管上的声发射传感器采集因所述断铅脉冲信号反馈形成的声反馈信号，并将所述声反馈信号发送给监测主机；

所述监测主机接收所述声反馈信号，并生成炉管衰减检测曲线图，基于所述炉管衰减检测曲线图对所述欲检测炉管进行诊断；

所述预设测试点与所述声发射传感器所在母线之间的夹角为0度；

所述基于所述炉管衰减检测曲线图对所述欲检测炉管进行诊断，包括：基于所述炉管衰减检测曲线图对所述欲检测炉管的渗碳层厚度及氧化程度进行检测，具体的，将两组欲检测炉管的所述炉管衰减检测曲线图进行对比，根据对比的结果对所述欲检测炉管的渗碳层厚度及氧化程度进行检测；

其中，两组欲检测炉管的选择方式包括：两组欲检测炉管的规格材质相同，服役年限不同；两组欲检测炉管的规格材质相同，渗碳层厚度不同；两组欲检测炉管的渗碳层厚度相同，氧化程度不同；两组欲检测炉管的规格材质相同，服役年限不同且渗碳层厚度不同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述声反馈信号为L模态信号、T模态信号及F模态信号的叠加。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炉管衰减检测曲线图为距离-幅值声衰减曲线图。