林星佑, 劉 蓉

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100044)

1 概述

目前,許多城市燃?xì)夤艿涝谝勰晗抻?0 a,近年來由于燃?xì)夤艿佬孤?dǎo)致的安全事故日益增多。2022年共收集到媒體報道的國內(nèi)(不含港澳臺)燃?xì)馐鹿?02起,造成66人死亡,487人受傷,其中較大事故10起。2022年6月,國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《城市燃?xì)夤艿赖壤吓f更新改造實施方案(2022-2025年)》,各城市燃?xì)馄髽I(yè)亟需對城市燃?xì)夤艿肋M行安全評估。主流的無損檢測技術(shù)有超聲相控陣檢測技術(shù)和射線檢測技術(shù),射線檢測技術(shù)經(jīng)過數(shù)字化改進,形成了數(shù)字射線檢測技術(shù)。同時,廣泛應(yīng)用于長輸管道和廠站工藝管道檢測的超聲導(dǎo)波檢測技術(shù),也具備檢測埋地城市燃?xì)夤艿赖目尚行?。微波無損檢測技術(shù)的發(fā)展也有助于城市燃?xì)夤艿栏尤娴臋z測評估。

2 鋼質(zhì)管道缺陷檢測

① 超聲相控陣檢測技術(shù)

超聲相控陣探頭是超聲相控陣檢測的重要部件,是由若干壓電晶片組成的陣列換能器,通過電子系統(tǒng)控制陣列中的各個晶片按照一定的延時法則發(fā)射和接收超聲波,從而實現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能。晶片由復(fù)合材料制成,超聲相控陣探頭比常規(guī)壓電陶瓷材料探頭的信噪比高10～30 dB。

超聲相控陣檢測技術(shù)可根據(jù)需要設(shè)置超聲波入射角度,應(yīng)用于常規(guī)超聲波探傷難以檢測的復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫與掃查區(qū)域受限焊縫,缺陷檢出率高,定量、定位精度高?？梢詫崿F(xiàn)線性掃查、扇形掃查和動態(tài)深度聚焦,從而具備寬波束和多焦點的特性,因此檢測速度更快?；夭ㄅc焊縫結(jié)構(gòu)能夠圖像化顯示,可將俯視、正視和側(cè)視的視圖(見圖1～3)和脈沖視圖同時顯示,缺陷判斷更準(zhǔn)確,降低誤判率,更易區(qū)分缺陷信號與非缺陷信號。

圖1 超聲相控陣檢測俯視圖

圖2 超聲相控陣檢測正視圖

圖3 超聲相控陣檢測側(cè)視圖

② 數(shù)字射線檢測技術(shù)

常規(guī)射線檢測技術(shù)是利用X射線在穿透物體過程中因吸收或散射產(chǎn)生衰減,并把膠片放在適當(dāng)位置使其在透過射線的作用下感光,經(jīng)過暗室處理后得到底片,通過觀察底片不同位置黑度差壓來識別缺陷的位置和性質(zhì)。

數(shù)字射線檢測技術(shù)(Digital Radiography,簡稱DR)與常規(guī)射線檢測技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于,數(shù)字射線檢測技術(shù)采用探測器代替膠片完成射線信號的探測和轉(zhuǎn)換[1-2]。最重要的部件是平板探測器,通過探測器中的光電材料直接吸收射線,并轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息在計算機終端顯像,具有輻射小、實時數(shù)字化成像等優(yōu)點[3]。

數(shù)字射線檢測技術(shù)得到的圖像灰度級動態(tài)范圍大,比膠片有更好的空間分辨率和對比度。數(shù)字化影像邊緣銳利清晰,能夠更清晰地體現(xiàn)細(xì)微結(jié)構(gòu),成像質(zhì)量更高,而且可以實現(xiàn)豐富的圖像后處理功能,從而能夠獲得滿意的診斷效果[4]。

數(shù)字射線檢測中的噪聲主要是結(jié)構(gòu)噪聲,數(shù)字射線檢測前需要對平板探測器進行暗場校正、增益校正和壞像素校正[5],有效消除大部分噪聲。相比之下,數(shù)字射線檢測技術(shù)的信噪比優(yōu)于常規(guī)射線檢測技術(shù)。

③ 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

在超聲導(dǎo)波檢測中,將含低頻率傳感器陣列的檢測環(huán)覆蓋管道的圓周,根據(jù)待檢管道管徑的不同,檢測環(huán)寬度約為15～30 cm,由傳感器陣列產(chǎn)生的軸向均勻的超聲導(dǎo)波沿著管道向傳感器陣列前后進行遠(yuǎn)距離傳播,其傳播主要依賴于超聲導(dǎo)波的頻率和管道材料的厚度。超聲導(dǎo)波遇到管道壁厚發(fā)生變化的位置時,無論壁厚增加還是減小,均會有一定比例的超聲導(dǎo)波被反射回傳感器陣列。當(dāng)反射的超聲導(dǎo)波曲線是對稱的,說明壁厚發(fā)生變化的位置不是缺陷,可能是正常的環(huán)焊縫;當(dāng)反射的超聲導(dǎo)波曲線不對稱,說明壁厚發(fā)生變化的位置是缺陷。結(jié)合特定頻率下超聲導(dǎo)波的傳播速度,能準(zhǔn)確地計算出該回波起源(缺陷位置)與傳感器陣列間的距離,從而實現(xiàn)管道缺陷的定位[6]。

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)常用于快速檢測內(nèi)部和外部腐蝕及其他缺陷,可以快速檢測難以介入的長距離管道的腐蝕或缺陷,檢測范圍為:穿路套管、架空管道、低溫管道等。

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)最大的優(yōu)勢是可以進行長距離檢測,對于架空燃?xì)夤艿罊z測距離為100 m左右,對于埋地燃?xì)夤艿栏鶕?jù)防腐層類型不同,檢測距離約為15～30 m,其中瀝青防腐層對超聲導(dǎo)波衰減影響較大,檢測距離最短。超聲導(dǎo)波可以檢測大面積腐蝕和局部腐蝕,可以檢測環(huán)向裂紋,但對軸向裂紋的檢出率較低。

④ 3種檢測技術(shù)對比

超聲相控陣檢測技術(shù)、數(shù)字射線檢測技術(shù)和超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的對比見表1。

表1 超聲相控陣檢測技術(shù)、數(shù)字射線檢測技術(shù)和超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的對比

由表1可知,3種檢測技術(shù)中,只有超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)可以進行長距離管道本體檢測;數(shù)字射線檢測技術(shù)是唯一有輻射危害的檢測方法,因此無法適用于小區(qū)內(nèi)管道的檢測;3種技術(shù)都具備圖像存儲功能;超聲相控陣檢測技術(shù)可以結(jié)合圖像直接給出檢測結(jié)果,數(shù)字射線檢測技術(shù)和超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)則需要對圖像進行進一步處理后得出結(jié)果。

3 PE管道焊接接頭缺陷檢測

① 電熔接頭檢測技術(shù)

應(yīng)用于PE管道電熔接頭缺陷檢測的方法主要有超聲相控陣檢測技術(shù)和數(shù)字射線檢測技術(shù)。委托某公司加工了過焊、冷焊、夾雜、氧化皮未刮4類缺陷試件,并采用這2種檢測技術(shù)分別進行檢測。

a.過焊

圖4為電熔接頭過焊試樣的檢測結(jié)果。超聲相控陣檢測圖像顯示特征線與電阻絲的距離過大,確定為過焊缺陷;數(shù)字射線檢測圖像未見異常。

圖4 電熔接頭過焊試樣檢測結(jié)果

b.冷焊

圖5為電熔接頭冷焊試樣的檢測結(jié)果。超聲相控陣檢測圖像顯示特征線與電阻絲的距離過小,確定為冷焊缺陷;數(shù)字射線檢測圖像未見異常。

圖5 電熔接頭冷焊試樣檢測結(jié)果

c.金屬物夾雜

圖6為電熔接頭銅片夾雜試樣檢測結(jié)果。超聲相控陣檢測圖像顯示有金屬物夾雜;數(shù)字射線檢測圖像有很直觀的金屬物夾雜。

圖6 電熔接頭銅片夾雜試樣檢測結(jié)果

d.氧化皮未刮

圖7為電熔接頭氧化皮未刮試樣檢測結(jié)果。超聲相控陣檢測圖像顯示電阻絲不連續(xù),呈斷續(xù)現(xiàn)象;數(shù)字射線檢測圖像未見異常。

圖7 電熔接頭氧化皮未刮試樣檢測結(jié)果

綜上,超聲相控陣檢測技術(shù)和數(shù)字射線檢測技術(shù)對PE電熔接頭缺陷檢測結(jié)果見表2。

表2 PE電熔接頭缺陷檢測結(jié)果對比

② 熱熔接頭檢測技術(shù)

韓光明等[7]提出PE熱熔接頭的“未充分熔合”缺陷概念,未充分熔合缺陷主要成因是過焊和冷焊,并通過試驗證明A型超聲波、超聲波衍射時間差法(TOFD)、超聲相控陣等超聲波檢測技術(shù),都不具備檢測PE管道熱熔接頭未充分熔合缺陷的條件。

微波檢測技術(shù)正逐漸進入HDPE(高密度聚乙烯)管道檢測的視野,微波能夠有效地穿透介電材料。介電材料中存在任何異常都會導(dǎo)致該處材料介電性能變化,而微波對介電性能的變化非常敏感,因此微波對微小的未充分熔合和夾雜等缺陷都有非常高的檢測靈敏度。車飛等[8]對某城市燃?xì)夤艿腊惭b現(xiàn)場的PE管熱熔接頭進行了微波檢測,并對其中1處焊縫微波檢測結(jié)果表征的異常位置進行了破壞性試驗,微波檢測結(jié)果與破壞性試驗結(jié)果吻合度較高。

目前國際上已有微波檢測應(yīng)用于PE管道熱熔接頭的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)方面,2023年初,北京市特種設(shè)備檢驗檢測研究院組織召開了北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《聚乙烯管道熱熔對接接頭微波無損檢測質(zhì)量控制要求》預(yù)審會,該地方標(biāo)準(zhǔn)針對北京市聚乙烯燃?xì)夤艿罒崛劢宇^的實際情況,首次提出了聚乙烯管道熱熔接頭的微波無損檢測質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),并為聚乙烯管道熱熔接頭的質(zhì)量檢測與評判提供了方法與準(zhǔn)則。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)成熟后,微波檢測技術(shù)將能夠更廣泛地應(yīng)用于PE燃?xì)夤艿赖馁|(zhì)量檢測中。

針對熱熔接頭夾雜缺陷,制作了銅片夾雜和紙片夾雜兩種缺陷試樣,分別用超聲相控陣檢測技術(shù)和數(shù)字射線檢測技術(shù)進行檢測和對比。

a.銅片夾雜

圖8為熱熔接頭銅片夾雜試樣檢測結(jié)果,超聲相控陣檢測圖像顯示有夾雜缺陷,數(shù)字射線檢測圖像有很直觀的夾雜顯示。

圖8 熱熔接頭銅片夾雜試樣檢測結(jié)果

b.紙片夾雜

圖9為熱熔接頭紙片夾雜試樣檢測結(jié)果,超聲相控陣檢測圖像顯示有夾雜缺陷,數(shù)字射線圖像未見異常。

圖9 熱熔接頭紙片夾雜試樣檢測結(jié)果

可見,對于金屬物和非金屬物夾雜,超聲相控陣檢測技術(shù)都具有良好的檢測效果,而數(shù)字射線檢測技術(shù)只能檢出金屬物夾雜缺陷。

4 結(jié)論

① 超聲相控陣檢測技術(shù)可以用于鋼質(zhì)管道焊縫檢測和PE管道電熔接頭檢測,可有效檢測出鋼質(zhì)管道焊縫和PE管道電熔接頭中各類缺陷,可以檢測出PE管道熱熔接頭中的金屬物和非金屬物夾雜缺陷。

② 數(shù)字射線檢測技術(shù)可以有效檢測出鋼質(zhì)管道焊縫中各種缺陷,可以檢測出PE管道電熔接頭和熱熔接頭中金屬物夾雜缺陷。

③ 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)能夠進行快速、長距離鋼質(zhì)管道管體缺陷檢測,但無法有效識別焊縫中的缺陷。

④ 微波技術(shù)能夠有效檢測出PE管道熱熔接頭中的未充分熔合、夾雜等缺陷,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定將有效推進微波檢測技術(shù)的使用。