黃啟人，孔龍，李家興，楊達(dá)，馮雪松，崔金閃

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院；2.北京康坦科技有限公司，北京 100029）

由于生產(chǎn)單位需要長(zhǎng)周期不間斷生產(chǎn)和對(duì)特種設(shè)備安全的意識(shí)提高，壓力容器在非停工狀態(tài)下在線檢測(cè)和壓力容器整體安全狀況檢查的需求越來越多。而常規(guī)檢測(cè)手段（超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)）難以檢測(cè)非停工狀態(tài)下非常溫壓力容器，并且常規(guī)檢測(cè)手段用于較大的壓力容器整體安全狀況檢查的檢測(cè)效率低。對(duì)于檢測(cè)非停工狀態(tài)下非常溫壓力容器（無襯里或堆焊層），引入了MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)。MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)不僅可以對(duì)非停工狀態(tài)下壓力容器在線檢測(cè)，還可以快速地檢查壓力容器整體的安全狀況。而本文中MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在壓力容器（無襯里或堆焊層）檢測(cè)中的應(yīng)用是借鑒MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在壓力管道檢測(cè)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理

超聲導(dǎo)波是由于超聲波在介質(zhì)中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射，并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的彈性機(jī)械波。超聲導(dǎo)波并不是單一的一種波，而是一系列諧波的疊加。它可沿著結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度傳播，并受結(jié)構(gòu)的幾何邊界導(dǎo)向約束。

MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)是指鐵磁性材料基于磁致伸縮效應(yīng)在外加低頻變換磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)低頻彈性機(jī)械波，并將彈性機(jī)械波傳入被檢工件中形成低頻超聲導(dǎo)波。低頻超聲導(dǎo)波在沿著收件工件長(zhǎng)度方向傳播時(shí)，當(dāng)遇到受檢工件中缺陷就會(huì)在缺陷部位形成一定比例的反射波。反射波反向傳播至鐵磁性材料使鐵磁性材料再次產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)?；诖胖律炜s效應(yīng)的逆效，再次產(chǎn)生的生機(jī)械振動(dòng)改變了鐵磁性材料本身的磁場(chǎng)。通過接收并分析鐵磁性材料磁場(chǎng)的變化，從而來判定被檢工件的質(zhì)量狀況。

圖1 MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)原理示意圖

2 MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

檢測(cè)精度高：最高靈敏度為管道橫截面積損失量的0.7%（最新試驗(yàn)數(shù)據(jù)，達(dá)到pinhole 針孔腐蝕檢測(cè)級(jí)別，這種缺陷可進(jìn)一步導(dǎo)致腐蝕穿孔），可靠檢測(cè)靈敏度為管道橫截面積損失量的5%，監(jiān)測(cè)時(shí)，靈敏度可以達(dá)到管道橫截面積損失量的0.6%。

檢測(cè)范圍大：對(duì)于帶油漆層的地上直管段，理想狀態(tài)下，單方向可以檢測(cè)660 英尺（200 米），檢測(cè)精度為管道橫截面積損失量的2%～3%。

高溫應(yīng)用：可以進(jìn)行高溫管線腐蝕的在線檢測(cè)與長(zhǎng)期狀態(tài)監(jiān)測(cè)，最高溫度可達(dá)500℃；可以對(duì)帶有伴熱管的管線進(jìn)行檢測(cè)（例如：主管道與伴熱管線的間距很小，最寬處僅有20 毫米可以在主管線上安裝MsS 探頭，進(jìn)行主管道的在線腐蝕檢測(cè)與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)）。

MsS 探頭的特點(diǎn)：MsS 探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉；檢測(cè)不受管道直徑的限制，1.5 ～80 英寸的管道；對(duì)于埋地管線，可以將MsS 探頭永久地安裝在管道上，進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

軸向精度：與主機(jī)系統(tǒng)的信噪比和所采用的操作頻率有關(guān)。軸向定位精度比導(dǎo)波的壹倍波長(zhǎng)稍微大一些。

缺陷識(shí)別：MsS 軟件操作界面簡(jiǎn)單，缺陷特征顯示直觀；能夠根據(jù)信號(hào)幅度和相位對(duì)缺陷進(jìn)行快速實(shí)時(shí)采集和信號(hào)分析，自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告；能夠?qū)⑿屡f數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理，實(shí)施長(zhǎng)期狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

耦合方式：探頭與管道之間的耦合方式有兩種：機(jī)械干耦合與耦合劑耦合。對(duì)于良好的管道外表面狀態(tài)（無或有微小腐蝕坑），可采用機(jī)械干耦合方式；對(duì)于管道表面有若干腐蝕坑，又不允許打磨的情況下，不建議采用機(jī)械干耦合方式，可采用耦合劑耦合的方式（耦合劑耦合方式比機(jī)械干耦合方式靈敏度高6dB）。

應(yīng)用范圍：不僅可以用于鐵磁性金屬材料的檢測(cè)，還可以用于非鐵磁性金屬材料和非金屬材料的檢測(cè)，如不銹鋼、銅、鋁、鈦等和PVC 材料、玻璃、水泥、木材等的檢測(cè)。

3 MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)操作流程

（1）檢測(cè)儀器：MsSR3030R 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)。

（2）檢測(cè)程序：①選擇合適的檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)點(diǎn)部位去掉寬度為300 毫米的保溫層，打磨壓力容器表面使其露出金屬光澤；②根據(jù)壓力容器所需檢測(cè)寬度剪切相應(yīng)長(zhǎng)度的鐵鈷合金條帶，并磁化鐵鈷合金條帶；③利用剪切波耦合劑使鐵鈷合金條帶與壓力容器外表面相耦合，連接適配器；④連接數(shù)據(jù)線和電纜線；打開儀器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和保存。檢測(cè)頻率為4 ～250kHz；⑤分析數(shù)據(jù)，出具報(bào)告。

（3）相關(guān)說明見表1。

表1 檢測(cè)報(bào)告的符號(hào)說明

3.2 MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)某化工廠在役乙二醇反應(yīng)器

（1）乙二醇反應(yīng)器基本信息（見表2）。

表2 乙二醇反應(yīng)器基本信息

（2）檢測(cè)數(shù)據(jù)。圖2 中粗實(shí)線為MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)探頭布置位置且探頭為環(huán)向整圈布置，細(xì)實(shí)豎線為環(huán)向焊縫且為碳鋼和不銹鋼對(duì)接焊縫。如圖2 所示，在乙二醇反應(yīng)器上布置6 處MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)探頭，并采集6 組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本論文取檢測(cè)位置MsS-shang-1 和檢測(cè)位置MsSxia-3 的檢測(cè)數(shù)據(jù)做詳細(xì)描述。右側(cè)材質(zhì)為碳鋼，探頭布置詳見圖2。從圖3 和圖4 來看，特種信號(hào)反射比較明顯，信噪比良好，在有效檢測(cè)范圍內(nèi)，無較大腐蝕缺陷。

圖2 乙二醇反應(yīng)器檢測(cè)探頭布置示意圖

圖3 檢測(cè)位置MsS-shang-1 檢測(cè)波形圖

圖4 檢測(cè)位置MsS-shang-1 檢測(cè)結(jié)果

圖5 檢測(cè)位置MsS-xia-3 檢測(cè)波形圖

（3）壁厚驗(yàn)證。用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量乙二醇反應(yīng)器壁厚對(duì)MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。抽查部位壁厚測(cè)定結(jié)果與MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果相符合。壁厚測(cè)定結(jié)果詳見圖7（圖中實(shí)線部分為焊縫）。

3.3 MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)某化工廠在役H2 氣儲(chǔ)槽

（1）H2氣儲(chǔ)槽基本信息（見表3）。

圖6 檢測(cè)位置MsS-xia-3 檢測(cè)結(jié)果

圖7 乙二醇反應(yīng)器壁厚測(cè)定位置及其數(shù)值示意圖

表3 H2 氣儲(chǔ)槽基本信息

（2）檢測(cè)數(shù)據(jù)。圖8 中粗實(shí)線為MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)探頭布置位置且探頭為環(huán)向整圈布置。從圖9 和圖10 來看，H2氣儲(chǔ)槽JF-201A 通過本次檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)較大腐蝕缺陷。

圖8 H2 氣儲(chǔ)槽檢測(cè)探頭布置示意圖

（3）壁厚驗(yàn)證。用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量H2氣儲(chǔ)槽JF-201A 壁厚對(duì)MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，壁厚測(cè)定結(jié)果與MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果相符合。壁厚測(cè)定結(jié)果詳見圖11。

4 技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

圖9 JF-201A 檢測(cè)波形圖

圖10 JF-201A 檢測(cè)結(jié)果

圖11 H2 氣儲(chǔ)槽壁厚測(cè)定位置及其數(shù)值示意圖

MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于壓力容器檢測(cè)，可以快速并可靠地篩查壓力容器整體或局部的質(zhì)量狀況；可將疑似缺陷部位準(zhǔn)確定位并通過壁厚測(cè)定和其他檢測(cè)手段對(duì)疑似缺陷部位進(jìn)行判定。通過MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)壓力容器的篩查，可使壁厚測(cè)定和其他檢測(cè)手段檢測(cè)壓力容器時(shí)具有一定的針對(duì)性，而不僅僅是憑借經(jīng)驗(yàn)和檢測(cè)歷史來決定檢測(cè)位置。MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)可對(duì)壓力容器在線進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)最高溫度可達(dá)500℃，彌補(bǔ)了常規(guī)檢測(cè)手段在高溫環(huán)境下難以實(shí)施的問題，為壓力容器在線檢驗(yàn)提供了可靠的技術(shù)支撐。MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)只能檢測(cè)出被檢設(shè)備檢測(cè)部位橫截面積的缺失百分比，通常會(huì)與壁厚測(cè)定和其他檢測(cè)技術(shù)結(jié)合使用。MsS 低頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的一次檢測(cè)長(zhǎng)度要依據(jù)被檢工件的結(jié)構(gòu)和表面腐蝕情況以及檢測(cè)有效信號(hào)的情況而定。