EA008014B1 - Способ и устройство для определения толщины обедненной хромом зоны поверхностной области стального элемента - Google Patents

Abstract

В изобретении предложены способ и устройство для мониторинга приповерхностного обеднения хромом стального элемента, такого как пиролизная трубка. В агрессивных условиях пиролизной печи содержащийся в трубке 16 хром мигрирует по направлению к поверхности трубки, что приводит к образованию обедненного хромом слоя 14. Этот слой может дать полезную информацию о состоянии и функционировании печи. Степень обеднения хромом измеряют, используя магнитный источник известной напряженности для создания магнитного поля в поверхностной области трубки 16. Оценку толщины обедненного хромом слоя 14 определяют по результирующей магнитной индукции, которую можно измерить при помощи элемента на основе эффекта Холла, расположенного, по существу, под углом 45° по отношению к продольной оси магнита.

Description

Данное изобретение относится к способу и устройству для выполнения металлургических исследований. Хотя изобретение и общеприменимо, оно имеет частное приложение в связи с аустенитными сталями, используемыми в агрессивных средах, например, в длинных трубках, находящихся в пиролизной секции установок для крекинга нефти.

В крекинг-установке молекулы углеводородов, такие как этан и пропан из природного газа, или более тяжелые жидкости, такие как лигроин и газойль из нефти, расщепляются на более мелкие молекулы. Это часто необходимо для получения олефинов, таких как этилен, которые полезны как таковые, или могут быть использованы в процессах полимеризации.

В случае этана и пропана газ нагревают до температуры выше приблизительно 800°С, при этой температуре связи в молекуле рвутся, и получается ряд более мелких молекул. Затем выделяют необходимые продукты. При крекинге более тяжелых веществ применяют тот же принцип, но так как молекулы намного больше, то получается большее число разнообразных более мелких молекул. Хотя такие процессы дают низкий выход олефинов, они позволяют получить многие другие полезные побочные продукты.

В типичной установке для крекинга этана крекинг происходит в пиролизной секции. Там этан прокачивают через лабиринт трубок 10,16-15,24 см (4-6 дюймов) в диаметре, расположенных в печи. Печь по существу представляет собой большую топку, содержащую большое количество газовых горелок, которые тщательно расположены и направлены так, чтобы обеспечить равномерный обогрев трубок. Когда этан протекает через трубки, он нагревается до примерно 800°С и расщепляется. Этан никогда не имеет непосредственного контакта с пламенем горелок; если бы это произошло, он воспламенился бы чрезвычайно интенсивно.

Этан прокачивают через пиролизную секцию с очень высокой скоростью. Время пребывания здесь каждой отдельной молекулы составляет несколько секунд или меньше в установках старого типа и менее одной десятой секунды в более современных установках. Важно, чтобы скорость потока оставалась столь высокой, чтобы предотвратить чрезмерный крекинг. Если бы это произошло, этан расщепился бы не до необходимых продуктов, а до метана и даже до углерода (кокса) и водорода. Другая мера, предпринимаемая для предупреждения чрезмерного крекинга - это смешивание этана с паром перед подачей в печь. Это имеет два дополнительных эффекта. Первый - снижение температуры, необходимой для протекания крекинга, а второй - уменьшение количества кокса, образующегося и откладывающегося внутри трубок печи.

Необходимо понимать, что комбинация пара, углеводородов и высоких температур создает значительную проблему безопасности. Поэтому прилагают большие усилия к конструкции безопасных установок, а после создания таковых их необходимо поддерживать в безопасном и работоспособном состоянии. В частности, чрезвычайно важно, чтобы проводились регулярные проверки критических компонентов в системе. Учитывая вышесказанное, современные нефтехимические установки для крекинга предназначены для получения значительных количеств продукта при очень высокой скорости. Важно учитывать влияние времени простоя, необходимого для проведения этих жизненно важных проверок безопасности, на рентабельность установки. Следовательно, существует веская причина, чтобы эти проверки проводили оперативно.

Как отмечено выше, по трубкам в пиролизной секции проходит большое количество высокоактивных химикалий, которые должны находиться при высокой температуре, и то же время должны быть изолированы от источника тепла в печи. Хотя как отмечено выше, трубки изготовлены из специальной стали, они находятся в очень тяжелых условиях, включающих высокие уровни механического напряжения, агрессивные газы окружающей среды и изменения состава газовой среды, которые со временем могут привести к металлургическим проблемам. Следовательно, важно проверять целостность трубок, для того, например, чтобы определить избыточный износ из-за коррозии. К тому же важно удостовериться, что горелки правильно выровнены для обеспечения эффективной работы печи. Более того, неправильное выравнивание горелок может вызвать появление мест перегрева на трубках, что может привести к локальному науглероживанию и деформации.

Для изготовления трубок обычно используют аустенитные стали. Их свойства зависят от присутствующего в них хрома, реагирующего с кислородом с образованием плотного слоя оксида хрома, а также оксидов шпинели. Это защищает металл от дальнейшего окисления, тем самым предотвращая коррозию стали, а следовательно, и нарушение цельности структуры.

Типично используемая в печи установки для крекинга этилена сталь включает 25% хрома, 35% никеля и 0,5% углерода, причем остатком является железо. В массе стали осаждается Сг₂₃С₆, образуя частицы с высоким содержанием хрома. Результатом этого является то, что в большей части объема стали содержится около 20% хрома, но при этом там размещены скопления со значительно более высоким содержанием хрома. Скопления Сг₂₃С₆ имеют тенденцию со временем растворяться, после чего хром мигрирует к поверхности, где он окисляется с образованием защитного оксидного слоя Сг₂О₃, упомянутого выше.

Одна из возникающих проблем заключается в том, что агрессивные условия в пиролизной печи могут вызвать быстрый рост оксидного слоя с меньшими защитными свойствами, а также скалывание ок

- 1 008014 сида и испарение хрома. В некоторых случаях этот тип коррозии приводит к истончению металла и, таким образом, к ослаблению конструкции.

Однако в установке для крекинга этилена упомянутая выше проблема неправильного функционирования горелок является более важной вследствие того, что неправильное функционирование с течением времени может привести к науглероживанию и/или локальной деформации и, таким образом, к возможной поломке трубки. Следовательно, очень желательно, чтобы было можно определить, происходит ли такое неправильное функционирование.

Первым аспектом данного изобретения является способ мониторинга состояния и/или функционирования печи, включающий операцию измерения приповерхностного обеднения стального элемента хромом.

Изобретение, в частности, применимо к стальным элементам в пиролизной печи, но применимо и для других видов агрессивных сред. В пиролизной печи установки для крекинга нефти изобретение, в частности, применимо в части процесса мониторинга состояния трубок, по которым протекают углеводороды, хотя его можно применять и к другим компонентам.

Изобретение основано на том факте, что вследствие испарения, окисления хрома и скалывания оксида поток хрома по направлению к поверхности трубки со временем будет обеднять хромом приповерхностный слой оксида хрома, потому что диффузия в основе сплава происходит не слишком быстро. В результате этого под оксидным слоем образуется обедненный хромом слой, тогда как на наружной поверхности стали образуется слой Сг₂О₃. В то время как это обеднение само по себе не является особой проблемой, заявители обнаружили, что вследствие своей связи с образованием слоя оксида обедненный хромом слой дает полезные данные о состоянии и функционировании печи.

Так как избыточное или быстрое окисление может привести к непрочности трубки, то возможность мониторинга оксидного слоя таким образом полезна сама по себе. Таким образом, другим аспектом данного изобретения является способ определения состояния поверхностного оксидного слоя на стальном элементе путем измерения степени обеднения хромом приповерхностного слоя элемента.

Более того, скорость роста оксидного слоя является полезным индикатором состояния трубки и функционального состояния реактора. Толстый оксидный слой, особенно тот, что растет быстро, а следовательно, не связан прочно с остающейся трубкой, - это не только показатель непрочности трубки, но он также может служить показателем неправильного функционирования горелок, приводящего к большей, чем необходимо, термической нагрузке или к большим изменениям температуры, действующим на трубку в области, где образуется толстый оксидный слой. Таким образом, обедненная хромом зона дает информацию об оксидном слое, который, в свою очередь, дает полезную информацию о функциональном состоянии печи. Соответственно, в предпочтительной форме изобретения используют информацию об обеднении хромом для определения непрочности трубки и/или определения, является ли функционирование горелок удовлетворительным.

Хотя абсолютные измерения обеднения хромом полезны, для определения мест перегрева, вызванных неправильным функционированием горелок, полезно сравнивать уровни обеднения хромом различных областей стального элемента. Таким образом, предпочтительно производить ряд измерений в различных точках трубки, например, вдоль ее длины, и сравнивать их. Участок, где происходит значительно большее обеднение, чем в среднем, вероятно, соответствует месту перегрева.

Более того, предпочтительно измерение (измерения) обеднения хромом повторять через промежутки времени, чтобы иметь информацию об изменении степени обеднения хромом со временем.

Уровень обеднения и глубина обедненного хромом слоя связаны со скоростью потери хрома с поверхности и со скоростью роста оксида. Это так, потому что поток хрома в направлении к внешней поверхности в общем случае уменьшается, когда толщина оксидного слоя увеличивается, а диффузия хрома из внутренней основы сплава увеличивается, когда уровень хрома в обедненной зоне уменьшается. Таким образом, там, где поток хрома из обедненной зоны равен потоку хрома в обедненную зону, может установиться стационарное состояние. В этом случае толщина обедненной зоны выражает скорость потери хрома, а не общее количество хрома, потерянного при окислении и т.д.

В некоторых случаях, например, когда в печи окисление протекает неправильно, окисление постоянно слишком быстрое, и количество хрома, израсходованного на поверхность, намного выше, чем (пополняющий) поток хрома из внутренней основы сплава. В этом случае уровень обеднения хромом приблизительно пропорционален общему количеству потерь хрома за все время (общий расход). Если весь хром нарастет на поверхности в виде быстрорастущего оксида (без скалывания и испарения хрома), то в этом отдельном случае можно сказать, что уровень обеднения хромом пропорционален толщине оксида. Таким образом, по меньшей мере при этих условиях, предлагаемый способ предпочтительно дополнительно включает операцию определения толщины оксида на стальном элементе по измеренному обеднению хромом.

Однако уровень обеднения хромом может выражать также нечто между скоростью потери хрома и общей потерей хрома. Более того, уровень обеднения хромом сильно зависит от качества материала.

Ясно, что чрезвычайно нежелательна необходимость проводить деструктивные тесты, такие как полное разрезание стали для проверки ее структуры. Следовательно, изобретение предпочтительно включает использование способа проверки и измерения обеднения хромом без разрушения.

- 2 008014

Хотя можно использовать и другие методики, предпочтительно степень обеднения хромом определять, используя то преимущество, что при уменьшении содержания хрома изменяются магнитные свойства стали. Таким образом, предпочтительно для создания магнитного поля на участке поверхности использовать магнитный источник с известной напряженностью, а затем оценивать толщину обедненной хромом зоны по результирующей магнитной индукции на поверхности элемента.

Заявители полагают, что эта методика измерений сама по себе обладает признаками изобретения; таким образом, другим аспектом изобретения является способ определения толщины обедненной хромом зоны поверхностной области стального элемента, включающий операции использования источника магнитного поля известной напряженности для создания магнитного поля на поверхностной области, а затем оценки толщины обедненной хромом зоны по результирующей магнитной индукции на поверхности элемента.

Эта методика использует то преимущество, что аустенитная сталь при комнатной температуре, как правило, парамагнитна (т.е. ее магнитная проницаемость ненамного превышает единицу). Однако если содержание хрома снижается до отметки ниже приблизительно 13-18%, то точка Кюри поднимается до окружающей температуры (другими словами, сталь становится ферромагнитной, она имеет высокую магнитную проницаемость). Содержание хрома в обедненном хромом слое составляет меньше 13-18%, а следовательно, он ферромагнитен.

Таким образом, магнитные свойства стали, содержащей значительные количества хрома, отличаются от свойств сталей, содержащих меньшие его количества. В результате этого при осуществлении способа по данному аспекту изобретения для данной приложенной напряженности магнитного поля в такой области стали магнитная индукция увеличивается с увеличением обеднения хромом. Следовательно, путем измерения магнитной индукции можно сделать вывод о степени обеднения хромом, а это, в свою очередь, обеспечивает оценку толщины слоя оксида хрома.

Под измерением не подразумевается, что необходимо получить конкретную величину магнитной индукции в каких-либо стандартных единицах, хотя при желании это можно сделать. Скорее необходим конечный результат, который предсказуемым образом изменяется в зависимости от изменений магнитной индукции. Как отмечено выше, во многих случаях все, что необходимо, - это иметь возможность сравнить результаты измерений, сделанные в различных местах и/или в различное время. Однако, если необходимо, результат можно обработать или подходящим образом откалибровать, чтобы получить информацию об обеднении хромом.

Для того чтобы прокалибровать используемый прибор, можно протестировать образцы стали с различными степенями обеднения хромом при помощи предлагаемого способа. Затем их можно разрезать и определить степень обеднения хромом при помощи сканирующего электронного микроскопа. Затем напряженность поля можно соотнести с обеднением хромом каждого из видов протестированных сталей. Так как магнитные свойства стали меняются от марки к марке, желательно для каждой марки, которую необходимо протестировать предлагаемым способом, тестировать образцы с известной толщиной слоя.

Следует заметить, что взаимосвязь между измеренной напряженностью поля и толщиной обедненного слоя в высокой степени нелинейна. Действительно, для любого вида используемого для тестирования прибора существует толщина обедненного слоя, которая приводит к насыщению.

Для простоты измерения предпочтительно, чтобы источник магнитного поля был расположен так, чтобы магнитную индукцию измеряли в таком положении, где линии магнитного поля расположены в общем по нормали к поверхности. Принимается во внимание, что поскольку линии магнитного поля искривлены, все они не могут быть расположены по нормали к поверхности, но предпочтительно, чтобы расположение было таким, что рассматриваемые линии поля были настолько близки к нормали, насколько это осуществимо.

В большинстве случаев геометрия такова, что этой цели, как правило, можно добиться при помощи магнита с осью, расположенной под наклоном между 30 и 60°, а более предпочтительно между 40 и 50°, по отношению к поверхности стального элемента. Более предпочтительно, чтобы ось была расположена, по существу, под углом в 45° по отношению к поверхности стального элемента.

Хотя для генерирования предлагаемого в изобретении магнитного поля можно использовать электрический магнит, наиболее удобно использовать постоянный магнит. Предпочтительно использовать относительно сильный, но небольшой стержневой магнит. Типичные размеры находятся между 0,5 и 20 мм, предпочтительно приблизительно 10 мм в длину и от 2 до 5 мм, предпочтительно приблизительно 3 мм в ширину. Целесообразно использовать поле напряженностью между 300 и 400 мТ, предпочтительно около 350 мТ. Однако необходимо учитывать, что там, где необходимо проникать глубже в сталь, нужно использовать более сильные магниты.

Хотя для измерения магнитной индукции можно использовать любые подходящие средства, такие как измерительная катушка, наиболее удобно использовать устройство, основанное на эффекте Холла, такое как имеющийся в продаже элемент на эффекте Холла. Такие устройства обычно имеют размер около 3 мм² и доступны в собранном виде, что чрезвычайно удобно для данного приложения. Там, где линии магнитного поля расположены, в основном, перпендикулярно к поверхности стали, получается, что направление считывания элемента Холла должно также быть расположено по нормали к поверхно

- 3 008014 сти. Таким образом, для стандартной установки в собранном виде это означает, что поблизости от поверхности стального элемента должна быть приложена или расположена большая опорная поверхность.

Предпочтительно, чтобы элемент на эффекте Холла и магнит были расположены очень близко друг к другу, едва ли не соприкасаясь. В наиболее предпочтительной форме осуществления изобретения направление считывания элемента на эффекте Холла расположено под углом 45° по отношению к оси магнита.

Чтобы закрепить детали вместе, предпочтительно, чтобы существовал небольшой корпус, такой чтобы весь прибор, необходимый для выполнения считывающей части изобретения, образовывал небольшой и компактный блок. Так как при использовании этот блок будут, как правило, двигать вдоль поверхности стального элемента, предпочтительно, чтобы под элементом на эффекте Холла имелась твердая немагнитная подложка, для того чтобы предотвратить повреждения, вызванные трением. Ее толщина предпочтительно должна составлять только миллиметр или два, чтобы не уменьшить чувствительность прибора.

Элемент на эффекте Холла или другой датчик будет давать выходное напряжение, которое можно преобразовать в подходящую форму для индикации степени обеднения хромом. В самом простом случае, его можно подавать прямо на подходящий откалиброванный вольтметр для снятия показаний напрямую. В более сложном приборе выходной сигнал от образца можно подавать на компьютер, обычно посредством аналого-цифрового преобразователя. При этом можно применять подходящую программу для преобразования входящего сигнала в информативные показания. Возможно, она может быть основана на основных принципах (т.е. на математической модели), но более прямым способом будет интерполяция по таблице соответствия, основанной на экспериментальных тестах. Как отмечено выше, существует такая толщина слоя, где происходит насыщение, так что выходное напряжение на элементе на эффекте Холла достигает максимума. Предпочтительно, чтобы присутствовали средства индикации, когда это происходит. Конечно же, желательно сконструировать прибор, используемый так, чтобы насыщение происходило при такой толщине обедненного слоя, которая превышает толщину, которую ожидают обнаружить.

Из предшествующего ясно, что изобретение также распространяется на прибор, предназначенный для осуществления изобретения, а следовательно, с этой точки зрения следующим аспектом изобретения является прибор для определения толщины обедненной хромом зоны поверхностной области стального элемента, причем этот прибор включает источник магнитного поля и средство измерения магнитной индукции, при этом прибор сконструирован так, что при размещении вблизи стального элемента средство измерения определяет магнитную индукцию в поверхностной области стали, возникающую под воздействием источника магнитного поля.

Предпочтительно изобретение дополнительно включает средства, обеспечивающие индикацию степени обеднения хромом на основе индукции.

Более того, предпочтительно устройство сконструировано для функционирования в соответствии с одной или более предпочтительных форм осуществления способа, описанного выше. В особо предпочтительной форме прибор включает элемент на эффекте Холла, ось которого размещена, по существу, под углом 45° по отношению к продольной оси стержневого магнита. Предпочтительно эти компоненты заключены в корпус, и более того, чрезвычайно предпочтительно, чтобы под элементом на эффекте Холла находилась защитная подложка. Выходной сигнал от элемента на эффекте Холла предпочтительно передают посредством аналого-цифрового преобразователя на подходящий компьютер, как это уже обсуждалось выше.

Ниже описан предпочтительный вариант осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 - изображение частного разреза предлагаемого датчика;

фиг. 2 - схематичная блок-диаграмма, иллюстрирующая взаимосвязь датчика с другими компонентами;

фиг. 3 - общий схематичный вид, иллюстрирующий силовые линии магнитного поля на необедненной поверхности стали;

фиг. 4 - вид, соответствующий фиг. 3, но поверхность обеднена хромом;

фиг. 5 - график, иллюстрирующий выходное напряжение на трех датчиках по изобретению в зависимости от толщины смоделированного обедненного слоя;

фиг. 6 - график, иллюстрирующий изменение выходного напряжения на тех же датчиках, что и на фиг. 5, при изменении расстояния между датчиками и обедненным слоем;

фиг. 7 - график, иллюстрирующий изменение выходного напряжения на предлагаемом датчике, вызванное присутствием смоделированного слоя науглероженной стали; и фиг. 8 - график, сравнивающий выходные напряжения, полученные предлагаемым датчиком при применении его на двух различных марках стали, подвергнутых действию высоких температур.

Рассмотрим сначала фиг. 1: датчик 1 включает стержневой магнит 2 размером 10x3 мм и напряженностью 350 мТ. Он расположен напротив элемента 3 на эффекте Холла, причем его ось находится под углом 45° по отношению к чувствительной оси элемента на эффекте Холла. Основание элемента 3 на

- 4 008014 эффекте Холла снабжено защитной подложкой 4, изготовленной из немагнитного металла.

Все эти компоненты размещены внутри пластикового корпуса 5 и скреплены посредством эпоксидной смолы 6, которая заполняет пустоты внутри корпуса. Подводящие проводники 7, 8 и 9 проходят через эпоксидную смолу и через отверстие в верхней части датчика. Проводник 9 подводит постоянный ток для питания элемента на эффекте Холла, проводник 8 является общим, а проводник 7 обеспечивает выходной сигнал от элемента на эффекте Холла. Элемент на эффекте Холла - это стандартный доступный в продаже прибор в собранном виде. Проводники 7, 8 и 9 обычно помещены в гибкий витой кабель, такой что датчик можно легко двигать над тестируемой поверхностью.

Как видно на фиг. 2, датчик 1 посредством сигнального проводника 7 связан с аналого-цифровым преобразователем 10. Проводники 8 и 9 связаны так, как уже упомянуто выше. Оцифрованные выходные данные из преобразователя 10 попадают в процессор 11 компьютера, где программное обеспечение преобразует сигнал в величину, соответствующую толщине обедненного слоя тестируемого стального элемента. Это осуществляют посредством результатов эмпирических калибровочных тестов, результаты которых занесены в таблицы соответствия. Процессор может быть также запрограммирован так, чтобы определить оценочные значения толщины слоя оксида хрома. Затем результаты отображают на подходящем средстве 12 отображения.

Как изображено на фигуре, компоненты 10, 11 и 12 удобно расположены совместно в одиночном перемещаемом цельном контейнере 15, причем датчик 1 размещен отдельно и свободно перемещается относительно контейнера. В качестве альтернативы аналого-цифровой преобразователь может быть совмещен с датчиком, а компоненты 11 и 12 могут представлять собой соответствующие части стандартного персонального компьютера.

Фиг. 3 иллюстрирует датчик 1 в положении напротив стального элемента 13, который не имеет обедненного хромом слоя. Как можно видеть, там, где нет обеднения хромом, линии магнитного поля значительно отдалены друг от друга в результате более низкой магнитной проницаемости стали. В отличие от этого фиг. 4 изображает обедненный слой 14 вблизи от поверхности стального элемента 16, который имеет значительно более высокую магнитную проницаемость. Это приводит к тому, что силовые линии магнитного поля расположены ближе друг к другу - так же, как и в железном сердечнике в электромагните.

Необходимо принимать во внимание, что путем измерения изменений магнитной индукции, измеряемых датчиком на основе эффекта, Холла можно получить оценку уровня обеднения хромом (который пропорционален толщине обедненного слоя). Величина напряжения на сигнальной линии 7 предсказуемым образом (нелинейно) связана с толщиной обедненного слоя. Следовательно, после преобразования сигнала в цифровой вид, его можно обработать в процессоре 11, например, путем интерполяции при помощи подходящей экспериментально полученной таблицы соответствия. Толщина оксидного слоя, в свою очередь, связана с толщиной обедненного слоя и может также быть определена похожим образом.

Наконец, соответствующий выходной сигнал, такой как оцененная толщина обедненного хромом слоя в микронах и/или необработанное выходное напряжение на датчике, может быть отражен на блоке 12 отображения.

Для того чтобы продемонстрировать работу предлагаемого датчика, был проведен ряд основанных на моделировании экспериментов с использованием ферромагнитной фольги для моделирования обедненных хромом слоев.

Величины выходного напряжения от трех различных датчиков (обозначенных как датчики а, Ь, с) показаны на фиг. 5 в зависимости от толщины ферромагнитной фольги. Здесь датчики были расположены непосредственно напротив листов фольги различной толщины. Как можно видеть, существует значительное и четко определяемое различие в выходном напряжении при толщине вплоть до приблизительно 200 мкм. Далее различие становится значительно меньше, а выше приблизительно 500 мкм происходит насыщение.

Так как ферромагнитный обедненный хромом слой фактически находится под поверхностью стали, были также проведены тесты для определения влияния движения датчика в направлении от ферромагнитной фольги. Влияние этого так называемого отрыва на показания показано на фиг. 6. Здесь были использованы те же самые три датчика для выполнения измерений на толстой ферромагнитной поверхности. Расстояние между основанием датчика и ферромагнитным материалом изменяли и записывали значения выходного напряжения. Можно наблюдать, что если отрыв увеличивается на более чем приблизительно 2000 мкм, выходной сигнал становится значительно меньше. Однако из фиг. 5 и 6 можно увидеть, что датчик подходит для получения полезных данных о типичных обедненных хромом слоях, которые расположены непосредственно под внешним оксидным слоем.

Фактически, по меньшей мере, с точки зрения трубки в пиролизной печи нежелательно, чтобы на датчик влияли ферромагнитные слои, расположенные глубоко под поверхностью, потому что это может быть обусловлено науглероживанием внутренней поверхности трубки. Главная причина представленной на фиг. 1 геометрии размещения магнита и элемента на эффекте Холла - это желание минимизировать помехи от магнитной науглероженной области, расположенной в глубине материала. На фиг. 7 отражено, как измеренное выходное напряжение от датчика, размещенного на смоделированных обедненных зонах толщиной 50 и 100 мкм, зависит от смоделированной науглероженной области. Исполняющую роль науглероженной стали ферромагнитную сталь помещали на различных расстояниях под фольгой, играю

- 5 008014 щей роль обедненного хромом слоя.

Показанный сигнал напряжения - это увеличение, вызванное присутствием ферромагнитной стали. Можно заметить, что в случае обедненного слоя толщиной 100 мкм при размещении науглероженной области более чем на 2 мм глубже него показания датчика (которые составляли 200 мВ в отсутствие науглероженной стали) увеличиваются только умеренно, примерно на 50 мВ (до 250 мВ). Следовательно, для любой используемой толщины трубки можно допустить, что науглероживание внутренности трубки не должно вызывать значительных ошибок в выходных показаниях.

Наконец, фиг. 8 иллюстрирует результаты эксперимента, где предлагаемый датчик использовали для тестирования стального стержня, подвергнутого воздействию высоких температур.

Для сравнения выходных сигналов, обусловленных различными степенями окисления различных марок стали, стержень был сварен из двух половинок, изготовленных из различных материалов: 25/35 Ст/Νί и 35/45 Ст/Νί. Его подвергали циклическому окислению в течение примерно 1000 ч в печи с перепадом температуры от 600 до 1040°С.

На фигуре нанесена линия для обозначения изменения температуры (в градусах Цельсия) с изменением положения в печи. Другие две линии обозначают выходное напряжение от датчика, помещенного в различные положения - сначала на сварной шов стержня, а потом на сам стержень.

Можно видеть, что расположенный в печи симметрично сварной шов дает показания, пропорциональные температуре в обеих половинках печи. Материалы 25/35 Ст/Νί и 35/45 Ст/Νί также дают показания, пропорциональные локальной термической нагрузке. Однако очевидно большое различие между материалами 25/35 Сг/Νί и 35/45 Сг/Νί. Это указывает на различие в устойчивости к окислению этих двух материалов.

Как указано выше, необходимо откалибровать датчик для каждого типа материала перед сравнением показаний для различных сплавов. Однако там, где датчик используют для идентификации неполадок в работе печи (например, поиск мест перегрева, вызванных плохой настройкой горелок), можно использовать относительные показания датчика, полученные для материала одного и того же типа и возраста. Например, можно сделать серию измерений по длине конкретной трубы и/или в различных местах по ее окружности.

Если необходимо, движение датчика над поверхностью стального элемента может быть известным образом измерено, и, таким образом, в комбинации с данными о толщине оксидного слоя, его можно использовать для получения на дисплее 12 карты, отражающей изменения выходного напряжения (или при наличии калибровки толщину обедненного слоя) около элемента.

Claims (26)

1. Способ мониторинга состояния и/или функционирования печи, включающий операцию измерения обеднения хромом приповерхностного слоя стального элемента.

2. Способ по п.1, где стальной элемент - это трубка в пиролизной печи, по которой протекают углеводороды.

3. Способ по п.1 или 2, дополнительно включающий операцию использования измерения обеднения хромом приповерхностного слоя для оценки состояния поверхностного оксидного слоя.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий операцию использования измерения обеднения хромом приповерхностного слоя для определения, функционируют ли горелки в печи удовлетворительно.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, где используют магнитный источник известной напряженности для создания магнитного поля в поверхностной области стального элемента, а оценку толщины обедненной хромом зоны определяют по результирующей магнитной индукции на поверхности элемента.

6. Способ определения толщины обедненной хромом зоны поверхностной области стального элемента, включающий создание магнитного поля в поверхностной области стального элемента путем использования источника магнитного поля известной напряженности, а затем измерения результирующей магнитной индукции на поверхности этого элемента для определения толщины обедненной хромом зоны.

7. Способ по п.5 или 6, где магнитную индукцию измеряют в положении, в котором линии магнитного поля расположены в целом по нормали к поверхности.

8. Способ по пп.5, 6 или 7, где магнитное поле создают в поверхностной области при помощи магнита, ось которого расположена под углом между 30 и 60° по отношению к поверхности стального элемента.

9. Способ по п.8, где ось магнитов располагают, по существу, под углом 45° по отношению к поверхности элемента.

10. Способ по любому из пп.5-9, где магнитное поле создают постоянным магнитом.

11. Способ по любому из пп.5-10, где магнитную индукцию измеряют датчиком на основе эффекта Холла, расположенным вблизи от поверхности стального элемента.

12. Способ по п.11, где между датчиком на основе эффекта Холла и поверхностью имеется жесткая

- 6 008014 немагнитная подложка.

13. Способ по п.11 или 12, где ось детектирования поля датчика на основе эффекта Холла выравнивают, по существу, под углом 45° по отношению к оси север-юг источника магнитного поля.

14. Способ по пп.11, 12 или 13, где выходной сигнал от датчика на основе эффекта Холла обрабатывают для получения прямых сведений о толщине обедненной хромом зоны и/или толщине связанного с ней оксидного слоя.

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий операцию оценки толщины поверхностного оксидного слоя.

16. Устройство для определения толщины обедненной хромом зоны поверхностной области стального элемента, включающее источник магнитного поля и средство измерения магнитной индукции, где устройство сконструировано так, что при его размещении вблизи стального элемента указанное средство измерения определяет магнитную индукцию в поверхностной области стали, возникающую под действием указанного источника магнитного поля.

17. Устройство по п.16, дополнительно включающее средства обработки показаний, получаемых измерительным средством, и отображения толщины обедненной хромом зоны и/или толщины связанного с ней оксидного слоя.

18. Устройство по п.16 или 17, где средство измерения магнитной индукции размещено в нем так, чтобы измерять магнитную индукцию в положении, в котором линии магнитного поля расположены в целом по нормали к поверхности.

19. Устройство по любому из пп.16, 17 или 18, где указанный источник магнитного поля представляет собой магнит, размещенный при использовании устройства так, что его ось расположена под углом между 30 и 60° по отношению к поверхности стального элемента.

20. Устройство по п.19, где ось магнита расположена, по существу, под углом 45° по отношению к поверхности элемента.

21. Устройство по любому из пп.16-20, где источником магнитного поля является постоянный магнит.

22. Устройство по любому из пп.16-21, где средство измерения магнитной индукции представляет собой датчик на основе эффекта Холла, установленный с возможностью размещения вблизи поверхности стального элемента.

23. Устройство по п.22, где между датчиком на основе эффекта Холла и поверхностью обеспечена жесткая немагнитная подложка.

24. Устройство по п.22 или 23, где ось детектирования поля датчика на основе эффекта Холла выровнена, по существу, под углом 45° по отношению к оси север-юг источника магнитного поля.

25. Устройство по пп.22, 23 или 24, дополнительно включающее средства обработки для обработки выходного сигнала датчика на основе эффекта Холла так, чтобы получить прямые сведения о толщине обедненной хромом зоны и/или толщине связанного с ней оксидного слоя.

26. Устройство по любому из пп.16-25, дополнительно включающее средства определения для оценки толщины поверхностного оксидного слоя.