汪春

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，人們對石油機械設(shè)備的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全及使用可靠性均提出了較為嚴(yán)格的要求。因無損檢測技術(shù)具有檢測靈敏度高、不破壞設(shè)備的特點，在石油機械設(shè)備檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢較為突出。因此，探究石油機械設(shè)備的無損檢測技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實意義。

2 無損檢測技術(shù)的特性與發(fā)展

2.1 特性

無損檢測技術(shù)具有不損傷試件本身、探傷靈敏度高、操作便捷、對試件表面光潔度無嚴(yán)格要求等特性，可以滿足石油行業(yè)關(guān)鍵機械零部件、壓力容器與管道達(dá)到非破壞性檢測的需求[1]。

2.2 發(fā)展

無損檢測技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了無損探傷、無損檢測、無損評價幾個階段。在無損探傷階段，發(fā)現(xiàn)缺陷是主要目的；在無損檢測階段，探測缺陷以及試件性質(zhì)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)是主要目的；在無損評價階段，探測缺陷與試件狀態(tài)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)，并獲取準(zhǔn)確度更高、更加全面的試件信息（取向、形狀、位置、內(nèi)含物、尺寸、殘余應(yīng)力等）是主要目的。

3 石油機械設(shè)備無損檢測技術(shù)

3.1 超聲檢測

超聲檢測主要用于石油機械設(shè)備中的裂紋、焊縫缺陷、氣孔等檢測，具有可靠、準(zhǔn)確、操作便捷的特點。超聲檢測技術(shù)主要應(yīng)用0.1～5 MHz的頻率，即通過專用信號編輯軟件編輯極窄單脈沖信號，經(jīng)電纜、計算機插槽的接口板將信號傳輸?shù)绞蜋C械設(shè)備，進(jìn)而通過超聲振動在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播遇到界面后反射的信號，確定石油機械設(shè)備損傷情況，如裂縫位置、裂紋寬度等。

在進(jìn)行石油機械設(shè)備超聲檢測時，需要在同一條直線上固定用于信號發(fā)射、信號接收的換能器，構(gòu)成一套完整的換能器裝置組。進(jìn)而利用A掃描法，移動發(fā)射與接收裝置，掃描探測石油機械設(shè)備的故障。同時，經(jīng)計算機采集石油機械設(shè)備示波器發(fā)送、反射的信號數(shù)據(jù)，獲得石油機械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)中的裂紋寬度及位置。

3.2 射線檢測

射線檢測技術(shù)主要用于快速檢測石油機械設(shè)備故障，快速測量設(shè)備內(nèi)高黏度液體、固體的料位以及分離設(shè)備、反應(yīng)裝置的物料停留時間。常用的射線檢測技術(shù)為γ射線、中子背散射測量技術(shù)。其中，γ射線具有強度隨指數(shù)規(guī)律減弱的特點，將探測器、γ射線源設(shè)置在石油機械設(shè)備兩端，并測出設(shè)備內(nèi)操作介質(zhì)密度分布譜圖。通過掃描譜圖，診斷設(shè)備潛在填料塌陷、漏液等故障，并確定故障根源，為改進(jìn)措施的制定提供依據(jù)。

中子背散射測量技術(shù)具有中子放射逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁越橘|(zhì)的特點，可以在石油機械設(shè)備器壁做功，吸收石油機械設(shè)備外壁熱量，并根據(jù)料位明確時液體、氣體或固體界面情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備堵塞等故障問題。一般中子背散射測量技術(shù)用中子源為241Am-Be，由中子源發(fā)射中子向石油機械設(shè)備界面，根據(jù)中子源活性，分析設(shè)備壁厚與界面壓力，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備導(dǎo)管堵塞問題及原因，確保設(shè)備穩(wěn)定運行。

3.3 磁粉檢測

磁粉檢測主要用于長度大、質(zhì)量大、直徑大且翻轉(zhuǎn)難度大、探傷部位表面粗糙的石油機械設(shè)備疲勞應(yīng)力裂紋、裂痕、重皮、冷隔、夾層等缺陷檢測。根據(jù)專業(yè)石油設(shè)備現(xiàn)場缺陷分布規(guī)律，可以采用軛磁法檢測方式與濕熒光顯示方式，利用45 N及以上提升力的交流電磁軛，依據(jù)75～100 mm的間距布置磁極，檢查設(shè)備全部、加厚區(qū)與焊縫、熱影響區(qū)，觀察表面橫向缺陷，并在表面缺陷深度超出設(shè)備壁厚5%時，再進(jìn)行磨削去除[2]。

磁粉檢測應(yīng)用介質(zhì)為涂抹熒光材料的鐵磁性顆粒（鐵、鎳、鈷），鐵磁質(zhì)顆粒被磁化后可以產(chǎn)生磁感應(yīng)線，在石油機械設(shè)備表面（或近表面）存在的缺陷與磁感應(yīng)線成90°（或接近90°）時，磁感應(yīng)線可在缺陷位置溢出，形成漏磁場。漏磁場可以吸引施加在石油機械設(shè)備周邊的磁粉，形成清晰的缺陷磁痕，為石油機械設(shè)備缺陷位置、大小、形狀分析提供依據(jù)。為確保磁粉檢測的精確性，檢測人員需要每年檢測1次或多次帶有電流表的磁化設(shè)備，并依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行磁化設(shè)備儀表精度校驗，確保磁化設(shè)備儀表讀數(shù)、校準(zhǔn)設(shè)備顯示實際度數(shù)誤差小于±10%。

3.4 滲透檢測

滲透檢測主要用于石油機械設(shè)備表面開口缺陷檢測，如危及機械設(shè)備壽命與壓力容器安全的焊接裂縫、應(yīng)力腐蝕裂縫、疲勞裂縫、淬火裂縫、磨削裂縫等，具有檢測便捷、靈敏度高、直觀性好、重復(fù)性佳的優(yōu)良特點[3]。在檢測前，需要先利用丙酮等清洗劑清洗石油機械設(shè)備，確保石油機械設(shè)備表面無油脂、氧化皮、鐵銹等污物。清洗后，停留5～10 min，確保待測石油機械設(shè)備表面干燥。同時在距離待測石油機械設(shè)備表面20～30 mm位置設(shè)置噴嘴，滲透丙酮、無水酒精等比例混合液，停留5～15 min（探傷面被滲透劑充分濕潤）后，利用清洗劑（或水壓小于1.5 kg/cm2的壓力水）擦凈待測石油機械設(shè)備表面滲透劑。充分均勻搖晃顯像劑，均勻涂抹到待測石油機械設(shè)備300 mm位置，利用便攜式白光燈照射設(shè)備表面，觀察根焊部位是否存在縱向裂紋（中部稍寬、兩端尖細(xì)的直線狀顯示）、根焊未焊透（焊縫根部中間一條斷續(xù)或連續(xù)、寬度均勻的直線狀顯示）、鈍邊位置未熔合（根焊中間一側(cè)出現(xiàn)直線狀、橢圓狀條形顯示）等問題。檢查完畢后，利用清洗劑（或水壓小于1.5 kg/cm2的壓力水）擦凈待測石油機械設(shè)備表面顯像劑，根據(jù)工藝要求處理缺陷并維護石油機械設(shè)備。

3.5 渦流檢測

渦流檢測技術(shù)主要用于石油機械設(shè)備缺陷評判，具有檢測速度快、探傷效率高的特點。電磁感應(yīng)是渦流檢測的理論基礎(chǔ)，通過將高頻交變電流通入探頭激勵線圈內(nèi)，可以在周邊被測管柱內(nèi)感應(yīng)渦流，根據(jù)管內(nèi)渦流受幾何缺陷影響而引起的檢測線圈阻抗、感應(yīng)電壓變換，可以確定具體缺陷內(nèi)容。在石油機械設(shè)備檢測時，可選擇專業(yè)的多頻渦流檢測儀，經(jīng)100 Hz～1MHz頻率檢測石油設(shè)備，在阻抗平面內(nèi)獲得具有缺陷信號的圖形，了解缺陷信號對應(yīng)的相位、幅值、波形走向，進(jìn)而借助相位分析技術(shù)，區(qū)分干擾信號、缺陷信號，獲得準(zhǔn)確度較高的結(jié)果。

3.6 聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射檢測是一種動態(tài)無損檢測方法，對石油機械設(shè)備線性缺陷高度敏感，可以有效探測外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下機械設(shè)備缺陷變動，滿足不停機情況下設(shè)備檢測需求。石油機械設(shè)備聲發(fā)射檢測用儀器為32通道聲發(fā)射檢測儀（門檻40 dB，增益30 dB）、R15傳感器、1 220 A前置放大器、靜態(tài)應(yīng)變測量分析儀等。在檢測前，將18點布片設(shè)置在進(jìn)料管道、出料管道、反應(yīng)器位置，利用應(yīng)變片、公共線一一對應(yīng)的方式，規(guī)避應(yīng)變片之間相互干擾。同時設(shè)置若干溫度補償片，補償不同位置溫度差，降低測量誤差。在具體檢測過程中，需要采用二次加載方法（一次升載臺階保壓時間15 min，二次升載臺階保壓時間10 min，加載速度0.5 MPa/min），獲得更加充分的檢測數(shù)據(jù)與更加可靠的檢測結(jié)果，加載結(jié)束后進(jìn)行各個通道標(biāo)定，確保通道在加載期間無異常。最終詳細(xì)記錄各加載階段的檢測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行缺陷定位。

4 石油機械設(shè)備無損檢測案例

4.1 案例概況

某石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器，包括不銹鋼列管、堆焊層、碳鋼管板、支撐板幾個部件。因設(shè)備長期運行于高溫、高壓、強腐蝕介質(zhì)內(nèi)，受介質(zhì)腐蝕、疲勞應(yīng)力、沖刷等多重作用，存在極大的列管管壁損傷、腐蝕、壁厚減薄風(fēng)險，對設(shè)備運行安全性也造成了較大的威脅。為掌握設(shè)備缺陷的發(fā)展情況，擬利用無損檢測技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行檢測。

4.2 應(yīng)用過程

首先，根據(jù)石油機械設(shè)備缺陷評定與調(diào)試需求，依據(jù)ASME（美國材料學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)）有關(guān)規(guī)定，制作標(biāo)準(zhǔn)探傷樣管、測厚樣管。同時，根據(jù)石油換熱器結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合被測設(shè)備尺寸，利用自比較式差動線圈（或外比較式線圈），制作從管內(nèi)插入的專用探頭，為裂紋、蝕坑等微小缺陷（或管壁厚度）檢測提供依據(jù)。

其次，選擇具有多頻檢測功能的渦流檢測儀，在正式檢測前，利用標(biāo)準(zhǔn)樣管對儀器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。同時，根據(jù)物流滲透深度要求，預(yù)先選擇檢測頻率，標(biāo)定樣管。樣管標(biāo)定后，修正參數(shù)，確定最佳的相位、頻率、增益參數(shù)值，便于后期根據(jù)缺陷深度對應(yīng)信號相位關(guān)系，確定缺陷相對深度。

再次，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，清洗被測石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器，去除管內(nèi)多余物質(zhì)，為檢測探頭插入提供通暢的渠道。進(jìn)而以標(biāo)樣管為基準(zhǔn)，由電機驅(qū)動（或人工拉動）檢測探頭進(jìn)入列管內(nèi)，拉動速度為1 m/s，確保檢測效率。在拉動探頭過程中，記錄各種參數(shù)、信號，完成每一根管子的全長檢查，對于發(fā)現(xiàn)異常問題的管，則進(jìn)行復(fù)查，并在復(fù)查前對標(biāo)樣管、儀器參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，規(guī)避檢測遺漏問題。

最后，根據(jù)檢查信號，分析并記錄管壁裂紋、腐蝕、穿孔或管壁均勻腐蝕減薄問題。

4.3 應(yīng)用效果

利用差動式自比較檢測線圈檢測石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器管壁內(nèi)外表面冶金缺陷、腐蝕坑洞、裂紋，可以在短時間內(nèi)獲得外壁缺陷信號，并得出缺陷的相對深度，檢測靈敏度較高。對于管壁中環(huán)向裂紋，可以通過斜線圈（或點式探頭）的應(yīng)用，規(guī)避裂紋與渦流方向一致引發(fā)的難于檢測問題。同時，利用混頻技術(shù)（或點式旋轉(zhuǎn)探頭），可以抑制石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器周邊管板、支撐板環(huán)繞對檢測的干擾，以及干擾信號與缺陷信號疊加引發(fā)的判別難題。最終得出，案述石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器管子外壁出現(xiàn)復(fù)雜缺陷信號，利用放大器觀察測定位置，可見兩條極細(xì)的縱向裂紋。在這個基礎(chǔ)上，查看金相照片，顯示裂紋由外壁向內(nèi)壁發(fā)展，深度達(dá)到60%。根據(jù)裂紋位置與發(fā)展，由技術(shù)人員進(jìn)行及時修正，提高了熱交換器安全水平。同時，利用外比較式線圈制作探頭，依據(jù)1 kHz的檢測頻率檢測每一根管子的最薄壁厚度，在計算機端自動計算全部管子的壁厚均值與年均腐蝕率，得出結(jié)果見表1。

表1 石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器管壁厚度均值

由表1所示，石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器管壁逐年減薄，需要采取適宜的控制措施。

5 結(jié)語

綜上所述，常用的石油機械設(shè)備無損檢測技術(shù)主要有超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測、聲發(fā)射檢測等。根據(jù)檢測技術(shù)類型的差異，檢測效率與效果也具有一些差異。因此，檢測人員應(yīng)根據(jù)石油機械設(shè)備檢測需求，選擇適宜的無損檢測技術(shù)，并根據(jù)無損檢測結(jié)果，進(jìn)行石油機械設(shè)備維修、維護管理，確保石油機械設(shè)備安全穩(wěn)定運行。