Применение вихретоковых дефектоскопов для диагностирования

Применение вихретоковых дефектоскопов для диагностирования коррозионного поражения теплообменных труб.

Достоинства и недостатки вихретоковой дефектоскопии

Одной из основных причин выхода из строя трубных пучков различных теплообменников и реакционных труб (змеевиков) печей нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств является коррозия. Появление пропусков в этих аппаратах приводит к различным последствиям: от ухудшения качества продукта до возникновения аварийных ситуаций и остановок агрегатов.

Для определения целостности трубных пучков обычно применяют гидроиспытания и пневмоиспытания. Это достаточно эффективные, дешевые и производительные методы выявления пропусков различного происхождения. Их целесообразно применять при монтаже и ремонте технологического оборудования. В случае выявления, по результатам гидроиспытаний и пневмоиспытаний, сквозных дефектов невозможно провести ремонт трубного пучка, который обеспечил бы его работу без пропусков до очередного капремонта. Отдельные сквозные дефекты не дают картины общего коррозионного поражения трубного пучка и исключают ресурсный прогноз. Следовательно, эти методы могут быть лишь условно отнесены к методам диагностики в современном понимании этого термина. Для получения информации о дефектах, их типах, местоположении по длине труб и о динамике роста коррозионного поражения труб необходимо применение современных методов неразрушающего контроля.

За последние четверть века наибольшее развитие и использование получили ультразвуковой и вихретоковый методы неразрушающего контроля. Бурное развитие этих методов стало возможно благодаря прогрессу в электронике и вычислительной технике. Для обследования этими методами трубных пучков теплообменников необходимо проходить зондом каждую трубу на всю длину с записью сигнала и последующей его обработкой и анализом. Эти методы нельзя рассматривать как конкурирующие, они, скорее, являются взаимодополняющими. Это объясняется тем, что у методов совершенно разные достоинства и недостатки, и различные причины, ограничивающие область их применения.

Ультразвуковой метод позволяет производить измерение величины дефекта с меньшей погрешностью, чем вихретоковый, но это справедливо лишь при отсутствии на поверхности теплообменных труб настенных отложений и отсутствии сплошного изъязвления поверхности. Первый фактор приводит к исчезновению акустического контакта, второй – к рассеиванию акустического сигнала. В результате такие трубы становятся неконтролепригодными ультразвуковым методом. Кроме того, ультразвуковой метод значительно менее производителен, чем вихретоковый, требует применения контактных жидкостей. На большинстве теплообменников, находящихся в эксплуатации на химических производствах, поверхности труб покрыты отложениями, удаление которых сопряжено со значительными трудностями и, следовательно, применение ультразвукового метода неэффективно.

Вихретоковый метод, в общем случае, не критичен к настенным отложениям, однако при увеличении расстояния (зазора) между вихретоковым преобразователем и поверхностью контролируемой трубы уменьшается чувствительность к дефектам и достоверность контроля уменьшается. В связи с этим рассмотрим подробней применимость вихретокового метода.

Рисунок 1. Схема простейшего трансформаторного абсолютного вихретокового преобразователя (зонда).

На рисунке 1 изображена схема простейшего трансформаторного абсолютного вихретокового преобразователя (зонда). Возбуждающая катушка создает вокруг себя переменное магнитное поле, которое, взаимодействуя с электропроводящим объектом контроля (в данном случае с трубой), наводит в нем вихревые токи (токи Фуко). Эти вихревые токи создают вторичное электромагнитное поле, которое и воздействует на измерительную катушку. Напряженность поля вихревых токов зависит от геометрии, проводимости и магнитных свойств трубы, а также от расстояния от катушек до поверхности трубы. Появление в зоне контроля дефекта приводит к изменению напряженности поля вихревых токов, которое и регистрируется дефектоскопом. Чем меньше дефект и больше зазор между преобразователем и поверхностью трубы, тем ниже чувствительность к дефекту. Поэтому для получения достоверных результатов вихретокового контроля при обследовании труб с настенными отложениями большой толщины необходимо иметь высокочувствительные преобразователи и дефектоскоп с большим коэффициентам усиления и низким приведенным шумом усилительного тракта. Это особенно актуально при обследовании труб из ферромагнитных («черных») сталей.

При вихретоковом обследовании трубных пучков теплообменников возникает целый ряд проблем, без решения которых нельзя рассчитывать на приемлемые результаты контроля. Неоднородность геометрических, электрических и магнитных свойств труб, наличие конструкционных элементов в виде трубных досок и дистанционирующих перегородок, наличие в трубах развальцовки приводит к появлению сигналов от «мешающих факторов», которые требуется либо подавить, либо правильно классифицировать. Двухпараметровость вихретоковых сигналов (сигнал характеризуется амплитудой и фазой) позволяет только частично решить эту задачу.

Для эффективной отстройки от мешающих факторов необходимо применение многочастотных многоканальных дефектоскопов, которые позволяют за счет микширования частот уменьшить влияние этих «мешающих факторов». В ряде случаев и этого оказывается недостаточно и требует применения оригинальных, специально разработанных для решения конкретных задач вихретоковых преобразователей. Естественно такие вихретоковые дефектоскопы и зонды относительно дороги и для грамотного и эффективного их использования требуются специалисты высокой квалификации, имеющие большой опыт практической работы. Именно поэтому в развитых странах действующее теплообменное оборудование в атомной, химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей отраслях обследуется специализированными фирмами, которые являются своего рода центрами анализа собранных вихретоковых данных. Можно отметить следующие характерные признаки таких центров:

1) сосредоточение высококвалифицированных специалистов и современных технические средств диагностирования и программного обеспечения;

2) разработка оптимальных методик контроля для конкретного оборудования;

3) возможность оперативного получения собираемых дефектоскопом данных по мобильным сетям связи, включая Интернет;

4) оперативный анализ собранных данных.

Эксплуатация вихретоковых дефектоскопов силами заводских лабораторий целесообразна на заводах-производителях технологического оборудования, где проблематика контроля ниже и выдержан рабочий цикл. Применение же сложного вихретокового дефектоскопа для целей диагностирования эксплуатируемого технологического оборудования в пределах одного действующего завода по ряду причин не целесообразно.

В России и странах постсоветского пространства вихретоковая дефектоскопия теплообменников активно применяется пока только в атомной и азотной промышленности. В атомной промышленности России и Украины уже 16 лет существуют нормативные документы, обязывающие проводить ежегодный вихретоковый контроль наиболее ответственного и проблемного теплообменного оборудования. Активное применение вихретоковой дефектоскопии в азотной промышленности произошло благодаря эффективной 16-летней работе нашей фирмы – Центра вихретокового контроля «Политест». На сегодняшний день практически все азотные комбинаты России, Украины, Беларуси и Литвы, проводят вихретоковое обследование различных теплообменников, исходя из экономической целесообразности выполнения данных работ. Эффективность и качество таких обследований обусловлено специализированными эксплуатационными качествами дефектоскопов серии «Политест» и высоким уровнем наших специалистов.

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности дефектоскопы «Политест» применялись только для обследования центробежнолитых реакционных труб и змеевиков печей. Применение вихретокового контроля для обследования трубных пучков теплообменников сдерживалось следующими факторами:

1. соотношение между стоимостями нового трубного пучка и вихретокового обследования не стимулировало проведение вихретокового обследования;
2.  конструкция агрегатов такова, что большое количество теплообменников имеет резервирование, а стимулы бороться за качество продукта и сокращение энергозатрат отсутствовали по определению;
3.  большинство теплообменников имеют внутренние настенные отложения большой толщины, что создает проблемы с проходимостью зондов.

В последние годы ситуация стала меняться. Многократный рост стоимости новых трубных пучков, ухудшение качества труб, производимых на постсоветском пространстве, существенное удорожание энергоресурсов, возросшие требования к качеству производимого продукта заставляют нефтеперерабатывающие заводы менять отношение к эксплуатации и диагностике теплообменников. С другой стороны, совершенствование вихретокового дефектоскопа и его программного обеспечения, увеличение ресурса зондов позволили нам снизить стоимость обследования трубных пучков и увеличить производительность вихретокового контроля. Удалось также добиться существенного уменьшения диаметров используемых зондов относительно диаметра контролируемых труб без потери качества контроля. Особенно это касается зондов для труб из ферромагнитных сталей.

В 2006 году на Ангарском НПЗ были проведены сначала демонстрационное, а затем промышленное обследование трубных пучков теплообменников. Во время остановочного ремонта цеха 18 на установке АВТ-6 за 6 дней одной бригадой дефектоскопистов обследовано 6 трубных пучков. На некоторых из пучков отложения уменьшали внутренний проходной диаметр более чем в 2 раза. Контрольные вырезки участков труб с обнаруженными дефектами подтвердили хорошую достоверность проведенного вихретокового обследования.  По результатам вихретокового обследования руководством НПЗ было принято решение об использовании дефектоскопа «Политест УВТП-4811» при очередных остановочных ремонтах.

 Дефектоскоп «Политест 5М» является шестым поколением вихретоковых дефектоскопов, разработанных за 35 лет существования нашей фирмы. Это универсальный четырехчастотный восьмиканальный дефектоскоп, обладающий высоким суммарным коэффициентом усиления и малым приведенным шумом измерительного тракта. Проведенные нами сравнительные испытания нашего дефектоскопа и дефектоскопа «MIZ-28SI» ведущей американской фирмы «Zetec», активно продвигаемого на российском рынке, показали заметное преимущество дефектоскопа «Политест 5М» − по суммарному коэффициенту усиления на 40 дБ и по приведенному шуму измерительного тракта в 3÷5 раз (при работе на низких частотах). 

Возможно, этим объясняется тот факт, что заводы и фирмы, которые приобрели дефектоскопы «MIZ-28SI» пришли к выводу об ограниченном использовании этого дефектоскопа для обследования трубных пучков из черных сталей и имеющих внутренние настенные отложения. Этот дефектоскоп оказался не адаптированным к решению тех проблем, которые преподносят отечественное теплообменное оборудование азотных и нефтеперерабатывающих заводов. Нам же при проведении вихретоковых обследований приходилось решать проблемы, специфичные для отечественного теплообменного оборудования. Поэтому и разрабатываемое нами оборудование – дефектоскопы, вихретоковые преобразователи, программное обеспечение – было изначально ориентировано на решение трудных задач.

Разработанный в нашей фирме дефектоскоп позволяет проводить дистанционный вихретоковый контроль. Электронный блок и микрокомпьютер находятся на расстоянии до 200 метров от объекта контроля. Дефектоскопист в обследуемом теплообменнике осуществляет ручное или с помощью механизма подачи зонда сканирование контролируемой трубы и связан с оператором-сборщиком посредством проводного переговорного устройства. Такое расположение дефектоскопа относительно объекта контроля позволяет обойти проблемы, связанные с размещением измерительного оборудования и обследованием взрыво-пожаробезопасных объектов. Дефектоскоп позволяет контролировать трубы из нержавеющих и ферромагнитных сталей, цветных металлов и сплавов. При этом выявляются дефекты металла различных типов, местоположения и ориентации: коррозионные и усталостные трещины, язвы, питтинги, технологические закаты, локальные и протяженные утонения стенок, в том числе под дистанционирующими перегородками, в зоне вальцовки труб (для труб из неферромагнитных сталей и сплавов). Контроль производится по всей толщине стенки трубы. Выявляются дефекты, развивающиеся как с внутренней, так и наружной поверхности трубы. Максимальная контролируемая толщина стенок труб составляет для нержавеющих сталей − 20÷25 мм, для ферромагнитных сталей − 8÷12 мм. Дефектоскоп позволяет выявлять и оценивать глубину и тип дефекта, начиная с величины 5÷10% от толщины стенки трубы для утонений и с 20÷30% для локальных дефектов типа трещина и язва на трубах из нержавеющих сталей, а также с 10÷20% и с 30÷40% соответственно на трубах из ферромагнитных сталей. На большинстве теплообменников погрешность оценки глубин дефектов с вероятностью 95% не превышает ±10% от номинальной толщины стенки трубы. Эти точностные характеристики получены, исходя из опыта многолетней эксплуатации дефектоскопов серии «Политест».

Главными причинами, уменьшающими достоверность вихретокового контроля, являются:

• отсутствие при обследовании необходимых образцов с эталонными имитаторами дефектов;
• отличие эталонных имитаторов дефектов по геометрическим или электромагнитным свойствам от труб обследуемого теплообменника;
• несоответствие типа дефектов эталонного образца типам реальных дефектов теплообменника.

В таких случаях возникает необходимость контрольной вырезки дефектного участка (если это возможно) и корректировки оценок глубин дефектов по результатам замеров реального дефекта. На нефтеперерабатывающих производствах эта проблема несколько сглаживается небольшой номенклатурой применяемых труб.

Приведем фотографии участков труб с дефектами, вырезанными по результатам вихретокового обследования.

Наружные коррозионные трещины (результат хлоридной коррозии) на недовальцованных участках труб из нержавеющей стали, расположенных в трубных досках

По результатам вихретокового обследования выдается заключение, которое помимо текстовой части и таблиц, содержащих перечень, типы и глубины выявленных дефектов, содержит картограмму расположения дефектных труб (см. рисунок 2). На картограмме обозначается степень дефектности каждой трубы теплообменника.

Рисунок 2. Картограмма расположения дефектных труб.

Выделим несколько составляющих эффективности применения вихретокового метода контроля для обследования теплообменного оборудования нефтеперерабатывающих заводов:

• своевременное обнаружение труб, имеющих критические дефекты, позволит, проведя их ремонт, избежать пропусков в теплообменных трубах, а, следовательно, исключить аварийные ситуации, внеплановые остановки, нарушение технологических режимов по этим причинам;
• получение достоверной информации о состоянии труб теплообменников позволит своевременно осуществлять заказ на приобретение резервных аппаратов;
• ремонт (глушение или выборочная замена) труб с критическими дефектами позволит продлить срок службы теплообменников и уменьшить объемы производимых ремонтных работ;
• проведение входного обследования изготовленных силами собственных ремонтно-механических производств и других заводов трубных пучков позволит выявлять трубы, имеющие заводской брак и повреждения.

Мы верим, что через несколько лет на химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводах вихретоковый метод контроля получит такое же повсеместное применение, как в атомной и азотной промышленности. Главное, чтобы технические руководители заводов относились к техническому состоянию своих агрегатов, как к своему личному здоровью. Все мы знаем, что лечить хронические болезни и латать дыры всегда сложнее, чем, проведя качественную диагностику, предотвратить появление этих болезней. Из сказанного ясно, что в становлении и развитии вихретоковой дефектоскопии теплообменного оборудования в России очень много сделано и много еще предстоит сделать.