吳 剛　羅曉明　張建華　左延田

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

高溫管道在線不停輸檢驗(yàn)技術(shù)研究

吳 剛*羅曉明張建華左延田

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院)

摘要在壓力管道在役檢驗(yàn)領(lǐng)域，超聲檢測(cè)技術(shù)作為重要的檢測(cè)手段已得到廣泛應(yīng)用。隨著溫度的變化，材料中超聲波的聲速、聲壓也會(huì)發(fā)生變化，掌握溫度對(duì)超聲波參數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)高溫狀態(tài)下超聲檢測(cè)具有重要意義。討論了在50~250℃溫度之間，超聲橫波速度隨溫度變化的規(guī)律。研制了專門用于高溫檢測(cè)的超聲橫波斜探頭。通過(guò)試驗(yàn)，給出了橫波速度隨溫度變化的關(guān)系，用以修正不同溫度下缺陷的實(shí)際位置和缺陷的尺寸大小。

關(guān)鍵詞高溫橫波聲速衰減補(bǔ)償管道焊縫超聲檢測(cè)

在用壓力管道，尤其是一些無(wú)法進(jìn)行停輸檢驗(yàn)的管道，往往存在著各種焊接缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷或使用時(shí)產(chǎn)生的裂紋等。高溫狀態(tài)下超聲檢測(cè)技術(shù)就是一種檢測(cè)在用管道埋藏缺陷較適用的方法。

1　高溫狀態(tài)下超聲檢測(cè)的特點(diǎn)

超聲檢測(cè)通常都是在常溫下進(jìn)行的。在高溫狀態(tài)下，超聲波的傳播、衰減等物理性質(zhì)通常不同于常溫狀態(tài)，因而超聲波檢測(cè)常常發(fā)生困難。在高溫狀態(tài)下，超聲檢測(cè)實(shí)施的關(guān)鍵在于聲耦合、聲衰減、聲路徑的控制。這就需要對(duì)探頭壓電材料和楔塊、耦合劑、衰減等影響檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)精度的因素進(jìn)行研究。

2　溫度對(duì)超聲波衰減的影響

就脈沖反射式超聲波探傷儀的原理來(lái)說(shuō)，回波高度H與回波聲壓P成正比，即根據(jù)反射波回波高度可以測(cè)出衰減系數(shù)α。實(shí)際上一般不直接測(cè)量原始聲壓P0的回波高度，而是采用兩個(gè)不同距離x1、x2處相應(yīng)的回波高度Hl、H2的比值求解出衰減系數(shù)α。

利用半圓試塊和IIW-1A試塊 （其圓弧半徑R分別為50 mm和100 mm，材質(zhì)為Q235A），在高溫試驗(yàn)臺(tái) （裝置）上進(jìn)行不同溫度下的超聲波衰減試驗(yàn)，分別測(cè)試不同半徑處的回波高度，并按照式 (1)計(jì)算出在此溫度下的衰減系數(shù)α。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　衰減系數(shù)與溫度的關(guān)系

3　溫度對(duì)超聲聲速的影響

溫度不同，材料的彈性模量也不同。一般來(lái)說(shuō)，彈性模量隨著溫度的升高而減小。所以，不同的溫度下，超聲波的聲速也會(huì)發(fā)生變化。隨著溫度的升高，超聲波的傳播速度降低。有文獻(xiàn)指出，當(dāng)鋼的溫度低于500℃時(shí)，縱波聲速隨溫度變化率平均約為0.8 m/（s·℃）；當(dāng)鋼的溫度在0~400℃范圍內(nèi)時(shí)，鋼材中橫波聲速與溫度的關(guān)系可由經(jīng)試驗(yàn)擬合的經(jīng)驗(yàn)式C=Cα-αT表示，式中Cα=3241 m/s，α= 0.533 3。結(jié)合鋼材縱波聲速和有機(jī)玻璃橫波聲速隨介質(zhì)溫度的變化關(guān)系來(lái)確定當(dāng)前溫度下超聲波在壓力容器或管道中的實(shí)際傳播速度，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際情況選擇當(dāng)前的橫波速度，修正高溫對(duì)聲速的影響。

3.1高溫狀態(tài)下超聲聲速測(cè)試

3.1.1高溫耦合劑選擇原則

高溫耦合劑也是高溫超聲波檢測(cè)的主要考慮因素。高溫下耦合劑的性能應(yīng)當(dāng)有以下一些特性。（1）具有較高的工作溫度區(qū)間，黏度隨溫度的變化小，具有一定的黏滯性，在高溫下不易流失且揮發(fā)性小，以利于高溫下較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；（2）耦合劑成分穩(wěn)定，高溫下較長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)其物理化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化且不會(huì)對(duì)被檢管道產(chǎn)生腐蝕。我們選用的高溫耦合劑是宏達(dá)牌GW-Ⅲ型，最高使用溫度可達(dá)550℃，聲阻抗約為2.31×106kg·m2·s。

3.1.2高溫超聲傳感器的確定

關(guān)于制作高溫探頭，主要考慮如何選擇楔塊材質(zhì)。楔塊材料必須具有如下的特性：在溫度上升與時(shí)間延長(zhǎng)的情況下，聲線彎曲變化不大，入射點(diǎn)位移小，角度變化小，楔塊彈塑性變化小，以避免受熱膨脹而損壞。

我們委托國(guó)內(nèi)專業(yè)超聲探頭制造企業(yè)試制晶片尺寸為7 mm×9 mm，折射角為45°、60°、70°的高溫斜探頭，其最高使用溫度均為250℃。

采用的壓電材料為鈦酸鉛 （PT），其特性是：頻率F為5.01124~5.27266 MHz，阻抗Z為0.625 8 ~330.650 Ω，品質(zhì)因數(shù)Qm為83.543 43，機(jī)電耦合系數(shù) Kt為 0.52、Kp為 0.571 3，介電常數(shù) ε為9.256 6。

斜鍥選用航空耐高溫的高分子材料，其熱傳導(dǎo)系數(shù)較大，超聲波在其中傳播的聲速接近于有機(jī)玻璃和聚乙烯中的聲速，在50~250℃范圍內(nèi)縱波聲速為2379~2543 m/s，無(wú)明顯的熱脹冷縮現(xiàn)象，可耐790℃高溫而不產(chǎn)生明顯變形。

經(jīng)試驗(yàn)，試制的高溫探頭在不同的溫度和連續(xù)接觸60 s的情況下，靈敏度變化100℃時(shí)下降2 dB，200℃時(shí)下降4.5 dB，300℃時(shí)下降5.5 dB，400℃時(shí)下降7 dB。

3.1.3測(cè)試操作時(shí)間

操作時(shí)間也是造成波形變化、定位不準(zhǔn)的一個(gè)因素，所以要嚴(yán)格控制探頭熱接觸時(shí)間。一般資料介紹，接觸時(shí)間應(yīng)控制在5～10 s，讓其與對(duì)比曲線有可比性，這對(duì)于定點(diǎn)監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)是可以滿足要求的。我們研制的探頭在250℃下接觸時(shí)間為60 s時(shí)，靈敏度下降僅為5 dB。

3.1.4試驗(yàn)說(shuō)明

采用HS611e增強(qiáng)型場(chǎng)致高亮數(shù)字超聲波探傷儀，通過(guò)探頭芯發(fā)射5 MHz超聲縱波，縱波通過(guò)不同角度的高溫楔塊進(jìn)入試樣，經(jīng)過(guò)波型轉(zhuǎn)換以橫波方式在試樣中傳播，到達(dá)半圓試樣 (半徑R50)圓弧面時(shí)發(fā)生反射，沿原路返回被超聲波探頭接收。

測(cè)量聲波來(lái)回傳播的時(shí)間t，已知聲波傳播的路程2R，則聲速可以簡(jiǎn)單表示為：

式中R——室溫T0時(shí)的試塊半徑。

3.1.5測(cè)試結(jié)果

不同溫度下的聲速如表2所示。

不同溫度下探頭實(shí)測(cè)的折射角如表3所示。

表2　不同溫度下的聲速

表3　不同溫度下探頭實(shí)測(cè)的折射角

4　檢測(cè)試件的制備

4.1專用標(biāo)準(zhǔn)試塊的制備

選用JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-IA、GS-1、GS-2、GS-3、GS-4。

4.2自然缺陷樣管的制備

試驗(yàn)樣管中包括根部裂紋、未焊透、邊緣未熔合和密集氣孔四種模擬自然缺陷。全部樣管均經(jīng)常溫超聲檢測(cè)以確定缺陷長(zhǎng)度。自然缺陷樣管如圖1所示，樣管的尺寸規(guī)格見表4。

5　高溫超聲檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果

5.1自然缺陷試樣的高溫狀態(tài)下檢測(cè)結(jié)果

5.1.1檢測(cè)靈敏度

以標(biāo)準(zhǔn)試塊中的?2橫通孔為檢測(cè)靈敏度，作DAC曲線，深度定標(biāo)，工件與試塊間補(bǔ)償2～4 dB。掃查和測(cè)長(zhǎng)靈敏度均定為?2×20-16 dB。

圖1　自然缺陷試樣

表4　自然缺陷樣管尺寸

5.1.2探頭選擇

從對(duì)比試樣的檢測(cè)結(jié)果 (見表5)可知，70°的斜探頭有較高的靈敏度。根據(jù)焊縫檢測(cè)應(yīng)盡量使超聲波方向與可能的缺陷平面垂直的原則，在這里我們考慮主要選擇60°和70°兩種探頭對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)。由于在250℃的狀態(tài)下折射角70°的探頭實(shí)際折射角已經(jīng)達(dá)到76.35°，表面波成分極大，已不適宜進(jìn)行檢測(cè)了，故 70°的探頭應(yīng)用上限暫定為200℃。

5.1.3結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

對(duì)15根自然缺陷試樣進(jìn)行超聲檢測(cè)后，在200℃和250℃的高溫狀態(tài)下進(jìn)行超聲檢測(cè)，兩種檢測(cè)結(jié)果見表5。

5.2檢測(cè)試驗(yàn)說(shuō)明

檢測(cè)試驗(yàn)中，高溫狀態(tài)下點(diǎn)狀缺陷很容易被漏檢，對(duì)于較長(zhǎng)的條狀缺陷大多可以被檢出，但波高可能會(huì)降低，缺陷的波幅和長(zhǎng)度均會(huì)減小。

實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，工件表面粗糙度也對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果造成一定的影響。當(dāng)工件表面粗糙度較大時(shí)，探頭移動(dòng)耦合不良，不但造成雜波干擾，還會(huì)因?yàn)榻佑|時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使檢測(cè)靈敏度明顯下降。一般應(yīng)在探頭接觸工件20 s內(nèi)完成波幅高度測(cè)定，且應(yīng)在60 s內(nèi)完成缺陷長(zhǎng)度測(cè)定。

6　討論與展望

（1）采用直接接觸法進(jìn)行高溫超聲波檢測(cè)時(shí)，需根據(jù)待檢設(shè)備的壁溫選擇合適的高溫傳感器和高溫耦合劑。儀器調(diào)試應(yīng)在檢測(cè)溫度下進(jìn)行，按照J(rèn)B/T 4730—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用GS系列試塊確定靈敏度和定位。如果在冷態(tài)下調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度的話，則應(yīng)該按實(shí)際壁溫調(diào)節(jié)增益。

表5　自然缺陷試樣常溫超聲檢測(cè)結(jié)果與高溫超聲檢測(cè)結(jié)果比較

（2）高溫探頭只能在較低的溫度下連續(xù)工作，當(dāng)溫度較高時(shí)必須間歇工作。在超聲檢測(cè)中，給缺陷準(zhǔn)確定位和定量都是以找到缺陷的最高回波為準(zhǔn)。但對(duì)高溫超聲波檢測(cè)，在探頭與工件短時(shí)接觸的過(guò)程中，探頭發(fā)射和接收超聲波的能力不再是恒定的，而是隨著與工件接觸的時(shí)間快速下降，這樣確定缺陷的最高回波變得幾乎不可能，因而無(wú)法給缺陷準(zhǔn)確定位和定量。

（3）不同溫度狀態(tài)下楔塊和鋼板中的超聲波聲速會(huì)發(fā)生變化，造成超聲波折射角的變化。在不同溫度狀態(tài)下缺陷的反射回波與實(shí)際的反射回波存在差異，即缺陷位置和尺寸與實(shí)際情況不符合，這就影響了對(duì)缺陷的判斷和對(duì)缺陷尺寸的確定，從而影響了檢測(cè)可靠性。在檢測(cè)時(shí)，可以利用經(jīng)驗(yàn)公式（C=Cα－αT）估算橫波聲速，并估算不同溫度下缺陷的實(shí)際位置和缺陷的尺寸大小。

（4）高溫環(huán)境下的超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)于管道的使用管理具有重要的意義。該技術(shù)可以在運(yùn)行狀態(tài)下，檢測(cè)設(shè)備是否存在危及設(shè)備安全的缺陷，幫助管理部門確定檢修計(jì)劃；對(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的缺陷，該技術(shù)可以定期監(jiān)控缺陷的擴(kuò)展，隨時(shí)提醒管理部門采取果斷措施停車檢修或更換設(shè)備，從而保證設(shè)備的安全運(yùn)行。高溫環(huán)境下的超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)高溫設(shè)備在線監(jiān)測(cè)及監(jiān)控具有普遍的實(shí)用意義，一方面可以用于帶缺陷設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，另一方面可對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備進(jìn)行抽查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)新生缺陷，確定檢修時(shí)間，從而保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

（5）高溫下探頭壓電效應(yīng)隨溫度升高而減弱的現(xiàn)象給超聲檢測(cè)帶來(lái)的不利影響有以下幾個(gè)方面：

① 壓電效應(yīng)下降使得探頭發(fā)射和接收超聲波的能力同時(shí)減弱，工件內(nèi)的缺陷所顯示的信號(hào)幅度大幅下降，一些小的缺陷難以檢出或無(wú)法檢出。

②由于超聲波信號(hào)快速下降,留給檢測(cè)人員掃查和觀察波形的時(shí)間很短,因此操作難度很大。

③ 高溫?fù)p害探頭的性能，即使冷卻到室溫，探頭發(fā)射和接收超聲波的能力也不能完全恢復(fù)到原來(lái)的水平。因此高溫探頭使用一定次數(shù)后其性能會(huì)下降，甚至達(dá)到報(bào)廢程度。高溫下探頭壓電效應(yīng)隨溫度升高而降低的現(xiàn)象制約了高溫超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，因此必須控制探頭的溫度。研制一種能可靠冷卻的探頭可能是高溫超聲波檢測(cè)技術(shù)今后的發(fā)展方向。

④ 隨著溫度變化，超聲波聲壓衰減變化相當(dāng)顯著。因此，超聲波聲壓衰減變化的問題需要進(jìn)一步研究。此外，不同的反射體其所處的位置不同，也可能對(duì)聲波產(chǎn)生不同的衰減幅度，不同的傳感器頻率也會(huì)有不同的衰減特性。這些問題均需要在今后的高溫超聲波檢測(cè)過(guò)程中予以重視并加強(qiáng)研究。

參考文獻(xiàn)

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中石化開發(fā)乙烯裂解爐節(jié)能降耗技術(shù)

2013年7月18日，受國(guó)家發(fā)改委委托，由中石化、中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)聯(lián)合組織的專家組在南京對(duì)國(guó)家發(fā)改委低碳技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程——大型乙烯裂解爐節(jié)能降耗技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程項(xiàng)目進(jìn)行了驗(yàn)收。專家組認(rèn)為，該裂解爐示范項(xiàng)目達(dá)到了世界先進(jìn)水平，為今后國(guó)內(nèi)乙烯裂解爐節(jié)能改造提供了樣板，其推廣應(yīng)用在整個(gè)乙烯行業(yè)都將發(fā)揮巨大作用，尤其是在節(jié)能降耗、綠色低碳、資源節(jié)約、降低成本等方面。

據(jù)介紹，乙烯裂解爐能耗占乙烯裝置總能耗的50%~60%。目前我國(guó)乙烯產(chǎn)能已達(dá)1600萬(wàn)t/a，約有裂解爐400臺(tái)，這些裂解爐建成的年代不一，規(guī)模大小不一，技術(shù)來(lái)源不一，但總體技術(shù)落后，能耗物耗偏高，特別是能耗和世界先進(jìn)水平相比還有一定差距。30年來(lái)，中石化開發(fā)了大量的乙烯裂解技術(shù)。包括其獨(dú)有的扭曲片技術(shù)、空氣預(yù)熱技術(shù)等，這些技術(shù)的節(jié)能降耗效果都非常好，因此可把這些技術(shù)用在裂解爐上，通過(guò)改造將老舊裂解爐降低能耗物耗的技術(shù)大幅提高至世界先進(jìn)水平。2010年中國(guó)石化開始籌劃乙烯裂解爐示范項(xiàng)目，并分別在揚(yáng)子石化和茂名石化各確定一臺(tái)裂解爐作為樣板爐實(shí)施節(jié)能改造。

此前，這兩臺(tái)裂解爐均熱效率偏低，能耗偏高，操作負(fù)荷達(dá)不到設(shè)計(jì)值，運(yùn)行周期較短。中國(guó)石化利用多項(xiàng)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材質(zhì)對(duì)兩臺(tái)樣板爐實(shí)施節(jié)能改造，包括對(duì)輻射段爐管采用高選擇性爐管以提高烯烴收率、應(yīng)用強(qiáng)化傳熱技術(shù)降低燃料消耗、采用新材料和改進(jìn)襯里結(jié)構(gòu)減少熱損失、應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)等。

兩臺(tái)裂解爐在2011年完成改造，考核結(jié)果顯示：裂解爐的運(yùn)行負(fù)荷、乙烯丙烯收率產(chǎn)能、熱效率、運(yùn)行周期等指標(biāo)均已達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。運(yùn)行周期延長(zhǎng)至80天，熱效率達(dá)到95%以上，裂解爐綜合燃動(dòng)能耗降低5%。評(píng)議專家組認(rèn)為：改造后的樣板爐整體水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。目前樣板爐示范化改造技術(shù)已經(jīng)成熟并正在積極推廣，上海石化的4臺(tái)裂解爐已首先采用了樣板爐示范化改造技術(shù)。（金戈）

西門子向合成天然氣裝置提供壓縮機(jī)

西門子能源公司于2013年8月8日宣布，將向中國(guó)以煤生產(chǎn)液化合成天然氣的三套LNG（液化天然氣）裝置提供壓縮機(jī)系列，其客戶是杭州中泰深冷技術(shù)公司。這標(biāo)志著西門子從這家公司獲得了第五份合同。

這些LNG裝置擁有50萬(wàn)Nm3/d的合成天然氣生產(chǎn)能力。該壓縮機(jī)將于2014年6月交付客戶。

這三套LNG裝置中的壓縮機(jī)系列，每一臺(tái)由六段垂直分割的壓縮機(jī) （桶型壓縮機(jī)）和西門子恒定速度電動(dòng)機(jī)組成。這種類型的驅(qū)動(dòng)和控制采用進(jìn)口導(dǎo)葉組件，與采用節(jié)流閥或速度控制的壓縮機(jī)解決方案相比，可提供更有效和更可靠的操作。

（錢伯章）

*吳剛，男，1959年生，高級(jí)工程師。上海市，200333。

中圖分類號(hào)TQ 050.7

收稿日期：（2013-12-23）

Research of Online Inspection Technology for High Temperature Pipeline

Wu GangLuo XiaomingZhang JianhuaZuo Yantian

Abstract：As an important inspection method,ultrasonic testing technology has been widely used in the inservice inspection of pressure pipelines.The velocity and pressure of ultrasonic in materials vary with the change of temperature,so mastering the effect law of temperature on ultrasonic parameters is of great significance to the ultrasonic testing at high temperature.Discussed the change law of ultrasonic shear wave velocity with temperature variation within the temperature range of 50 to 200℃,developed the ultrasonic share wave oblique probe specifically for the testing at high temperature.The relationship between shear wave velocity variation and temperature change was provided,which was used to correct the actual positions and sizes of defects under different temperatures.

Key words：High temperature;Shear wave velocity;Attenuation compensation;Pipe;Weld;Ultrasonic testing