◎劉楊楊 周傳健 陳帥

工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道現(xiàn)已廣泛用于石油化工、電力設(shè)施、環(huán)境保護(hù)、公共領(lǐng)域各類工程等行業(yè)中，對于目前宏觀經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的關(guān)鍵作用。因?yàn)楣I(yè)領(lǐng)域中使用的管道經(jīng)常用在運(yùn)送帶有特定壓力值的易燃易爆及腐蝕特性的氣體或者液體狀態(tài)的物質(zhì)，如果管道裝置中有裂紋或者金屬材料發(fā)生腐蝕之類的缺陷，其出現(xiàn)泄漏或者爆炸事故的幾率將會顯著提升，更有甚者，有可能引起規(guī)模巨大災(zāi)難性事故，會對廣大人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的危害，為此工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道裝置的檢測和評估工作受到該領(lǐng)域工作人員的重點(diǎn)關(guān)注。國內(nèi)的管道系統(tǒng)，其綜合質(zhì)量由于技術(shù)及歷史等方面的原因相對堪憂，存在各種不同種類的問題。并且管道裝置系統(tǒng)所需要承受的各類載荷也相對比較復(fù)雜，除了要承受內(nèi)部的壓強(qiáng)之外，還需要承受自身重量、附件造成的附加彎矩及環(huán)境因素帶來不確定荷載等等，因此工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道系統(tǒng)出現(xiàn)失效的案例出現(xiàn)的頻率比較高，其無損檢測以及運(yùn)行安全方面的評估工作面臨了非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

一、工業(yè)領(lǐng)域中管道設(shè)施中存在的重要問題

工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道，其主體部分多數(shù)情況下是采取現(xiàn)場焊接的工藝方法進(jìn)行組裝的，因?yàn)楹附庸に噲?zhí)行的過程控制不夠嚴(yán)謹(jǐn)或者現(xiàn)場工作的過程中操作不得當(dāng)，很有可能造成管道設(shè)施在焊接中生成不同類型的缺陷和瑕疵。焊接操作的缺陷指的是焊接接頭的位置出現(xiàn)的各類問題和缺陷，通常情況下包含夾渣、氣孔、未能焊透、未能熔合、凹坑、裂紋以及出現(xiàn)焊瘤等等。上述問題和缺陷不但降低了管道裝置的承載能力，并且造成工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道在使用的進(jìn)程中因?yàn)檩d荷以及介質(zhì)等原因產(chǎn)生出更為嚴(yán)重的裂紋型缺陷，這樣的情況對于管道裝置的運(yùn)行過程的安全性帶來了巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。比如相對老舊的液氨制冷裝置的管道因?yàn)楹附舆^程中沒有設(shè)置坡口，造成焊縫位置出現(xiàn)了未能焊透的問題和缺陷，此時(shí)在彎曲類型的應(yīng)力和疲勞類型的應(yīng)力的影響之下，容易出現(xiàn)管道裝置的焊縫處發(fā)生泄漏甚至斷裂的情況。因此，定期的檢驗(yàn)工作中，怎樣精確地檢測出工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道裝置中存在的缺陷并合理評估，及時(shí)處理相應(yīng)的缺陷，長久以來一直是困擾工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道的相關(guān)管理部門及產(chǎn)權(quán)單位面臨的難題。本文通過對于工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道的無損檢測以及安全生產(chǎn)評估工作的現(xiàn)狀進(jìn)行詳盡的論述，在此基礎(chǔ)上，提出了工業(yè)領(lǐng)域管道無損檢測以及安全評估工作后期的發(fā)展方向。工業(yè)管道如圖1 所示：

圖1 工業(yè)管道

二、工業(yè)領(lǐng)域中管道設(shè)施檢測工作現(xiàn)狀

工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道的常規(guī)無損檢測的方法主要有滲透檢測法、磁粉檢測法、射線檢測法和超聲波檢測法等等。磁粉檢測法以及滲透檢測法一般用在管道部位表面相關(guān)缺陷的檢測工作中。如果管道裝置的材質(zhì)屬于鐵磁性材料，其表面缺陷的檢測工作，適合使用磁粉檢測法，這是因?yàn)槠鋵τ阼F磁性材料具有相對比較高的靈敏度，《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》（TSGD7005—2016）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了此類情況下優(yōu)先使用磁粉檢測的方法；滲透檢測法主要用于針對結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的表面開口位置處缺陷和問題檢測場合。某彎曲類型的管道焊縫處的缺陷檢測過程中應(yīng)用了滲透檢測法，某天然氣場站的內(nèi)部管道焊縫以及三通部位焊縫處檢測的過程中也采用了磁粉檢測法，上述2 個(gè)案例中均檢測到焊縫部位存在程度不同的表面裂紋，對裂紋部位實(shí)施滲透檢測法以后沒有發(fā)現(xiàn)開口類型的問題和缺陷。

射線檢測法相關(guān)的技術(shù)指的是采用射線具有的穿透性來發(fā)現(xiàn)管道裝置的相關(guān)缺陷，一般包含有射線照相方法以及X 射線的檢測方法。針對某化工廠的電站鍋爐系統(tǒng)中實(shí)際工作的管道裝置進(jìn)行了射線檢測法，并且針對管道焊接部位的接頭進(jìn)行了射線法以及磁粉方法的檢測工作，通過檢測沒有找到超標(biāo)的問題和缺陷。針對某天然氣管道系統(tǒng)工程中的5855 處管道焊接接頭部位進(jìn)行射線法檢測操作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)中未熔合的缺陷所占的比例為0.36%左右。射線檢測法的特點(diǎn)是對于面積類型的缺陷，檢出的比例較低，試驗(yàn)過程的外部條件要求比較苛刻，而且相關(guān)的射線自身對于工作人員具有一定的傷害等等缺陷。所以超聲波無損檢測法依舊是工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道焊縫質(zhì)量檢測過程的主要手段。

超聲波檢測法是應(yīng)用超聲波在被檢裝置的內(nèi)部傳播時(shí)出現(xiàn)的變化來判斷缺陷的一種檢測方法。伴隨著超聲波檢測相關(guān)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，多數(shù)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對于管道部位缺陷的檢測以及分析的操作。例如德國出品的730 型超聲檢測裝置、美國通用電氣公司開發(fā)的壓電類型腐蝕超聲波檢測儀器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管道裝置部位的焊接缺陷、裂紋缺陷及內(nèi)部腐蝕問題缺陷的無損檢測功能。

伴隨著國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步，很多專家和學(xué)者針對管道裝置焊接方面的缺陷的超聲波檢測也進(jìn)行了相關(guān)的研究。采用超聲波反射的方法，盛沙人等提出了一類創(chuàng)新的管道裝置系統(tǒng)3D 立體成像的方法，借助捕捉回波中攜帶的相關(guān)信息及空間位置信息就能夠檢測出管道內(nèi)部缺陷位置的大小、形狀及空間位置處的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息；王向宇等人借助缺陷模型的創(chuàng)建，通過數(shù)值模擬仿真的方法研究超聲波的傳播特征，實(shí)現(xiàn)了針對工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道焊縫缺陷識別及定位的目的；侯懷書等人應(yīng)用傅里葉函數(shù)變換的方法通過超聲波檢測，捕捉到的缺陷部位信號實(shí)施相應(yīng)操作，達(dá)成了管道裝置系統(tǒng)對接焊縫的4 類主要缺陷的類型的準(zhǔn)確識別。

與常規(guī)的超聲波檢測方法相比較，超聲波相控矩陣法是一類具有關(guān)闊發(fā)展前景的新技術(shù)。超聲相控矩陣相關(guān)技術(shù)在信號信息顯示領(lǐng)域中可以通過不同的維度以及方法來成像和顯示，這和常規(guī)的超聲技術(shù)的單一類型的波形顯示相比，顯示模式持續(xù)進(jìn)步，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷相對焊縫區(qū)域位置及尺寸大小等等二維形貌的觀測，如圖2 所示。

圖2 焊接缺陷形貌圖

三、工業(yè)領(lǐng)域中管道設(shè)施安全評估工作現(xiàn)狀

除去工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道裝置系統(tǒng)的缺陷檢測外，能夠探查到含有缺陷管道的承壓性能的適應(yīng)性評估工作也非常重要。其與無損檢測相關(guān)技術(shù)相互匹配，自從上世紀(jì)80 年代初開始，國內(nèi)以及國際上的相關(guān)學(xué)者陸續(xù)進(jìn)行了大量針對含有缺陷的壓力管道運(yùn)行安全的評估技術(shù)領(lǐng)域的研究和探索，如針對荷蘭某地區(qū)相關(guān)工業(yè)管道設(shè)施實(shí)施了安全領(lǐng)域的評估，美國某行業(yè)協(xié)會針對相關(guān)壓力容器工作的可靠性和潛在隱患實(shí)施了研究和評估，美國某協(xié)會提出了退化管道研究計(jì)劃，日本某研究所也提出了工業(yè)管道可靠性研究的相關(guān)計(jì)劃，德國某大學(xué)材料研究所提出了國家壓力管道研究開發(fā)計(jì)劃，國內(nèi)也建立了九五工程重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目：服役缺陷工業(yè)壓力管道安全評估的技術(shù)研究。并且在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上設(shè)立了一整套包含缺陷管道裝置系統(tǒng)安全評估的標(biāo)準(zhǔn)，其中收錄和包含了美國“奧氏體鋼管道缺陷評估規(guī)程和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)”、“鐵素體鋼管道缺陷評估規(guī)程和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)”以及《腐蝕管道強(qiáng)度測定》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，英國《含缺陷管道結(jié)構(gòu)完整性評估》的相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。

上述的國內(nèi)、國際上執(zhí)行的工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道適用性和安全性的評估體系基本上是根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范指出了適當(dāng)?shù)脑u定辦法，在一定程度上具有局限性。因?yàn)楣I(yè)領(lǐng)域中使用的管道評估標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的內(nèi)容可能涉及到工程材料、理論力學(xué)、材料力學(xué)、失效分析等多學(xué)科多方面相對綜合的理論和技術(shù)，并且對于從事檢驗(yàn)工作的相關(guān)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與水平的依賴程度比較高，評估的過程相對復(fù)雜，普通的工程技術(shù)人員很難熟練掌握其技能，為此研究無損檢測和評估一體化技術(shù)的分析方法的實(shí)踐意義非常重大。

四、工業(yè)領(lǐng)域中管道設(shè)施無損檢測和安全評估工作的發(fā)展趨勢

超聲波相控矩陣檢測技術(shù)是一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的先進(jìn)無損檢測類技術(shù)，其在工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道焊縫缺陷的檢測工作中已經(jīng)獲得了普遍的實(shí)際應(yīng)用。常規(guī)的相控矩陣成像相關(guān)技術(shù)指的是對于探頭裝置的角度、動作延遲等等參數(shù)數(shù)值實(shí)施相應(yīng)的設(shè)置以后，借助采集管道對接位置處焊縫的多通道的高頻信號數(shù)據(jù)來捕捉相應(yīng)的檢測信息，并通過相關(guān)信息數(shù)據(jù)來生成單通道B 型掃描圖像以及多通道疊加生成S 型掃描圖像，不過此類二維的圖像普遍的特點(diǎn)就是對于焊接的缺陷反映直觀性較差、缺陷評估工作的干擾信號相對比較多。伴隨著檢測工作的標(biāo)準(zhǔn)的逐步提升，實(shí)現(xiàn)3D 立體成像是相控矩陣超聲波檢測工作的新需求。把超聲波相控矩陣技術(shù)和3D 成像技術(shù)實(shí)施有效的結(jié)合，進(jìn)行針對管道焊接部位的超聲波相控矩陣3D立體成像檢測工作的研究能夠保證相關(guān)檢測工作人員可以對立體模型實(shí)施全面的觀測，大幅度提升了檢測工作的執(zhí)行效率和準(zhǔn)確程度。

圖3 超聲波相控矩陣檢測焊縫缺陷數(shù)據(jù)圖譜

在安全評估領(lǐng)域，借助含有缺陷的3D 立體圖形數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的有限元數(shù)值軟件中進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩伍_發(fā)，開發(fā)出相應(yīng)的參數(shù)化建模以及自動工作的應(yīng)力計(jì)算工具模塊，研究和預(yù)測相關(guān)缺陷對于工業(yè)領(lǐng)域壓力管道各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響和制約，結(jié)合本領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及專業(yè)知識對于含有缺陷的工業(yè)管道實(shí)施相應(yīng)的安全性能評估工作，自動生成評估報(bào)告，為從事檢測工作的相關(guān)工程技術(shù)人員供應(yīng)智能化的操作方法，顯著提升我國在役的工業(yè)壓力管道裝置的安全水平及管理能力。

五、結(jié)語

無損檢測技術(shù)過渡為無損評估。對于管道的焊縫，超聲波相控矩陣和3D 可視化技術(shù)進(jìn)行合理融合，能夠進(jìn)行焊接缺陷的全面觀測，可提升檢測工作的執(zhí)行效率及準(zhǔn)確程度。經(jīng)過對缺陷模型進(jìn)行數(shù)字化、自動化應(yīng)力分析，把缺陷的無損檢測和評估結(jié)合，確保評估工作智能化，提升國內(nèi)工業(yè)壓力管道的無損檢測及管理能力。