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(1.中国特种设备检测研究院，北京 100028；2.北京工业大学，北京 100124；3.青海油田格尔木炼油厂，青海格尔木 816000；4.中特检管道工程(北京)有限公司，北京 100028) 摘要：由于绝大多数工业管道输送有毒、易燃、腐蚀等介质，一旦失效后果严重。文中通过简要分析在用工业管道定期检验的主要内容及存在问题，从传统无损检测技术的缺点出发，对超声导波(低频、高频)、高温测厚、超声相控阵、超声C扫描和三维激光扫描等检测新技术的基本原理、主要设备和检测方法进行了阐述，并以工程实例进行论证，为这些技术在工业管道全面检验工作中的应用提供参考。 关键词：工业管道；定期检验；无损检测 0 引言工业管道是在一定温度和压力下，用于输送工业生产中的气体、液体等工业介质的特种设备，广泛应用到石油、冶金、化工等领域，是生产制作各种产品过程中所需的工艺管道及其他辅助管道[1]。 截止2014年底，我国拥有各类压力管道约92.47万km，其中工业管道约21万km。[2] 与长输管道和公用管道相比，工业管道的生产制作用元件种类和工艺流程种类多，而所输送的介质种类繁多且工作条件较严苛，因此更容易出现各类本体缺陷和失效。[3] 输送可燃介质的管道若发生泄漏，可燃介质会立即与空气混合并达到爆炸极限，如遇到火源即可导致二次爆炸燃烧等连锁反应[4]。同时，由于是在压力状态下运行，管道内部介质又有可能是有毒、有腐蚀性的，一旦管道内部介质外漏，将进一步造成危害。 1 工业管道定期检验的主要内容及存在问题为确保工业管道运行的安全，需对投入运行的管道进行定期检验。根据国质检锅[2003]108号《在用工业管道定期检验规程》(试行)规定，在用工业管道定期检验分为不停止运行的在线检验和停止运行后的全面检验。 在线检验是检验运行管道是否存在影响安全的异常情况，一般以宏观检查和安全保护装置为主，必要时进行测厚检查和电阻值测量。[5]全面检验是按一定周期在工业管道停运期间进行的较全面的检验，一般进行外观检查、无损检测、理化检验、应力分析、强度校验、电阻值测量等内容。[6] 传统无损检测技术在现场检验中存在缺点，如超声波测厚需要将管道防腐层打磨去除，而且逐点测量效率较低，基本上是进行局部抽查，无法对整条管道进行检测，不能对存在的缺陷进行精确的定性和定量分析，且检测结果无直接见证记录；射线检测需要逐点拍片，如管道内存在液体介质，则无法进行，检测时还需要周围环境和人员进行防护；磁粉检测只能检测磁性材料管道，而且只能发现表层或者近表层出现的裂口，检测深度小；渗透检测只能检测开口暴露于表面的缺陷。 2 工业管道定期检验无损检测新技术介绍2.1 超声导波检测技术 超声导波检测技术主要采用脉冲-回波的方法，其工作原理是在管道某一位置放置1个由1个或多个传感器探头组成传感器，利用此传感器在管壁中激励产生某一频率的导波，导波沿管壁轴向传播，当导波传输前方遇到管道环截面减少(如腐蚀造成的局部减薄或点蚀)时，会反射导波。利用传感器接收这些回波，通过相关的分析与计算确定缺陷在管道轴向方向的位置。 目前，管道腐蚀超声导波方法主要有两种，分别为低频导波和高频导波。低频导波检测原理如图1所示，激励的导波频率在30～100 kHz之间，在管道上安放传感器环，可实现长距离、360°向范围内管道腐蚀的100%检测，最长一次可检测200 m管线的腐蚀情况，但该方法导波激励频率低，波长长，检测精度相对低，目前的国内外相关检测仪器的检测精度为管道横截面积的2%。该技术在工业管道定期检验中主要用于检测传统检测方式无法到达的位置，如上塔管线和入地管线。  图1 长距离低频导波检测原理图 高频导波采用单个传感器激励，在管道内激励波束对腐蚀进行检测，激励的导波频率在1 MHz以上，波长短，检测精度高，但检测距离短，一般在1 m左右。该方法又分为纵向检测方法和周向检测方法。超声导波技术目前主要应用于管道管托支架、短管、弯头等重点管段的检测。 中国特种设备检测研究院近期对某石化企业液态烃管线一处管架位置进行高频导波腐蚀检测，管道规格为Φ273×8 mm，采用周向激励的方式进行检测，在距离探头周向距离205 mm和396 mm处各有2处缺陷回波，缺陷呈条状，长度约为支架长度。通过现场的割管验证，发现缺陷点1位置产生较大腐蚀，腐蚀最大深度为1.7 mm，减薄21%；缺陷点2位置也产生腐蚀，最大深度为2.0 mm，减薄25%。 2.2 高温测厚技术 超声波测厚一般只能在常温(0～50 ℃)范围下进行。高温测厚主要困难是高温使探头压电晶片的压电特性显著变差，即使探头变冷后，也不能重新恢复原有电声转换效率，造成仪器损坏。 EMAT在线不停车检测技术可检测600 ℃高温管线的残余厚度，只需局部去除保温层，无需对管道外表面进行打磨处理，无需涂抹耦合剂，无需停机，就可在线测量壁厚，获知该管段局部腐蚀情况。主要原理是将EMAT探头置于待测材料上，超声波频率的交流电传入EMAT线圈，通电线圈会在导电材料内感应出电流，即涡流，由于集肤效应，涡流分布于材料表面，涡流在外加磁场的作用下产生洛仑兹力，引起被测材料的局部振动而形成弹性波，接收声波的原理即为上述的逆过程。[7] 另外，EMAT技术在使用时需考虑温度补偿问题。碳钢、不锈钢和合金钢的膨胀系数不同。温度的提高致使构件内部发生变化，因此声波的传递速度也随之变化。通过高温状态下的多次实验，同种材料受温度的影响，每升高55 ℃测量数据比实际值增加1%。表1是利用EMAT技术对某石化厂催化装置高压泵进出口弯头壁厚测定修正的情况。 表1 高温测厚结果  检测部位操作温度/℃材质设计壁厚/mm测量数据/mm修正结果/mmP210A出口弯头34820#Φ89×76．9/6．9/6．86．5P210B出口弯头34820#Φ89×77．3/7．3/7．46．9P209A入口弯头34820#Φ356×119．4/9．6/9．490 2.3 超声相控阵技术 超声相控阵成像是通过控制阵列换能器中的各个阵元的激励与接收脉冲的时间延迟，从而改变各个阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而完成相控阵波束合成，形成成像扫描。 相控阵探头由许多独立的晶片构成，每个晶片都能被单独激发。这些探头由特殊的装置驱动，能够在每个通道独立地、同步地发射和接收信号。超声相控阵的一个重要特性就是可以通过软件来改变超声波束的特性。另外扫查角度范围、聚焦深度和焦点尺寸等也都能通过软件控制。因而在一定程度上克服了常规超声由于声束的方向性造成的在缺陷检出和定量上的限制，其原理如图2所示。  (a)波束偏转  (b)波束聚焦 图2 相控阵波束偏转、聚焦示意图 中国特种设备检测研究院对超声相控阵技术在工业管道检验中的运用比较成功的是对高强螺栓的检测。螺栓超声相控阵检测是把相控阵检测专用探头放置在螺栓的两端，进行完全耦合，为了确保探头的声场能全覆盖不锈钢螺栓本体，相控阵的声场波束需要设置一定的角度。 2.4 超声C扫描检测 超声C型扫描显示，简称C扫，即特定深度扫描模式，其原理如图3所示。C扫是用发射探头(由高频电脉冲激发换能器)向被检构件内部发射超声波，用接收探头(换能器)接收从缺陷处发射回来或穿透过被检构件的超声波，并将其在仪表上显示出来，通过观察与分析反射波或透射波的延时与衰减情况，即可得出构件内部是否有缺陷以及缺陷的位置、大小和性质等方面的信息，对被检材料的内部质量作出正确的评价和解释[8]。  图3 超声波C扫描测试示意图 相比于低频导波及相控阵等超声波检测，超声 C扫描技术具有不需对管壁涂层打磨、易操作(自动沿壁爬动)、性价比高的特点，便于实现对管道内腐蚀的成像，因此，超声C扫描技术在工业管道定期检验中可用于管壁涂层无法打磨的管道检测。表2为超声C扫描与其他检测技术的对比。 表2 超声C扫描与其他检测技术的对比  检测技术优点缺点低频导波、漏磁等便于携带、检测距离远、100%覆盖不易捕获点蚀，误差大，不能确定内腐蚀，经济性受打磨、停输影响超声C扫描腐蚀检测携带方便、检测面大、数据量大、准确仪器精密、定期保养、操作复杂 利用超声C扫技术对某石化空冷管道弯头进行检测，弯头规格为Φ325×10 mm，材质为20号钢，输送介质为石脑油，检测仪器型号为ISONIC2006，选用耦合剂为CG-88型，选用试块为CBⅠ型，灵敏度设置为B5 80%，探头频率选择5 MHz，晶片尺寸为双晶Φ10。对弯头127 mm ×120 mm的范围内壁厚进行检测，发现多个位置有明显厚度差，最小壁厚5.49 mm，图4为C扫描检测结果图谱。 2.5 三维激光扫描技术 单线图绘制是在用工业管道定期检验工作开展的基础，现阶段单线图绘制存在劳动强度大且效率低的问题。中国特种设备检测研究院根据单线图绘制的特点，开发了三维激光扫描系统，主要是由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜射向目标，然后由探测器接收反射回来的信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息，经过软件处理实现实体建模。利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型时，不同的应用对象、不同点云数据的特性， 三维激光扫描数据处理  图4 C扫描检测结果图谱 的过程和方法也不相同。整个数据处理过程包括数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化。图5为利用三维激光扫描技术形成的三维模型和利用逆向工程自动生成的单线图。  (a)三维模型(b)单线图 3 结束语简要地对超声导波(低频、高频)、高温测厚技术、超声相控阵检测、超声C扫描检测和三维激光扫描等技术进行了介绍。对于在用工业管道的定期检验，检验人员在应用传统无损检测技术的基础上，充分分析、利用各种新技术的特点与优势，使得新技术全面而有效地用于在用工业管道的全面检验，充分保证工业管道安全运行。 参考文献： [1] 赵志国.工业管道无损检测技术分析[J].黑龙江科技信息,2013(5):32. [2] 国家质检总局关于2014年全国特种设备安全状况情况的通报.中国特种设备安全，2015,31(5):1-5. [3] 雒新宇.在用工业管道腐蚀的漏磁外检测技术研究[D].保定：河北大学,2014. [4] 李光海,沈功田,李鹤年，等.工业管道无损检测技术[J].无损检测,2006,28(2):89-93. [5] 康亚琴.在用工业管道检验及缺陷处理[J].门窗,2014(8)：358. [6] 雷玉兰.新型无损检测技术在压力管道在线检测中的应用研究[J].科技资讯,2012(23):1. [7] 齐水宝，高会栋，徐延稳，等.电磁超声高温测厚原理及应用案例[J].无损检测,2008,30(8)：520-521；546. [8] 师江.某石墨环的超声波C扫描检测研究[D].太原：中北大学,2012. New Nondestructive Testing Method for the Industrial Piping Periodical Inspection ZHANG Hua1，2, YANG Hai-xia3, TANG Huai-qing3, LIN Hai-chun4, HE Ren-yang1 (1.China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100028, China;2. Beijing University of Technology，Beijing 100124, China;3. Geermu Refinery of Qinghai Oilfield, Geermu 816000, China；4. Zhong Te Jian Pipeline Engineering(Beijing)Co. ，Ltd., Beijing 100028, China) Abstract： Because the majority of industrial pipeline transport is toxic, flammable and has corrosive mediums, once fail, the consequences are serious. The main contents and existing problems of in-use industrial piping were briefly analyzed. Based on defect of the traditional NDT technique, the basic principle, main equipments and measures of new techniques including the ultrasonic guided waves(low frequency, high frequency), the high-temperature measuring technology, the ultrasonic phased array inspection ,the ultrasonic C-scan and the 3D laser scanning imaging system were introduced. In order to provide relevant reference and technical support for the periodical inspection of industrial piping, main applications and engineering examples were also discussed. |
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