楊茂森，梅 陽，楊 挺，干 兵，王平杰

（1.四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，四川 成都 610061；2.西藏自治區(qū)特種設(shè)備檢測所，西藏 拉薩 850000）

四川省內(nèi)天然氣資源豐富，建設(shè)有大量的天然氣開采場站，采集的天然氣經(jīng)過立式分離器脫水等工藝處理后匯入集輸管網(wǎng)。天然氣介質(zhì)組分復(fù)雜，除大量的天然氣外還含有硫化氫、二氧化碳、氯離子以及水等物質(zhì)[1]。這些介質(zhì)共同作用，容易對場站分離器等設(shè)備造成以電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕等為主要機(jī)理的腐蝕破壞[2]，且以內(nèi)表面局部腐蝕最為突出，危害性也最大。典型的場站立式分離器裙座與下封頭結(jié)構(gòu)見圖1。這類設(shè)備多采用裙式支座，裙座上僅設(shè)置較小的檢查孔，下部封頭完全被裙座結(jié)構(gòu)包圍、覆蓋。且筒體內(nèi)徑較小，一般不設(shè)置人孔[3-4]。在進(jìn)行壓力容器定期檢驗(yàn)時，檢驗(yàn)人員不能進(jìn)入分離器內(nèi)部采用直觀的宏觀檢驗(yàn)來判斷設(shè)備內(nèi)部腐蝕情況，對受結(jié)構(gòu)限制的下部封頭，也無法采用諸如超聲測厚、相控陣C掃描等壁厚檢測方法進(jìn)行外壁直接耦合接觸檢測。因此，立式分離器下部封頭長期處于未檢測狀態(tài)，安全風(fēng)險極大[5]。

圖1 立式分離器裙座與下封頭結(jié)構(gòu)示圖

高頻導(dǎo)波，即蘭姆（Lamb）波，具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測范圍大的優(yōu)點(diǎn)，可對一定距離外母材進(jìn)行非直接接觸檢測。其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(zhì)點(diǎn)的振動，用于檢測容器的內(nèi)壁腐蝕效果良好[6]，目前被廣泛應(yīng)用于在役常壓儲罐底板的腐蝕檢測、壓力容器的內(nèi)壁腐蝕缺陷檢測等方面。

1 高頻導(dǎo)波技術(shù)原理及下封頭檢測有效性分析

1.1 高頻導(dǎo)波檢測原理

高頻導(dǎo)波是超聲波被局限在板狀邊界內(nèi)，聲波在板上、下界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射，由縱波、橫波耦合而成的一種特殊形式的應(yīng)力波[7]。當(dāng)導(dǎo)波在板中傳播遇到缺陷時會發(fā)生反射、散射，波形會產(chǎn)生頻散并有一定程度的衰減[8-9]。通過對回波信號分析，排除異型結(jié)構(gòu)引起的信號外，如果始波信號之后有新的反射波包出現(xiàn)，即可判斷檢測位置存在缺陷，根據(jù)反射信號的回波大小可以判斷缺陷的當(dāng)量大小，根據(jù)回波的傳輸時間可確定缺陷的位置[10]。

1.2 高頻導(dǎo)波頻散方程

根據(jù)聲波質(zhì)點(diǎn)的振動特點(diǎn)，高頻導(dǎo)波可分為對稱型（S型）和反對稱型（A型），每種類型又可根據(jù)不同的相速度分為若干模態(tài)，如S0、S1、S2和A0、A1、A2等。高頻導(dǎo)波在傳播過程中，在不同的板厚、不同的激發(fā)頻率下會有不同的傳播模式，其相速度和群速度會隨著頻率和板厚的變化而改變，這就是高頻導(dǎo)波的頻散和多模態(tài)特性，它可由瑞利-蘭姆方程決定[11-12]。

對稱模態(tài)：

反對稱模態(tài)：

式（1）～式（4）中，h 為試件厚度，mm；k 為導(dǎo)波波矢，rad/m；ω 為圓頻率，rad/s；cl、ct分別為試件中縱波和橫波的波速，m/s。

高頻導(dǎo)波的相速度與群速度可以通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，cq、cp分別為高頻導(dǎo)波的群速度和相速度，m/s。

1.3 下封頭導(dǎo)波檢測有效性分析

受結(jié)構(gòu)影響，立式分離器的下封頭腐蝕導(dǎo)波檢測較為復(fù)雜。下封頭導(dǎo)波檢測示意見圖2。由于裙座結(jié)構(gòu)的限制，下封頭被完全封閉在裙座內(nèi)部，導(dǎo)波探頭無法直接耦合接觸下封頭外表面，只能置于靠近封頭的筒體母材上，通過波的傳導(dǎo)，導(dǎo)波經(jīng)過筒體、筒體與封頭連接焊縫、裙座與封頭搭接結(jié)構(gòu)及封頭變徑段后傳播至封頭區(qū)域。當(dāng)遇到封頭內(nèi)壁腐蝕等截面變化時，波束經(jīng)反射返回到探頭，從而判斷內(nèi)壁腐蝕情況。

圖2 下封頭導(dǎo)波檢測示圖

由于導(dǎo)波是在邊界內(nèi)部傳播的一種應(yīng)力波，因此當(dāng)邊界位置變化、存在異型結(jié)構(gòu)時，導(dǎo)波會沿著新的邊界傳播并在截面變化處反射、散射，造成頻散和模態(tài)轉(zhuǎn)換。圖2中區(qū)域②為裙座與封頭搭接焊縫的連接部位，傳播中的一部分導(dǎo)波會沿著搭接焊縫進(jìn)入到裙座中，造成封頭中導(dǎo)波能量衰減，缺陷檢測靈敏度下降。該處急劇變化的結(jié)構(gòu)截面也會引起導(dǎo)波反射、模態(tài)轉(zhuǎn)換等問題，探頭回波信號成分復(fù)雜，檢測時難以分析、辨認(rèn)。此外，區(qū)域①中焊縫余高、區(qū)域③中橢圓形封頭變徑段等異型結(jié)構(gòu)，也都會引起導(dǎo)波產(chǎn)生反射、散射等。

通過對現(xiàn)場環(huán)境以及分離器腐蝕情況的分析發(fā)現(xiàn)，立式分離器的腐蝕主要發(fā)生在封頭下部易積液部位，即圖2中區(qū)域③之后的部分。因此，只要有足夠能量的導(dǎo)波傳播至封頭下部易腐蝕區(qū)域，就能保證缺陷檢測的靈敏度。

下封頭模擬試件高頻導(dǎo)波圖像見圖3。由圖3可見，導(dǎo)波經(jīng)探頭發(fā)出后會有一定寬度的始波信號，之后在裙座處產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)回波，而需重點(diǎn)關(guān)注的下部封頭區(qū)域回波信號良好，并在排污管截面產(chǎn)生特征反射回波，且回波幅度較高。說明該方法能夠使導(dǎo)波有效覆蓋被裙座結(jié)構(gòu)限制的封頭區(qū)域，檢測效果良好?，F(xiàn)場檢測時以排污管截面反射波為特征信號，探頭沿筒體周向環(huán)繞一周，只需關(guān)注結(jié)構(gòu)信號之后、排污管特征信號之前的區(qū)域有無異常反射信號，即可判斷整個下封頭的腐蝕情況。

圖3 下封頭模擬試件高頻導(dǎo)波圖像

2 高頻導(dǎo)波檢測參數(shù)確定

為獲得良好的檢測效果，必須選擇合適的頻厚積和導(dǎo)波模態(tài)[13]。而導(dǎo)波模態(tài)與入射角相關(guān)，因此對于特定厚度的母材，可通過瑞利-蘭姆方程繪制出頻散曲線，根據(jù)頻散曲線確定適宜的檢測頻率和探頭角度。

導(dǎo)波在缺陷或異型結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生反射，引起頻散[14]，使接收到的回波信號成分復(fù)雜，不能準(zhǔn)確識別和定位。同時導(dǎo)波能量減小，反射回波幅度降低，影響缺陷檢測靈敏度。實(shí)際檢測過程中一般選擇頻散小、群速度大、回波能量高的導(dǎo)波模態(tài)[15-16]。隨著母材厚度增加，導(dǎo)波頻率應(yīng)逐漸減小，使頻厚積保持在一定的范圍內(nèi)，同時減小折射角，以獲得模態(tài)單一、群速度大的導(dǎo)波。

現(xiàn)場壓力容器數(shù)量多、壁厚范圍廣，當(dāng)采用固定入射角壓電晶片探頭檢測時，無法針對每一種壁厚規(guī)格制定相應(yīng)的檢測參數(shù)。結(jié)合上述分析及現(xiàn)場試驗(yàn)確定的高頻導(dǎo)波檢測參數(shù)見表1。

表1 高頻導(dǎo)波檢測參數(shù)

3 人工對比試塊的制作

高頻導(dǎo)波對缺陷大小的判斷是基于反射回波波幅。導(dǎo)波在傳播時伴隨著能量的衰減，大小相同、位置不同的缺陷回波幅值會不一樣，通過制作不同距離的能量衰減曲線，即距離-波幅（DAC）曲線，可以消除距離對反射回波幅值的影響。通過與同一板厚下多個不同反射面積人工缺陷的反射波幅進(jìn)行對比，即可大致判斷距離探頭不同位置處腐蝕缺陷的當(dāng)量大小。

本文制作材料為Q245R，尺寸為 （長度×寬度）1 200 mm×400 mm， 板厚 t分別為 8 mm、16 mm、28 mm的3塊人工對比試塊，每塊人工對比試塊上加工 3 個深度分別為 0.2t、0.4t、0.6t，直徑為 10 mm的平底孔。

人工對比試塊示意圖見圖4，試塊缺陷尺寸參數(shù)見表2。

表2 人工對比試塊缺陷尺寸 mm

制作DAC曲線時，首先在人工對比試塊上位置1～位置5找到0.2t平底孔的最大反射波并記錄，連接各點(diǎn)便形成0.2t孔的DAC曲線，之后按相同方法依次制作0.4t、0.6t孔的DAC曲線。組合上述3條曲線便形成了該板厚下導(dǎo)波檢測的DAC曲線。

4 高頻導(dǎo)波現(xiàn)場檢測結(jié)果及分析

采用ISONIC 2010超聲檢測系統(tǒng)對某公司天然氣場站服役時間較長的多臺立式分離器下封頭進(jìn)行了高頻導(dǎo)波檢測，發(fā)現(xiàn)了大量腐蝕缺陷。

壁厚20 mm的下封頭導(dǎo)波檢測圖像見圖5。

圖5 壁厚20 mm下封頭大面積腐蝕導(dǎo)波檢測圖像

從圖5可以看出，始波和裙座導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)反射回波強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)信號之后的下封頭部分有大量密集的腐蝕信號，結(jié)合DAC曲線，判斷該處腐蝕深度大約為0.2倍的壁厚。由于腐蝕區(qū)域?qū)?dǎo)波的衰減，接管信號反射幅度時高時低，局部位置甚至消失。

采用圖5中同一探頭參數(shù)對壁厚為28 mm的下封頭進(jìn)行高頻導(dǎo)波檢測，得到的檢測圖像見圖6。圖6中下封頭局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)大面積的點(diǎn)腐蝕信號。

圖6 壁厚28 mm下封頭大面積腐蝕導(dǎo)波檢測圖像

對比圖5、圖6可以看出，盡管采用同一探頭參數(shù)對不同壁厚的封頭進(jìn)行檢測，但缺陷回波幅度都較高，靈敏度較好。接管截面的特征反射信號回波幅度較高，導(dǎo)波能量衰減小，能夠有效顯示。采用上述同一種探頭參數(shù)均能對不同壁厚的下封頭區(qū)域進(jìn)行有效檢測。因此，在保證檢測靈敏度的情況下，對一定壁厚范圍的母材采用同一種探頭參數(shù)，能夠極大提高現(xiàn)場檢測效率，節(jié)約檢測成本。

壁厚16 mm下封頭的嚴(yán)重局部腐蝕導(dǎo)波圖像見圖7。圖7中腐蝕分布面積較大，深色部分回波幅值很高，表明腐蝕深度較大，截面變化明顯。檢測區(qū)域后部未見接管截面特征反射信號，表明導(dǎo)波在經(jīng)過腐蝕區(qū)域嚴(yán)重的截面變化后，導(dǎo)波反射、散射嚴(yán)重，能量衰減劇烈，檢測靈敏度降低。實(shí)際檢測過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注接管特征反射信號，保證檢測靈敏度要求。

圖7 壁厚16 mm下封頭嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)波檢測圖像

當(dāng)探頭沿筒體周向進(jìn)行掃查時，配合使用探頭編碼器可以得到缺陷在探頭移動方向上的具體位置以及周向的尺寸參數(shù)。結(jié)合始波、缺陷波、接管反射波這3個特征信號的相對位置，并通過計(jì)算導(dǎo)波群速度與缺陷反射波傳播時間的乘積，可以得到缺陷在導(dǎo)波傳播方向上的位置，從而實(shí)現(xiàn)對缺陷定位和尺寸參數(shù)的測量。

5 結(jié)語

通過分析立式裙式支座分離器下封頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確立了高頻導(dǎo)波檢測方法及其檢測參數(shù)。通過制作人工對比試塊得到DAC曲線，可大致確定腐蝕缺陷的當(dāng)量大小。現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，利用高頻導(dǎo)波技術(shù)非直接耦合接觸檢測的特點(diǎn)，可以對裙座結(jié)構(gòu)的立式分離器下封頭區(qū)域腐蝕進(jìn)行有效檢測，效果較好，能夠滿足現(xiàn)場檢測對缺陷定位和定量的要求。