， ， ，

(1.四川省特種設備檢驗研究院， 四川 成都 610061；2.中國石油天然氣股份有限公司 西南油氣田分公司 蜀南氣礦， 四川 瀘州 646000)

在壓力容器定期檢驗過程中，母材的壁厚測定為必須檢驗的項目，要求其測厚點應當具有代表性，包含容器易腐蝕部位[1]。對于容器的內壁腐蝕缺陷，在停產檢修時打開設備進行內部宏觀檢驗是目前最為直接且有效的檢驗檢測方法[2]。然而對于未設置人孔以及運行狀態(tài)下無法開罐的壓力容器，由于檢驗人員不能進入設備內部進行宏觀檢驗，只能通過技術手段在容器外部對內壁腐蝕情況進行檢測。此外，對于受幾何結構限制、遮擋、覆蓋而不能直接進行接觸檢測的壓力容器，諸如天然氣場站大量使用的立式分離器等設備，其下部封頭被裙座結構包圍，裙座上僅設置較小的檢查孔，人員或檢測設備無法進入裙座內部對下部封頭進行直接檢測，這些受幾何結構限制的部位長期處于未檢測狀態(tài)，安全風險極大[3-5]。

因此，在定期檢驗過程中，針對不能進行開罐宏觀檢驗、外部檢測時受幾何結構限制等特點，通過分析目前定期檢驗過程中常用檢測技術對不同類型內壁腐蝕缺陷的檢測有效性，選擇適宜的檢測方法對壓力容器內部腐蝕缺陷進行有效檢測，提高壁厚檢測結果的準確性顯得尤為必要。

1 壓力容器現(xiàn)場腐蝕環(huán)境分析

壓力容器服役環(huán)境苛刻，介質成分復雜，容器腐蝕情況較為嚴重。以天然氣場站使用的立式分離器為例，其工作介質除含有天然氣外，還含有大量的硫化氫、二氧化碳、氯離子以及水等物質[6]。這些介質共同作用，容易對設備本體造成以電化學腐蝕、化學腐蝕等為主要機理的腐蝕破壞，結果表現(xiàn)為設備內表面均勻腐蝕以及局部腐蝕，且以局部腐蝕最為突出，危害性也最大。

常見的壓力容器的局部腐蝕類型主要表現(xiàn)為點蝕、坑蝕等，其腐蝕形貌各有不同[7]，具體剖面形狀見圖1。

圖1 壓力容器常見局部腐蝕孔剖面形狀

2 壓力容器內腐蝕主要檢測方法

2.1 超聲波測厚

目前定期檢驗過程中常用的壁厚檢測方法是采用超聲波測厚儀對剩余壁厚進行測量。超聲波測厚是利用超聲波在不同介質分界面處的反射原理，通過測量超聲波在被檢測工件中的傳播時間來獲得工件厚度的方法[8-9]。

超聲波測厚方法操作簡單，廣泛應用于定期檢驗時的厚度測量以及在線壁厚監(jiān)測。但當設備內部發(fā)生點蝕、坑蝕，具有如圖1所示的窄深形、垂直形等不規(guī)則腐蝕形貌時，由于超聲波波束傳播方向與腐蝕坑表面不垂直，界面反射波與探頭成一定的角度，超聲波探頭不能接收到檢測部位的反射聲波，造成測厚儀數(shù)值無顯示或顯示混亂，不能測得真實壁厚值，檢測靈敏度不高，易造成錯檢。此外，該方法局限于對某一特定的點進行檢測，屬于抽查檢測，不能快速進行大面積的掃查，整體評價設備本體的腐蝕情況時易造成腐蝕部位的漏檢。

2.2 超聲波衍射時差法

超聲波衍射時差法(TOFD)是一種依靠工件母材內部缺陷端點處的衍射波來檢測缺陷的方法[10]，廣泛應用于壓力容器等設備的焊縫埋藏缺陷的檢測中，也可用于對母材剩余壁厚的測量。不同于焊縫埋藏缺陷檢測，利用TOFD檢測容器內壁腐蝕情況時主要觀察其一次反射底波的位置變化，而非直通波與一次底波間的衍射信號[11]。對于容器內壁存在腐蝕的區(qū)域，由于發(fā)射探頭與接收探頭間經底面反射波行進的距離減小，傳播時間相應縮短，在儀器屏幕中底波位置會相應抬升，針對具體的內壁腐蝕形貌，其回波圖像也會有一定的區(qū)別。因此，通過底波高度及特點的變化，綜合直通波等其他因素可以判斷內壁的腐蝕情況。

文中通過在模擬試板背面制作較大面積的矩形孔和圓形孔人工缺陷來驗證TOFD技術對腐蝕缺陷檢測的有效性。通過矩形孔人工缺陷模擬現(xiàn)場設備內表面均勻腐蝕，通過密集型圓形孔人工缺陷模擬現(xiàn)場設備內表面點蝕等局部腐蝕。

矩形孔人工缺陷的尺寸(長×寬)為100 mm×30 mm，其TOFD檢測圖像見圖2。由圖2可見，當檢測工件背面存在較大面積壁厚減薄時，一次反射底波高度較正常母材底波明顯抬升，而直通波基本無變化，與正常母材處保持一條直線。因此，通過測量一次底波相對于原始母材底波的位置變化，可以判斷內壁是否發(fā)生均勻腐蝕減薄缺陷。

圖2 矩形孔人工缺陷TOFD檢測圖像

密集型圓形孔人工缺陷直徑5 mm，相鄰間距10 mm，總共有5個，其TOFD檢測圖像見圖3。圖3的方框1中為?5 mm圓孔頂部的反射波圖像，方框2中圓形孔處底波消失，一次反射底波表現(xiàn)出不連續(xù)。TOFD技術能夠檢測出由密集小孔模擬的母材內表面局部點蝕減薄缺陷，能夠準確區(qū)分相鄰間距為10 mm的孔缺陷。因此，TOFD對實際腐蝕環(huán)境下較小的孔蝕、點蝕等缺陷的檢測靈敏度好，檢測有效性較高。

圖3 密集型圓形孔人工缺陷TOFD檢測圖像

當采用TOFD技術的底波反射特性對內表面腐蝕缺陷進行檢測時，由于TOFD探頭間距以及底面盲區(qū)等因素的影響，其聲束所能覆蓋的內表面面積較小，可以看成是對內表面母材在掃查方向的線檢測，難以快速實現(xiàn)面積型掃查，大面積檢測時效率較低。同時，TOFD掃查裝置較大，檢測時需將探頭直接耦合于母材表面，對于受裙座等幾何結構限制不能直接接觸的設備母材部位，有時難以進行檢測。

2.3 相控陣縱波直探頭檢測

相控陣超聲檢測技術是通過電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個單元，按照一定的延遲時間規(guī)則發(fā)射和接收超聲波，從而動態(tài)控制超聲波聲束在工件中的偏轉和聚焦來實現(xiàn)檢測的無損檢測方法[12-13]。

相控陣超聲檢測技術可用于母材剩余壁厚的測量。采用相控陣縱波直探頭技術對某容器筒體腐蝕部位進行B掃描的檢測圖像見圖4。

圖4 某容器筒體腐蝕部位相控陣縱波直探頭B掃描圖像

由圖4a可見，檢測較大面積腐蝕坑時，由于腐蝕較為嚴重，剩余壁厚較小，故底面回波位置較高(圖像中心顏色較深處)，之后無信號顯示，即原始的母材底波信號已經消失，僅有腐蝕坑處的反射信號，缺陷反射信號的輪廓基本反映出腐蝕坑的實際輪廓。由圖4b可見，檢測小腐蝕坑時，無腐蝕區(qū)域存在原始母材底波反射信號，而存在較小腐蝕坑部位的底波信號消失，腐蝕部位出現(xiàn)反射信號。由于腐蝕坑較小，缺陷信號輪廓不明顯。

采用相控陣縱波直探頭對某臥式氣液分離器沿筒體進行周向掃查的D掃描，得到的圖像見圖5。從圖5可見，筒體下部表現(xiàn)為均勻腐蝕并伴有局部腐蝕，且局部腐蝕坑腐蝕深度較大。該處筒體母材原始壁厚23 mm，腐蝕坑處實測最小壁厚17 mm，腐蝕造成的壁厚損失量達到6 mm。從該圖像能夠準確區(qū)分出在均勻腐蝕基礎上相鄰局部腐蝕坑之間的位置關系，比較直觀地觀察缺陷的腐蝕輪廓。

圖5 臥式氣液分離器筒體均勻腐蝕及局部腐蝕D掃描圖像

采用相控陣縱波直探頭對壁厚為7 mm的筒體母材腐蝕坑進行檢測，得到的圖像見圖6。圖6a中腐蝕深度較大，實測最小剩余壁厚僅2.7 mm。通過對缺陷長度方向以及寬度方向進行C掃描測量(圖6b)，確定該腐蝕坑大小為32 mm×22 mm。

圖6 壁厚7 mm筒體局部腐蝕坑縱波直探頭掃描圖像

從以上分析可以看出，相控陣縱波直探頭檢測能夠精確進行缺陷位置定位和腐蝕深度測量，結合C掃描和D掃描等不同視角的圖像，可以對內部腐蝕缺陷大小、面積等進行精確測量。通過B掃描、D掃描圖像的反射回波信號可以比較直觀地觀察缺陷的腐蝕輪廓，可視化較好。當一次激發(fā)多個陣元進行C掃描檢測時，由于激發(fā)的探頭孔徑增大，一次掃查的寬度區(qū)域也相應增大，故具有面積型掃查的特點，檢測效率高。

2.4 高頻導波檢測

高頻導波檢測具有傳播距離遠、檢測范圍大的優(yōu)點，可對周圍一定范圍進行100%的面積及深度覆蓋性檢測，目前廣泛應用于在役儲罐底板土壤側的腐蝕檢測，在板材和容器的腐蝕及裂紋等母材類缺陷檢測中也有一定的應用。高頻導波的聲場遍布檢測工件的整個壁厚范圍，在工件各個部位都有質點的振動，用于檢測容器的內壁腐蝕效果良好[14-16]。

采用高頻導波對某受裙座結構包圍的立式分離器下部封頭進行腐蝕檢測，結構及位置示意見圖7。將探頭置于靠近封頭的筒體母材上，通過波的傳導，導波經過筒體與封頭的連接焊縫進入封頭，當遇到封頭內壁腐蝕等截面變化時，波束經反射返回到探頭，從而判斷內壁腐蝕情況。當探頭沿筒體掃查一周時，即可對整個下部封頭所有部位進行檢測。

圖7 封頭高頻導波腐蝕檢測結構及位置示圖

對含大量內腐蝕缺陷的封頭進行高頻導波檢測的結果見圖8。從圖8可以看出，高頻導波沿封頭方向傳播的距離比較遠，在200～400 mm內發(fā)現(xiàn)大量的腐蝕缺陷，400 mm后也存在少量的局部腐蝕。通過對實物進行測量，證明高頻導波檢測在長度方向上的定位精度較高，并且能夠有效檢測出各種腐蝕缺陷，包括面積較小的坑蝕、點蝕等。當腐蝕坑深度、面積較大時，高頻導波檢測反射回波幅度較大，反之反射回波幅度相應較小，因此可通過反射回波幅值判斷腐蝕缺陷深度大小。但高頻導波檢測不能對腐蝕深度進行精確的定量測量，必須輔以其他的檢測手段。

由于導波長距離傳輸?shù)奶匦?，探頭可不直接放置于腐蝕區(qū)域而采用遠距離檢測的方式。這對于受幾何結構限制等不能直接進行接觸檢測的壓力容器的檢測具有較大的優(yōu)勢，例如對受裙座結構包圍的立式分離器下部封頭的內腐蝕檢測，采用高頻導波檢測時可將探頭置于不受裙座幾何尺寸限制的外部筒體母材上，通過波的傳導對整個下部封頭進行面積型掃查。相比于需將探頭與腐蝕部位直接接觸才能得到結果的檢測方法，高頻導波檢測方法的結構可達性較高，具有良好的檢測效果和優(yōu)勢。

3 結語

(1)傳統(tǒng)的檢測方法，如超聲波測厚檢測等僅限于點檢測，易造成漏檢、錯檢。但超聲波檢測方法簡單易用，可用于均勻減薄的壁厚腐蝕檢測。

(2)TOFD可以用于特殊條件下的壁厚檢測且具有比較高的檢測有效性，其檢測范圍可看成線檢測。受自身技術特點限制，TOFD較少應用于壁厚腐蝕檢測。

(3)結合B掃描、C掃描和D掃描等不同視角的圖像，相控陣縱波直探頭檢測能夠精確進行缺陷位置定位，腐蝕深度、缺陷大小、面積測量，能夠比較直觀地觀察缺陷的腐蝕輪廓，可視化較好，具有面積型掃查的特點。

(4)高頻導波檢測可對腐蝕區(qū)域進行不直接耦合接觸的遠距離檢測，具有良好的結構可達性和面積型掃查特點，但不能對腐蝕進行精確定量，必須輔以其他檢測手段。