江雁山,鄧 進(jìn),李 喆,劉禮良,4
(1.森松(江蘇)重工有限公司上海分公司,上海 201323;2.中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029;3.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司,沈陽 110043;4.國家市場監(jiān)督管理總局無損檢測與評價重點實驗室,北京 100029)
近年來,隨著我國油氣發(fā)展的需求擴(kuò)大,長輸管道鋪設(shè)量大幅增加[1]。長輸管道經(jīng)過長時間的運行后會發(fā)生多種損傷,管道內(nèi)壁腐蝕是長輸管道運行中的一種常見損傷模式[2]。目前,長輸管道內(nèi)壁腐蝕的檢測技術(shù)主要為內(nèi)檢測技術(shù)等[3],其通過測量管道壁厚損失百分比來評價腐蝕程度,在發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁腐蝕缺陷后,還需采用常規(guī)超聲檢測或射線檢測技術(shù)進(jìn)行復(fù)測。常規(guī)超聲檢測結(jié)果不直觀,缺陷特征評價提供的信息量不足;射線檢測在在役管道中的檢測采用雙壁單影透照方式,檢測靈敏度較低。管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的精確測量對管道的安全運行有著重要意義。
筆者采用超聲波衍射時差法(TOFD)來測定內(nèi)壁腐蝕缺陷,通過仿真分析TOFD檢測工藝的可行性,對實際工程中已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)壁腐蝕缺陷進(jìn)行測量,并與常規(guī)超聲脈沖反射法的檢測結(jié)果進(jìn)行比對,驗證了TOFD檢測的可行性。
TOFD檢測是一種利用缺陷端點的聲波衍射傳播時間差來進(jìn)行缺陷檢測與定量的技術(shù)[4],其檢測原理如圖1所示。
圖1 TOFD檢測原理示意
TOFD檢測較常規(guī)超聲檢測方法而言,除可顯示A型脈沖波形外,還可以得到D掃描圖像,檢測結(jié)果更為直觀;TOFD檢測還可對缺陷的深度、高度及長度進(jìn)行精確測量。TOFD檢測底面盲區(qū)分為焊縫中心底面盲區(qū)和軸偏離盲區(qū)[5]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),焊縫中心底面盲區(qū)高度一般要求不大于1 mm。對管體本體進(jìn)行檢測時,可通過不同位置、多次掃查來解決軸偏離盲區(qū)的問題。基于TOFD檢測的優(yōu)點,可對長輸管道內(nèi)壁腐蝕檢測工藝進(jìn)行仿真分析。
NB/T 47013.10-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分:衍射時差法超聲檢測》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了焊縫TOFD檢測的相關(guān)要求[6],而對管道本體部分無相關(guān)檢測要求,筆者根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的焊縫TOFD檢測工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析。
工件規(guī)格為914 mm×16 mm(外徑×壁厚),在CIVA軟件中對其進(jìn)行建模,模型如圖2所示。
圖2 工件模型
仿真選用頻率為5 MHz,直徑為6 mm的探頭,楔塊角度為70°,PCS(探頭中心間距)為58.6 mm,計算分析聲場在工件中的分布(見圖3)。
圖3 聲場分析計算結(jié)果
由圖3可知,-12 dB聲束底面覆蓋區(qū)域為21 mm,聲場在工件底面能量較為集中,更有利于檢測內(nèi)壁腐蝕缺陷。
在建立好的工件模型中,沿著管道周向與軸向內(nèi)壁分別預(yù)設(shè)1個長為15 mm,高為1 mm的缺陷,并分別沿著管道周向與軸向掃查,掃查示意如圖4所示。
圖4 周向與軸向掃查示意
圖4中紅色十字標(biāo)志為預(yù)設(shè)的缺陷,紫色線條為TOFD檢測掃查方向。將聲場仿真參數(shù)應(yīng)用到建立好的缺陷模型中,分別沿著設(shè)置的周向與軸向掃查路徑進(jìn)行計算分析,結(jié)果如圖5所示。
圖5 TOFD檢測缺陷仿真圖譜
由圖5可知,采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的工藝參數(shù)可檢測出周向與軸向的根部缺陷,且檢測結(jié)果準(zhǔn)確,初步驗證TOFD檢測管道母材是可行的。
某公司長輸管道規(guī)格為914 mm×16 mm(外徑×壁厚),材料為X70鋼,運行3 a后首次進(jìn)行定期檢測,在管道內(nèi)壁某一位置發(fā)現(xiàn)1處缺陷。針對該處缺陷,選用DA5P14FS15型探頭進(jìn)行超聲檢測。檢測得到缺陷最小深度為13.8 mm,長為20 mm,寬為15 mm,但無法對缺陷進(jìn)行直觀顯示,不利于缺陷評定。射線檢測時,采用雙壁單影透照,但檢測靈敏度較低。
針對上述情況,采用TOFD檢測該處缺陷。檢測設(shè)備為中科創(chuàng)新HSPA20型檢測儀,探頭頻率為5 MHz,直徑為6 mm,楔塊角度為70°,PCS為58.6 mm,檢測結(jié)果如圖6,7所示。
圖6 TOFD檢測周向缺陷圖譜
圖7 TOFD檢測軸向缺陷圖譜
由圖6,7可知,該圖譜特征較符合NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)中附錄E的圖譜特征。檢測位置為管道本體,對該處缺陷進(jìn)行精確測量,結(jié)果如表1所示。
將表1中的TOFD檢測結(jié)果與常規(guī)超聲檢測結(jié)果進(jìn)行比對分析可知,缺陷最小深度均為13.8 mm,TOFD檢測結(jié)果精度不低于常規(guī)超聲檢測結(jié)果的精度,檢測結(jié)果更為直觀,更有利于缺陷的評定。
表1 管道缺陷TOFD檢測結(jié)果 mm
(1) 采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的焊縫檢測工藝參數(shù)對管道內(nèi)壁腐蝕缺陷進(jìn)行TOFD檢測,可有效檢出內(nèi)壁腐蝕缺陷及對缺陷進(jìn)行定量。
(2) TOFD檢測精度不低于常規(guī)超聲檢測精度。
(3) TOFD檢測結(jié)果更為直觀,對管道安全運行維護(hù)具有重要意義。
(4) 給管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的測量提供了一種新的檢測方法。