宋耀民 陳 銘 李涌泉 種道聽

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 國家市場(chǎng)監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（煉油與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控） 北京 100029）

近年來,隨著石化企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)、不停機(jī)檢驗(yàn)的需求上升,一些常規(guī)檢測(cè)技術(shù)已無法滿足要求,例如常規(guī)超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)等基本都受制于設(shè)備運(yùn)行工況無法進(jìn)行在線檢測(cè)。然而隨著科技的發(fā)展,很多針對(duì)承壓設(shè)備在線運(yùn)行情況下的新技術(shù)、新方法應(yīng)運(yùn)而生,例如聲發(fā)射檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)、脈沖渦流檢測(cè)、超聲導(dǎo)波檢測(cè)、數(shù)字平板成像等,而且這些技術(shù)也在不斷改進(jìn),適用的工況越來越多,應(yīng)用效果也越來越好。這些在線檢測(cè)新技術(shù)能夠滿足檢驗(yàn)有效性要求,在設(shè)備開車階段提前預(yù)判存在的缺陷性質(zhì)和缺陷位置,既可以為設(shè)備停機(jī)修復(fù)缺陷節(jié)省時(shí)間,又可以為裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)控制建立一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 在線檢測(cè)技術(shù)

目前,聲發(fā)射檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)、脈沖渦流檢測(cè)、平衡場(chǎng)渦流檢測(cè)、陣列渦流檢測(cè)、超聲導(dǎo)波檢測(cè)及數(shù)字平板成像這7 種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于在線檢測(cè)項(xiàng)目,比如吳建平等人對(duì)在線運(yùn)行的工業(yè)管道進(jìn)行了電磁超聲測(cè)厚、脈沖渦流測(cè)厚以及數(shù)字射線檢測(cè),解決了化工裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行與工業(yè)管道定期檢驗(yàn)突出矛盾的關(guān)鍵問題[1]；譚清等人對(duì)工業(yè)管道進(jìn)行了超聲導(dǎo)波、脈沖渦流和電磁超聲檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)在役工業(yè)管道腐蝕缺陷的有效快速檢測(cè)[2]；王彥濤采用陣列渦流技術(shù)和超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)石油管道進(jìn)行檢測(cè),可以發(fā)現(xiàn)裂紋、減薄等問題,降低管道在線運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)[3]；馬金足等人采用聲發(fā)射技術(shù)和超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)原油儲(chǔ)罐進(jìn)行了在線檢測(cè),能有效降低儲(chǔ)罐長(zhǎng)周期運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)隱患[4]。本文重點(diǎn)對(duì)上述7 種在線檢測(cè)技術(shù)的原理及特點(diǎn)進(jìn)行介紹,歸納總結(jié)7 種在線檢測(cè)方法對(duì)石化成套裝置中不同失效模式的壓力容器、工業(yè)管道的適用性。

1.1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

聲發(fā)射是指材料在內(nèi)力或外力的作用下發(fā)生變形、斷裂時(shí),以瞬態(tài)彈性波形式釋放出應(yīng)變能的現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測(cè)正是通過儀器采用傳感器將材料釋放的彈性波轉(zhuǎn)化為聲發(fā)射信號(hào),然后把聲發(fā)射信號(hào)放大、處理,通過對(duì)觀察到的聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行分析判斷,最終獲得聲發(fā)射源的產(chǎn)生部位,進(jìn)而了解被檢設(shè)備的使用狀況。

相比其他無損檢測(cè)技術(shù),聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種在線的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法,適用于被檢設(shè)備在線運(yùn)行工況。聲發(fā)射檢測(cè)不但能夠給出缺陷隨著載荷、時(shí)間等參數(shù)變化的實(shí)時(shí)信息,而且對(duì)材料的表面裂紋、近表面裂紋等活性缺陷比較敏感。但是,聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)環(huán)境的要求也較高,特別是噪聲的干擾影響信號(hào)的采集[5]。

白春動(dòng)等人采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)在用管道進(jìn)行了腐蝕檢測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明聲發(fā)射技術(shù)可根據(jù)信號(hào)類型、頻譜特征、能量比例,檢測(cè)到在用管道初期腐蝕、加速腐蝕、平穩(wěn)腐蝕3 個(gè)階段,可為在用輸氣管道腐蝕狀態(tài)的安全評(píng)估提供理論依據(jù)[6]；李曉朋等人對(duì)球罐進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果表明聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在大型球罐無損檢測(cè)領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)球罐結(jié)構(gòu)安全性能的整體評(píng)估[7]。

1.2 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)

電磁超聲檢測(cè)技術(shù)是通過換能器激發(fā)和接收超聲波的技術(shù),其基本過程是探頭放置于材料上,超聲波頻率的交流電進(jìn)入探頭線圈,通電的線圈在被測(cè)材料內(nèi)感應(yīng)出渦流,在外加磁場(chǎng)的作用下渦流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與渦流頻率相同的洛倫茲力,然后引起被測(cè)材料的局部振動(dòng)而形成超聲波。以上是非鐵磁性導(dǎo)電材料的電磁超聲檢測(cè)過程,對(duì)于鐵磁性導(dǎo)電材料的檢測(cè),除了受到洛倫茲力的影響,同時(shí)還受到磁致伸縮效應(yīng)的影響[8]。

相對(duì)于傳統(tǒng)的超聲波測(cè)厚技術(shù),該技術(shù)的特點(diǎn)是不需要專用的耦合劑,同時(shí)也不需要對(duì)帶有漆層的被檢設(shè)備表面進(jìn)行打磨清理,特別是對(duì)在高溫環(huán)境服役的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)時(shí),檢驗(yàn)有效性也很高。

張鈺等人在催化重整裝置采用了電磁超聲測(cè)厚技術(shù),結(jié)果表明電磁超聲測(cè)厚技術(shù)在高溫、在線、不停機(jī)檢測(cè)中有著廣闊的應(yīng)用前景,并且可以提升檢驗(yàn)的效率和質(zhì)量,比傳統(tǒng)方法具有更強(qiáng)的精準(zhǔn)性和使用價(jià)值[9]；張永濤采用電磁超聲技術(shù)對(duì)壓力容器進(jìn)行測(cè)厚,測(cè)試表明電磁超聲測(cè)厚技術(shù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,檢測(cè)效率高,可以廣泛應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備領(lǐng)域的檢測(cè)工作[10]。

1.3 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是渦流檢測(cè)的一種,與其他渦流檢測(cè)的不同之處是其激勵(lì)信號(hào)中包含寬頻帶的脈沖或躍變波形。其基本原理是采用寬頻脈沖來激勵(lì)線圈,讓線圈產(chǎn)生一個(gè)急劇減小的磁場(chǎng),由于電磁感應(yīng)定律的作用,被檢工件表面感應(yīng)出瞬時(shí)渦流,隨著時(shí)間的推移,瞬時(shí)渦流慢慢衰減擴(kuò)散,由渦流衰減產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化被線圈接收轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電壓的變化。然后可以通過感應(yīng)電壓值的變化得出缺陷的位置和大小[11]。

脈沖渦流檢測(cè)可以不拆絕熱層,可用于不同的溫度工況,不需要耦合劑,特別是對(duì)于一些外表面是保冷材料的設(shè)備,可以大大節(jié)省檢驗(yàn)費(fèi)用。另外,該技術(shù)現(xiàn)在不只用于鐵磁性材料,也可以應(yīng)用于一些不銹鋼材料的檢測(cè)。

郭宏亮等人對(duì)氨制冷系統(tǒng)壓力容器及壓力管道等承壓設(shè)備進(jìn)行了脈沖渦流檢測(cè),結(jié)果表明脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)低壓側(cè)保溫設(shè)備的腐蝕檢測(cè),可以為氨制冷系統(tǒng)承壓設(shè)備的在線檢測(cè)提供技術(shù)支持[12]；徐俊橋等人采用脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)工業(yè)管道進(jìn)行了腐蝕檢測(cè),通過實(shí)際的檢測(cè)案例證實(shí)了脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)針對(duì)工業(yè)管道腐蝕缺陷具有非常良好的檢測(cè)能力,值得后續(xù)進(jìn)行大力推廣[13]。

1.4 平衡場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)

平衡場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)也是渦流檢測(cè)技術(shù)之一,可用于承壓設(shè)備在線運(yùn)行的情況下檢測(cè)其焊接接頭及母材的裂紋缺陷,而且可以定量給出裂紋的深度及長(zhǎng)度。采用平衡場(chǎng)渦流檢測(cè)時(shí)同樣不需要耦合劑,不需要對(duì)設(shè)備表面的漆層或鍍層進(jìn)行打磨,只需對(duì)檢測(cè)表面進(jìn)行少許的清理,而且可以在操作溫度為300 ℃條件下,檢測(cè)出設(shè)備表面及內(nèi)部12 mm 處的缺陷。另外,該技術(shù)對(duì)于檢測(cè)不銹鋼材料同樣適用。

1.5 陣列渦流檢測(cè)技術(shù)

陣列渦流檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)相比,其工作原理基本是一樣的,主要的不同點(diǎn)在于陣列渦流的探頭是由多個(gè)獨(dú)立的線圈構(gòu)成,包括激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈,這兩種線圈以一種特殊的陣列排布方式形成了方向相互垂直的電磁場(chǎng),更有利于多方向線性缺陷的檢測(cè)。另外操作時(shí)不需要使用機(jī)械探頭,只需按照程序?qū)㈥嚵袉卧M(jìn)行實(shí)時(shí)/分時(shí)切換,然后對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行處理即可。陣列渦流檢測(cè)技術(shù)適用于被檢設(shè)備表面缺陷的檢測(cè),而且不需要打磨表面,掃查區(qū)域大,靈敏度高,檢測(cè)效率高,同時(shí)還可以測(cè)出一些裂紋的長(zhǎng)度和深度[14]。

劉文鎖采用陣列渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)球罐進(jìn)行了在線檢測(cè),證明了陣列渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)球罐近表面缺陷檢測(cè)的有效性和可行性[15]；李軼名等人對(duì)工業(yè)管道進(jìn)行了陣列渦流檢測(cè),結(jié)果表明該檢測(cè)技術(shù)可以在工業(yè)管道高精度檢測(cè)中推廣應(yīng)用[16]。

1.6 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)與傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)技術(shù)不同,其工作原理是利用探頭激勵(lì)出低頻的導(dǎo)波,導(dǎo)波以一定速度在被檢設(shè)備中傳播,當(dāng)傳播過程中遇到不連續(xù)部位（局部腐蝕坑、裂紋、變形部位）時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的反射波,然后反射波被探頭接收,通過激勵(lì)和接收的時(shí)間差,給出被檢設(shè)備缺陷的位置。超聲導(dǎo)波檢測(cè)的特點(diǎn)是在高溫或者低溫的工況下,可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的檢驗(yàn),只需拆除少量的絕熱層,特別是對(duì)被檢設(shè)備內(nèi)外表面的局部腐蝕檢驗(yàn)有效性較高[17]。

周默研究了超聲導(dǎo)波檢測(cè)在石化設(shè)備中的應(yīng)用情況,發(fā)現(xiàn)超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)對(duì)于石化設(shè)備的腐蝕缺陷可實(shí)現(xiàn)高效快速的掃查[18]；武建偉對(duì)管道采用了超聲導(dǎo)波檢測(cè),對(duì)超聲導(dǎo)波在管道檢測(cè)中的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析,指導(dǎo)其在管道檢測(cè)中更好的應(yīng)用[19]。

1.7 數(shù)字平板成像技術(shù)

數(shù)字平板成像技術(shù)主要就是將被檢測(cè)材料的內(nèi)部質(zhì)量情況轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存或還原顯示出來。其工作原理是射線機(jī)根據(jù)透照厚度選擇管電壓,然后在計(jì)算機(jī)上根據(jù)透照厚度選擇開窗時(shí)間、曝光量,待射線機(jī)高壓開啟后,通過路由器傳遞信號(hào)給數(shù)字平板探測(cè)器進(jìn)行數(shù)字圖像采集,采集的圖像通過路由器傳輸給計(jì)算機(jī)編輯顯示出來[20]。

數(shù)字平板成像技術(shù)成像速度快、工作效率高,觀察方便,無須沖洗膠片,檢測(cè)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)即可評(píng)定,所成圖像的靈敏度高、清晰細(xì)膩、分辨率高。特別是對(duì)于在線運(yùn)行的承壓設(shè)備,可以在不拆絕熱層的條件下對(duì)一些介質(zhì)為氣體或液體的承壓設(shè)備均可以采用該技術(shù)。

劉書宏等人對(duì)某化工裝置的夾套內(nèi)管進(jìn)行了數(shù)字射線檢測(cè),通過優(yōu)化檢測(cè)工藝和應(yīng)用圖像處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)管的厚度測(cè)量和缺陷檢測(cè),檢測(cè)質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[21]；張國強(qiáng)等人采用數(shù)字射線技術(shù)對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿肋M(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果顯示數(shù)字射線能夠?qū)垡蚁┕艿篮附尤毕葸M(jìn)行有效識(shí)別[22]。

綜上所述,近幾年這幾種在線檢測(cè)技術(shù)已在不同石化裝置的壓力容器和壓力管道上得到了廣泛的應(yīng)用,既可以有效地發(fā)現(xiàn)壓力容器和壓力管道常見的腐蝕減薄、表面缺陷、埋藏缺陷等問題,也可以采用不用的組合方法對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行復(fù)驗(yàn)確認(rèn)。

2 承壓設(shè)備在線檢測(cè)新技術(shù)的選擇

GB/T 30579—2022《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》將承壓設(shè)備的損傷模式分為五大類,包括腐蝕減薄、環(huán)境開裂、機(jī)械損傷、材質(zhì)劣化和其他損傷,本文給出了腐蝕減薄、環(huán)境開裂兩種損傷類別下石化成套裝置中壓力容器和工業(yè)管道在線檢測(cè)技術(shù)的選擇建議,見表1。

表1 兩種損傷類別下壓力容器和工業(yè)管道在線檢測(cè)新技術(shù)的選擇建議

通過表1 可以看出,無論是壓力容器還是工業(yè)管道,在腐蝕減薄和環(huán)境開裂兩種損傷類別下都有多種在線檢測(cè)技術(shù)可以選擇,所以針對(duì)不同的服役工況選擇適當(dāng)?shù)脑诰€檢測(cè)方法尤為關(guān)鍵,既能省時(shí)省力地完成檢測(cè),又能有效地降低承壓設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)水平。

3 結(jié)束語

1）對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)、脈沖渦流檢測(cè)、平衡場(chǎng)渦流檢測(cè)、陣列渦流檢測(cè)、超聲導(dǎo)波檢測(cè)及數(shù)字平板成像7 種在線檢測(cè)新技術(shù)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹,可以有效發(fā)現(xiàn)石化成套裝置中壓力容器和壓力管道常見的腐蝕減薄、表面缺陷、埋藏缺陷等問題,應(yīng)用值得推廣。

2）結(jié)合承壓設(shè)備的實(shí)際服役工況,7 種在線檢測(cè)新技術(shù)在運(yùn)用中也存在一些限制,給出了腐蝕減薄、環(huán)境開裂兩種損傷類別下石化成套裝置中壓力容器、工業(yè)管道在線檢測(cè)技術(shù)的選擇建議。

3）建議在線檢測(cè)技術(shù)和RBI（基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)）技術(shù)相結(jié)合,在滿足檢驗(yàn)有效性的前提下,可以實(shí)現(xiàn)石化成套裝置中壓力容器、工業(yè)管道不停機(jī)檢驗(yàn)代替停機(jī)檢驗(yàn)。