【论文摘要】C射线扫描用于分馏塔故障检测诊断,是国外近十几年发展起来的一项先进的检测技术[1~4]。但在应用过程中,国外只提供技术服务,而对技术本身实行封锁。1996年底,在中国石油化工集团公司的支助下,长岭炼油化工有限责任公司(长岭公司)与石油大学共同承担了这一技术的研究开发工作,经过三年的共同努力,完成了C射线扫描检测系统的研制工作,并通过了湖南省劳卫所的安全性鉴定。通过对长岭公司II套催化裂化装置解吸塔等设备的检测应用结果表明,该系统作为一种先进的故障诊断工具,诊断结果是可信的,现场检测应用也是很安全的。这一研究成果,填补了国内该技术领域的空白。
1 C射线扫描检测技术的研究与开发
1.1 基本原理
C射线透过某物质后的强度,与该物质的厚度与密度及该物质对C射线的吸收系数(Lm)有关。当C射线的能量超过一定值时,Lm与物质的化学组成无关,射线的吸收量仅是物质的密度和厚度乘积的函数。在塔设备的检测过程中,由于塔径是一定的,因此,C射线扫描所得的图谱实际上是反映塔内介质密度的变化况。而塔设备在运行过程中是否正常,与塔内各部分介质的密度分布情况有关。用于塔设备的C射线扫描检测技
术,就是利用C射线扫描得到反映塔内介质密度变化情况的扫描图谱,并对扫描图谱进行分析,来诊断塔内存在的故障[5]。
1.2 扫描检测系统
图1为C射线扫描检测系统组成简图。由图1可知,该系统由硬件和软件两部分组成,其中硬件包括射线源、探测器、移动机构、射线扫描仪及计算机;软件包括数据采集及系统控制两项内容。
1.2.1 专用射线源
工业塔设备故障扫描检测专用的C射线源的开发包括三个部分:核元素的选择,主要从能长期使用及具有较高的检测精度的角度进行考虑射线源结构的设计。由于射线源与探测器是在待测塔的两边同步升降的,因此要考虑如何解决射线源在扫描过程中摆动而引起的误差及方便操作等方面的问题;屏蔽材料的选择,主要考虑射线源的轻便化。经过多次试验研究,终于开发了专用的射线源,该射线源不仅能满足安全要求,而且射线源质量仅为15kg,为整个扫描系统的便携化打下了基础。
1.2.2 C射线扫描仪
准确测量射线透过被测物体后的强度是扫描仪研制的关键。射线源单位时间内衰变的原子核数目即为活度,单位时间内射线的光子数即为射线源的强度。可采用碘化钠晶体闪烁计数器(探测器)来测定C射线的强度。图2(a)为碘化钠探测器测得的钴60的能谱,包括了散射光子和反射光子的计数。但C射线扫描检测时,只能选择穿透物体的光子(单能峰值能谱)来计数,因此如何对这些光子选择就很重要[6]。
为了解决这一问题,我们开发了C射线采集计数系统(即C射线扫描仪),图3为C射线采集计数系统流程图。
来自线性放大器的能谱信号经过专用的A/D转换器,把信号的脉冲幅值转换成数字信号,送入微机。微机对采集的幅值信号做统计处理,可直观显示象图2(a)所示的C射线能谱。在幅度选择器上调节上下阈值,就可得到象图2(b)所示的通过选择后的C射线能谱计数。经过幅度选择器后的脉冲信号输入到频率计,从而得到所希望的射线强度计数。这样一来,既解决了扫描检测射线强度的准确测量问题,又方便了用户的操作使用。
1.2.3 C射线扫描检测系统移动机构
射线扫描检测系统所用移动机构的作用是使射线源与探测器在塔体两侧作同步对中移动,实现对塔的扫描检测。
由于工业扫描检测要求移动机构结构简单、便携且安装方便,在多次工业检测试验的基础上,最后研制出如图4所示的顶置式移动机构。该移动机构可自动亦可手动操作,通过现场多次检测应用表明,可满足工业推广应用要求。
1.2.4 C射线扫描检测系统软件
软件的功能主要包括两部分:其一,对射线透过塔体后的脉冲频率进行采集计数,形成数据文件,并实时显示扫描图谱;其二,进行扫描操作控制,如控制采样时间间隔、步长及扫描距离等。
该软件采用VB4.0编写,主要由以下三个部分组成:主菜单(frmmain);调试(frmfrenguen2cy);采样控制及图谱显示(frmcount)。在扫描过程中,射线源与探测器每上升(或下降)一步,采集器内便记录一次脉冲频率计数,系统把脉冲频率计数与步长自动生成一一对应的数据文件,并在操作界面上实时显示对应的扫描图谱;亦可在一些常用的软件系统(如Execl97,Ori2gin97)中调用扫描数据文件,进行处理,得到扫描图谱,对图谱进行分析就可诊断出塔内可能存在的故障。
2 C射线扫描检测系统的工业应用
利用C射线扫描系统,对长岭公司II套催化裂化及烷基化装置的部分精馏塔进行扫描检测,发现了一些塔在运行过程中存在的故障,为生产及操作提供了科学依据。下面介绍检测应用过程中发现的一些典型故障。
2.1 催化裂化装置解吸塔浮阀掉落故障
1999年11月8日,对II套催化裂化装置解吸塔进行扫描,结果表明该塔运行正常,但在塔顶32层处局部存在故障,如图5所示。从图5的图谱看出,32层塔板处的波峰与纯
气相密度线相差较大,表明该处密度较大,只有漏液或雾沫夹带才能产生这种现象。但雾沫夹带通常发生在塔的某一部位的多层塔板上,而不是单一的某层塔板,因此认为32层处存在漏液。2000年3月装置停工检修时对该塔进行检查发现,第33层塔板有少量浮阀掉落。正是由于浮阀的掉落,使得该处在运行中不可避免地存在漏液,验证了诊断结论。
2.2 甲醇精馏塔塔顶液泛故障
1999年11月,应烷基化车间的要求,对该车间内的甲醇精馏塔进行扫描检测,并发现该塔塔顶59层塔板处存在故障,图6为该处的扫描图谱。
从图谱中可以发现,59层塔板处的波峰基本消失,表明该处的密度很大,塔板上方充满了液体,因此认为该层塔板存在液泛,且由于液泛引起漏液,使得58层反映气相的波峰比相邻气相的波峰要低。
2.3 催化分馏塔雾沫夹带故障
2000年4月对II套催化裂化装置分馏塔进行了一次扫描检测,图7为该塔扫描检测图谱。为了较准确地诊断分馏塔存在的故障,2000年5月在催化裂化装置低负荷生产的情况下,又一次对分馏塔进行扫描检测,图8为扫描图谱。
该塔21~28层为条阀塔板;13~20层为小孔筛板塔板,并堵了约三分之一的筛孔;11~12层为条阀塔板;9~10层为大孔筛板塔板。
对扫描图谱进行比较分析认为:
(1)分馏塔上段(21~28层),在正常负荷下存在轻度雾沫夹带。图7中代表21~28层气相密度的波峰与纯气相密度线的高度有一定的差距;而当负荷降低后,图8中代表该段气相密度的波峰与纯气相密度线的高度一致,这是比较典型的雾沫夹带特征,因此认为该段正常负荷下存在轻度雾沫夹带。
(2)分馏塔中段(13~20层)在正常负荷下在明显雾沫夹带。从图7中可以看出,分馏塔段图谱中的波峰高度比纯气相密度线的高度相较大,且当负荷较低时差距虽然减少但仍然存(图8所示),表明该段存在较明显严重的雾沫带。联系到该段筛板堵孔三分之一的事实,认堵孔过多,塔板开孔率过低,造成了运行过程中段的明显雾沫夹带故障。
此外,利用射线扫描检测系统还对II套催裂化装置的吸收塔等塔设备进行了检测,均取较好的效果。
总的来说,应用C射线现场扫描检测技术以为下列目的提供重要数据或科学依据:诊和消除故障;优化操作条件;延长操作周期检修前的准备[7]。
3 结束语
开发的C射线扫描检测系统,对长岭公司重油催化裂化装置催化分馏塔等设备的检测结果表明:该系统作为一种先进的故障诊断工具,用于塔内故障的检测诊断是可行的,结果是可信的,使用也是很安全的。
如何快速、准确判别塔在生产过程中存在的故障,并能在最优的工况下生产,是石油化工行业急需解决的难题。C射线扫描检测系统的开发与应用,为解决这一难题提供了一种有力的工具。该技术在石油化工等行业具有广阔的应用前景。