刘杨
上海泓济环保科技股份有限公司 （上海 200443）
火炬系统是石油化工生产装置中重要的安全和环保设施，主要用于处理生产装置开停工、非正常生产及紧迫状况下无法进行有效回收的可燃和有毒气体。火炬系统通常由分液罐、水封罐、管道系统、火炬烟囱、冷凝液收集系统等组成。全世界每年经由火炬燃烧处理的烃类气体的数量相当可观。如果不经过火炬燃烧处理直接排空，这些可燃有毒气体将会严重污染周围环境，甚至引发火灾。因此，保证火炬系统的安全运行、减少环境污染具有重要意义。
火炬系统分液罐的作用是去除火炬气中夹带的凝液和固体，以减少火炬气总管中的凝液量，避免液滴被夹带到火炬头，造成火雨现象[1]。不同化工生产过程产生的火炬气成分不同，主要组分包括烃类、水、硫化氢、有机酸、氯化物等。火炬气从各装置排放管道汇总进入火炬总管，经过分液罐后再进入水封罐，最后引到高空火炬烟囱内燃烧后排放，典型的火炬系统流程如图1 所示。由于分液罐外具有保温层，分液罐的腐蚀及焊缝失效很难发现，容易引发事故。2016 年8 月11 日，湖北省当阳市马店矸石发电有限责任公司的2 号锅炉高压主蒸汽管道发生爆管事故，事故共造成22 人死亡、4 人受伤，直接经济损失约2 313 万元[2]。因此，对于含绝热层的承压设备，需要予以特别关注。
图1 典型的火炬系统流程
1.1 瞬变电磁法基本原理
瞬变电磁法是一种以电磁感应随时间变化为理论基础核心的探测方法。SY/T 0087.2—2012《钢质管道及储罐腐蚀评价标准埋地钢质管道内腐蚀直接评价》把该检验方法作为间接判断埋地管道腐蚀的一种方法。该方法不但可以应用于地面上各类金属压力管道的腐蚀检测，对储罐等承压设备也有显著效果；
由于采用电磁感应的非接触式信号加载，特别适用于不能停产以及具有绝热层的承压设备。
电流通过恒定激励的线圈形成一次脉冲磁场（一次场），此时瞬间断开激励电流，一次磁场随时间衰减，同时在管道周围激励形成的感应涡流亦随时间变化，继而在周边区间形成与一次场方向相同的二次衰变磁场（二次场）；
二次场经过接收线圈，在接收线圈中激励起感生电动势，最终观测到用激励电流归一化的二次磁场随时间变化的衰变曲线-瞬变响应[3]。因此，瞬变电磁法在无损检测领域也被称为脉冲涡流法，其原理如图2 所示。
图2 瞬变电磁法检测原理
1.2 瞬变电磁法信号衰减特征
为研究不同厚度的衰变曲线特征，选用20#钢材进行试验。传感器直径为70 mm，发射线圈400匝，接收线圈1 000 匝，提离1 cm，20#钢试件厚度分别为3，5，7，10，12，15，17和20 cm。将检测数据绘制在同一图上进行对比，在双对数坐标系下，不同厚度的检测曲线在前期一致，随着厚度的增加，曲线出现拐点的时间延长，具有明显的时间可分性。特征时间与被测钢板壁厚有一定的函数关系，见公式（1）。
其中：τ 是衰减时间；
μ 为磁导率；
σ 为电导率；
d 为壁厚。
瞬变响应特征与管体的电导率、磁导率、厚度等因素相关。将某已知厚度区域的检测信号作为参考，将待检区域的检测信号与参考区域信号的衰变特性进行对比，其差值可认为是待测区域与参考区域的厚度值变化。因此，有必要通过实测对比的方法确定设备的电磁参数，其作用等同于使用已知标准厚度的试块来校准超声测厚仪的波速[4]。比较参考区域与待检区域检测信号的衰变特性差别，即可获得厚度值的变化。参考区域应无明显电磁及金属干扰，其覆盖层厚度及材料、管道材质与待检测区域相近。
图3 不同厚度下电动势随时间的衰减曲线
为验证瞬变电磁能否检测承压设备内部腐蚀缺陷，选用一块20#钢板，在背面从上到下加工不同深度的3 处缺陷：缺陷1 尺寸为7 mm×5 mm×3 mm，缺陷2 尺寸为7 mm×5 mm×2mm，缺陷3 尺寸为7 mm×5 mm×1 mm。在钢板正面规划网格逐点测试，将测试数据绘制成等值线图，可以很明显地发现缺陷位置及程度。
1.3 瞬变电磁法检测的影响因素
1.3.1 电磁干扰
影响瞬变电磁法检测精度的主要因素是外界电磁干扰。增加收发磁矩、加大激励电流、适当增加采集次数并取平均值、人为避开干扰时间段等手段可以有效抑制外界电磁干扰，提高信噪比。对强干扰地段，需要调整检测方法，并在检测时进行记录。
1.3.2 覆盖层
覆盖层结构、厚度直接影响检测的灵敏度和精度。保温铝皮等非铁磁性材料的覆盖层，由于其电磁感应不明显，因此比带有铁磁性保护层的设备检测效果好。利用外加磁化方式将铁磁性保护层磁化到饱和，有利于提高检测效果。
1.3.3 规格及材质
下午丁主任再也不敢到柜台前站了，他总是在他老婆坐的木桩上看报纸，看书，有时，看到梨花出来解手，也打声招呼，可看到后面鬼鬼祟祟地跟着潘美丽，便埋头看自己手里的东西，头都不抬。潘美丽走过去，一把拿下他手里的东西：你的眼水还不错哈！丁主任笑笑，看着远方：去上班吧。潘美丽等着梨花走远了才在丁主任头上一拍，身后丢下一句：别吃着碗里的，看着锅里的。
对于待检设备一般要求母材厚度不小于3 mm，管道的公称直径不小于50 mm，待检设备厚度小、曲率半径大，都会使检测效果变差。一般要求待检材料温度不超过500 ℃，待检设备温度发生变化会影响其电磁特性，最后导致检测结果存在偏差。
1.3.4 探测区域
信号覆盖范围是从发射线圈以近似于45°角向外扩散。探头尺寸与探测区域相匹配，为了保证检测灵敏度和精度，尽量选择小尺寸的探头。探头与被测区域平行或者对正相切时效果最好，由于基于电磁感应效应，设备震动、人为晃动等都会造成检测结果误差。在探头附近2 倍提离高度检测范围内的其他电磁导体或电磁场也会影响检测结果。
1.3.5 参考区域
由于不同材质金属材料的电磁参数不同，检测时需要利用已知壁厚的位置作为参考区域，待检测区域与参考区域之间存在较大差异时，需要重新选择参考区域。
2.1 工程简介
某煤化工装置中，各装置火炬管道汇总后沿管廊敷设，火炬总管规格为Ø530 mm×10.0 mm，材料为20#钢，火炬总管道设计压力为0.35 MPa，设计温度为195 ℃，保温层厚度为120 mm。火炬管道进入分液罐后再进入水封槽。分液罐为卧式圆筒形压力容器，采用鞍式支座支撑，基本参数如表1 所示，属于II 类压力容器。
表1 分液罐参数表
2.2 失效模式分析
损伤模式识别有助于找出有关的损伤机理[5]。该装置中火炬气含有的腐蚀性杂质可能有硫化氢、二氧化碳、碱性物、氯化氢、氢等，分液罐潜在的损伤模式主要为腐蚀减薄、环境开裂、机械损伤等。
CUI 是指外部被保温层覆盖，由于水分和腐蚀性物质的进入而发生的腐蚀现象。CUI 是一种危害性较大的破坏形式，当设备保温层发生破坏时，水分及金属离子进入分液罐外壁，由于温度较高，水分不断增多，金属盐粒子浓度不断增大，空气中的氧气在水中与金属发生电化学腐蚀。CUI 在海洋大气环境中更容易发生，设备外表面局部区域形成腐蚀环境。腐蚀速率与大气的相对湿度、温度以及表面涂层的好坏密切相关。此外，CUI 隐蔽性较大。
2.2.2 酸腐蚀
火炬气体中含有的酸性成分（如二氧化碳、有机酸、氯化氢等）溶解于液体中，对分液罐内部造成腐蚀，这种腐蚀一般为均匀腐蚀，当介质局部浓缩或者露点腐蚀时表现为局部腐蚀。
2.2.3 碱腐蚀
火炬气中的碱性成分（如氢氧化钠、氯化铵等）溶解于分液罐中，造成内壁的腐蚀，当水气界面介质浓缩时会造成局部沟槽，温度高于79 ℃时碱液可造成碳钢的均匀腐蚀。
2.2.4 碱应力腐蚀开裂
碱应力腐蚀开裂是金属在高温NaOH 和拉应力共同作用下产生的开裂，裂纹主要位于晶间。碱应力腐蚀开裂的程度由碱浓度、金属温度和拉应力水平决定，其典型形态是细微网状裂纹。
2.2.5 湿H2S 破坏
湿H2S 环境下应力腐蚀开裂：裂解炉出来的裂解气含H2S，CO2和H2O 等杂质，在低温环境下可能会对分液罐产生氢鼓泡（HB）、硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）、氢致开裂（HIC）与应力导向氢致开裂（SOHIC）等损伤。影响和区分各种湿H2S 损伤的因素主要有环境条件、材料特性和拉伸应力水平等。
2.2.6 冲蚀
流体对分液罐内表面同时产生冲刷和腐蚀破坏。当高速流体冲击金属表面保护膜时导致破损处的金属加速腐蚀。如果火炬气中含有固体粒子或者气泡，会加剧腐蚀的发生。冲蚀多发生在流体改变方向的进出口位置。
2.3 瞬变电磁法检验实施
瞬变电磁法通常采用的检测系统包括传感器、数据采集器、控制单元3 个主要部分。对于每一个检测点，理论所需时间主要由发射频率、叠加次数、现场环境决定。一般设备的壁厚较大，根据现场分液罐的实际情况，设置检测系统的工作参数，具体如表2所示。
表2 工作参数一览表
现场参考点可以选用受干扰较小数据或者已测得平均壁厚的点作为参考。本次将601#点作为参考点，检测发现可疑位置429#点的衰减较601#位置快，二者的电动势随时间的衰减如图4 所示。对可疑区域进行复测，以保证检测质量。重复性检测点应均匀分布，且点数不低于总检测点数的3%，检测误差不应超出±5%[6]。拆除绝热层后使用超声波测厚仪进行检测，将该数据与瞬变电磁法感应电压值进行壁厚反演计算，结果如图5 所示。
图4 不同位置感生电动势对比
图5 超声测厚与TEM 检测对比
2.4 评价及问题处理
该分液罐投用于2016 年1 月，最大腐蚀深度为5.2 mm。根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》对其进行评价，安全状况等级为3级，主要腐蚀为内表面的均匀腐蚀，主要发生在分液罐液位经常波动的部位。该部位作为下一次全面检验的重点位置，同时使用单位应加强日常巡查，观察绝热层的情况，防止因为保温层破坏造成分液罐的外部腐蚀。
瞬变电磁法作为一种不拆除绝热层结构前提下的在线检测方法具有极大的优越性。对于现场具备绝热层的设备，可以先采用瞬变电磁法进行检测，对信号异常位置进行加密检测，针对复测的异常位置按照金属腐蚀量的大小进行排序，识别出高风险区域，对于部分高中风险区域可以拆除部分绝热层或者进入设备内部进行复合。但是瞬变电磁法由于其原理所限，不能区分内外壁腐蚀，仅可计算出某一区域内的平均剩余壁厚值，且对局部出现的小范围点蚀、孔蚀不敏感，同时当检测范围内存在其他金属体、高压线缆等干扰时，接收到的电磁数据会发生偏差，影响检测数据的准确性。
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