高溫管道在線不停輸檢驗技術(shù)研究

吳 剛　羅曉明　張建華　左延田

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

高溫管道在線不停輸檢驗技術(shù)研究

吳 剛*羅曉明張建華左延田

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

摘要在壓力管道在役檢驗領(lǐng)域，超聲檢測技術(shù)作為重要的檢測手段已得到廣泛應(yīng)用。隨著溫度的變化，材料中超聲波的聲速、聲壓也會發(fā)生變化，掌握溫度對超聲波參數(shù)的影響規(guī)律，對高溫狀態(tài)下超聲檢測具有重要意義。討論了在50~250℃溫度之間，超聲橫波速度隨溫度變化的規(guī)律。研制了專門用于高溫檢測的超聲橫波斜探頭。通過試驗，給出了橫波速度隨溫度變化的關(guān)系，用以修正不同溫度下缺陷的實際位置和缺陷的尺寸大小。

關(guān)鍵詞高溫橫波聲速衰減補償管道焊縫超聲檢測

在用壓力管道，尤其是一些無法進行停輸檢驗的管道，往往存在著各種焊接缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷或使用時產(chǎn)生的裂紋等。高溫狀態(tài)下超聲檢測技術(shù)就是一種檢測在用管道埋藏缺陷較適用的方法。

1　高溫狀態(tài)下超聲檢測的特點

超聲檢測通常都是在常溫下進行的。在高溫狀態(tài)下，超聲波的傳播、衰減等物理性質(zhì)通常不同于常溫狀態(tài)，因而超聲波檢測常常發(fā)生困難。在高溫狀態(tài)下，超聲檢測實施的關(guān)鍵在于聲耦合、聲衰減、聲路徑的控制。這就需要對探頭壓電材料和楔塊、耦合劑、衰減等影響檢測靈敏度和檢測精度的因素進行研究。

2　溫度對超聲波衰減的影響

就脈沖反射式超聲波探傷儀的原理來說，回波高度H與回波聲壓P成正比，即根據(jù)反射波回波高度可以測出衰減系數(shù)α。實際上一般不直接測量原始聲壓P0的回波高度，而是采用兩個不同距離x1、x2處相應(yīng)的回波高度Hl、H2的比值求解出衰減系數(shù)α。

利用半圓試塊和IIW-1A試塊 （其圓弧半徑R分別為50 mm和100 mm，材質(zhì)為Q235A），在高溫試驗臺 （裝置）上進行不同溫度下的超聲波衰減試驗，分別測試不同半徑處的回波高度，并按照式 (1)計算出在此溫度下的衰減系數(shù)α。測試結(jié)果如表1所示。

表1　衰減系數(shù)與溫度的關(guān)系

3　溫度對超聲聲速的影響

溫度不同，材料的彈性模量也不同。一般來說，彈性模量隨著溫度的升高而減小。所以，不同的溫度下，超聲波的聲速也會發(fā)生變化。隨著溫度的升高，超聲波的傳播速度降低。有文獻指出，當(dāng)鋼的溫度低于500℃時，縱波聲速隨溫度變化率平均約為0.8 m/（s·℃）；當(dāng)鋼的溫度在0~400℃范圍內(nèi)時，鋼材中橫波聲速與溫度的關(guān)系可由經(jīng)試驗擬合的經(jīng)驗式C=Cα-αT表示，式中Cα=3241 m/s，α= 0.533 3。結(jié)合鋼材縱波聲速和有機玻璃橫波聲速隨介質(zhì)溫度的變化關(guān)系來確定當(dāng)前溫度下超聲波在壓力容器或管道中的實際傳播速度，進而根據(jù)實際情況選擇當(dāng)前的橫波速度，修正高溫對聲速的影響。

3.1高溫狀態(tài)下超聲聲速測試

3.1.1高溫耦合劑選擇原則

高溫耦合劑也是高溫超聲波檢測的主要考慮因素。高溫下耦合劑的性能應(yīng)當(dāng)有以下一些特性。（1）具有較高的工作溫度區(qū)間，黏度隨溫度的變化小，具有一定的黏滯性，在高溫下不易流失且揮發(fā)性小，以利于高溫下較長時間穩(wěn)定工作；（2）耦合劑成分穩(wěn)定，高溫下較長時間工作時其物理化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化且不會對被檢管道產(chǎn)生腐蝕。我們選用的高溫耦合劑是宏達牌GW-Ⅲ型，最高使用溫度可達550℃，聲阻抗約為2.31×106kg·m2·s。

3.1.2高溫超聲傳感器的確定

關(guān)于制作高溫探頭，主要考慮如何選擇楔塊材質(zhì)。楔塊材料必須具有如下的特性：在溫度上升與時間延長的情況下，聲線彎曲變化不大，入射點位移小，角度變化小，楔塊彈塑性變化小，以避免受熱膨脹而損壞。

我們委托國內(nèi)專業(yè)超聲探頭制造企業(yè)試制晶片尺寸為7 mm×9 mm，折射角為45°、60°、70°的高溫斜探頭，其最高使用溫度均為250℃。

采用的壓電材料為鈦酸鉛 （PT），其特性是：頻率F為5.01124~5.27266 MHz，阻抗Z為0.625 8 ~330.650 Ω，品質(zhì)因數(shù)Qm為83.543 43，機電耦合系數(shù) Kt為 0.52、Kp為 0.571 3，介電常數(shù) ε為9.256 6。

斜鍥選用航空耐高溫的高分子材料，其熱傳導(dǎo)系數(shù)較大，超聲波在其中傳播的聲速接近于有機玻璃和聚乙烯中的聲速，在50~250℃范圍內(nèi)縱波聲速為2379~2543 m/s，無明顯的熱脹冷縮現(xiàn)象，可耐790℃高溫而不產(chǎn)生明顯變形。

經(jīng)試驗，試制的高溫探頭在不同的溫度和連續(xù)接觸60 s的情況下，靈敏度變化100℃時下降2 dB，200℃時下降4.5 dB，300℃時下降5.5 dB，400℃時下降7 dB。

3.1.3測試操作時間

操作時間也是造成波形變化、定位不準(zhǔn)的一個因素，所以要嚴(yán)格控制探頭熱接觸時間。一般資料介紹，接觸時間應(yīng)控制在5～10 s，讓其與對比曲線有可比性，這對于定點監(jiān)測來說是可以滿足要求的。我們研制的探頭在250℃下接觸時間為60 s時，靈敏度下降僅為5 dB。

3.1.4試驗說明

采用HS611e增強型場致高亮數(shù)字超聲波探傷儀，通過探頭芯發(fā)射5 MHz超聲縱波，縱波通過不同角度的高溫楔塊進入試樣，經(jīng)過波型轉(zhuǎn)換以橫波方式在試樣中傳播，到達半圓試樣 (半徑R50)圓弧面時發(fā)生反射，沿原路返回被超聲波探頭接收。

測量聲波來回傳播的時間t，已知聲波傳播的路程2R，則聲速可以簡單表示為：

式中R——室溫T0時的試塊半徑。

3.1.5測試結(jié)果

不同溫度下的聲速如表2所示。

不同溫度下探頭實測的折射角如表3所示。

表2　不同溫度下的聲速

表3　不同溫度下探頭實測的折射角

4　檢測試件的制備

4.1專用標(biāo)準(zhǔn)試塊的制備

選用JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試塊CSK-IA、GS-1、GS-2、GS-3、GS-4。

4.2自然缺陷樣管的制備

試驗樣管中包括根部裂紋、未焊透、邊緣未熔合和密集氣孔四種模擬自然缺陷。全部樣管均經(jīng)常溫超聲檢測以確定缺陷長度。自然缺陷樣管如圖1所示，樣管的尺寸規(guī)格見表4。

5　高溫超聲檢測試驗及結(jié)果

5.1自然缺陷試樣的高溫狀態(tài)下檢測結(jié)果

5.1.1檢測靈敏度

以標(biāo)準(zhǔn)試塊中的?2橫通孔為檢測靈敏度，作DAC曲線，深度定標(biāo)，工件與試塊間補償2～4 dB。掃查和測長靈敏度均定為?2×20-16 dB。

圖1　自然缺陷試樣

表4　自然缺陷樣管尺寸

5.1.2探頭選擇

從對比試樣的檢測結(jié)果 (見表5)可知，70°的斜探頭有較高的靈敏度。根據(jù)焊縫檢測應(yīng)盡量使超聲波方向與可能的缺陷平面垂直的原則，在這里我們考慮主要選擇60°和70°兩種探頭對試樣進行檢測。由于在250℃的狀態(tài)下折射角70°的探頭實際折射角已經(jīng)達到76.35°，表面波成分極大，已不適宜進行檢測了，故 70°的探頭應(yīng)用上限暫定為200℃。

5.1.3結(jié)果對比驗證

對15根自然缺陷試樣進行超聲檢測后，在200℃和250℃的高溫狀態(tài)下進行超聲檢測，兩種檢測結(jié)果見表5。

5.2檢測試驗說明

檢測試驗中，高溫狀態(tài)下點狀缺陷很容易被漏檢，對于較長的條狀缺陷大多可以被檢出，但波高可能會降低，缺陷的波幅和長度均會減小。

實際檢測過程中，工件表面粗糙度也對超聲檢測結(jié)果造成一定的影響。當(dāng)工件表面粗糙度較大時，探頭移動耦合不良，不但造成雜波干擾，還會因為接觸時間過長使檢測靈敏度明顯下降。一般應(yīng)在探頭接觸工件20 s內(nèi)完成波幅高度測定，且應(yīng)在60 s內(nèi)完成缺陷長度測定。

6　討論與展望

（1）采用直接接觸法進行高溫超聲波檢測時，需根據(jù)待檢設(shè)備的壁溫選擇合適的高溫傳感器和高溫耦合劑。儀器調(diào)試應(yīng)在檢測溫度下進行，按照JB/T 4730—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用GS系列試塊確定靈敏度和定位。如果在冷態(tài)下調(diào)節(jié)檢測靈敏度的話，則應(yīng)該按實際壁溫調(diào)節(jié)增益。

表5　自然缺陷試樣常溫超聲檢測結(jié)果與高溫超聲檢測結(jié)果比較

（2）高溫探頭只能在較低的溫度下連續(xù)工作，當(dāng)溫度較高時必須間歇工作。在超聲檢測中，給缺陷準(zhǔn)確定位和定量都是以找到缺陷的最高回波為準(zhǔn)。但對高溫超聲波檢測，在探頭與工件短時接觸的過程中，探頭發(fā)射和接收超聲波的能力不再是恒定的，而是隨著與工件接觸的時間快速下降，這樣確定缺陷的最高回波變得幾乎不可能，因而無法給缺陷準(zhǔn)確定位和定量。

（3）不同溫度狀態(tài)下楔塊和鋼板中的超聲波聲速會發(fā)生變化，造成超聲波折射角的變化。在不同溫度狀態(tài)下缺陷的反射回波與實際的反射回波存在差異，即缺陷位置和尺寸與實際情況不符合，這就影響了對缺陷的判斷和對缺陷尺寸的確定，從而影響了檢測可靠性。在檢測時，可以利用經(jīng)驗公式（C=Cα－αT）估算橫波聲速，并估算不同溫度下缺陷的實際位置和缺陷的尺寸大小。

（4）高溫環(huán)境下的超聲波檢測技術(shù)對于管道的使用管理具有重要的意義。該技術(shù)可以在運行狀態(tài)下，檢測設(shè)備是否存在危及設(shè)備安全的缺陷，幫助管理部門確定檢修計劃；對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的缺陷，該技術(shù)可以定期監(jiān)控缺陷的擴展，隨時提醒管理部門采取果斷措施停車檢修或更換設(shè)備，從而保證設(shè)備的安全運行。高溫環(huán)境下的超聲波檢測技術(shù)對高溫設(shè)備在線監(jiān)測及監(jiān)控具有普遍的實用意義，一方面可以用于帶缺陷設(shè)備的實時監(jiān)控，另一方面可對運行中的設(shè)備進行抽查，及時發(fā)現(xiàn)新生缺陷，確定檢修時間，從而保證設(shè)備的安全運行。

（5）高溫下探頭壓電效應(yīng)隨溫度升高而減弱的現(xiàn)象給超聲檢測帶來的不利影響有以下幾個方面：

① 壓電效應(yīng)下降使得探頭發(fā)射和接收超聲波的能力同時減弱，工件內(nèi)的缺陷所顯示的信號幅度大幅下降，一些小的缺陷難以檢出或無法檢出。

②由于超聲波信號快速下降,留給檢測人員掃查和觀察波形的時間很短,因此操作難度很大。

③ 高溫損害探頭的性能，即使冷卻到室溫，探頭發(fā)射和接收超聲波的能力也不能完全恢復(fù)到原來的水平。因此高溫探頭使用一定次數(shù)后其性能會下降，甚至達到報廢程度。高溫下探頭壓電效應(yīng)隨溫度升高而降低的現(xiàn)象制約了高溫超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用，因此必須控制探頭的溫度。研制一種能可靠冷卻的探頭可能是高溫超聲波檢測技術(shù)今后的發(fā)展方向。

④ 隨著溫度變化，超聲波聲壓衰減變化相當(dāng)顯著。因此，超聲波聲壓衰減變化的問題需要進一步研究。此外，不同的反射體其所處的位置不同，也可能對聲波產(chǎn)生不同的衰減幅度，不同的傳感器頻率也會有不同的衰減特性。這些問題均需要在今后的高溫超聲波檢測過程中予以重視并加強研究。

參考文獻

[1]潘榮寶，范宇，張保中，等.壓力容器無損檢測——超聲檢測技術(shù) (I)[J]．無損檢測，2004（4）.

[2]周裕峰，沈功田．壓力容器無損檢測——超高壓容器的無損檢測技術(shù) [J]．無損檢測，2005（4）.

[3]何匯．常規(guī)超聲波檢測技術(shù)初步[J]．無損探傷，2001（3）.

[4]李喜孟．無損檢測 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[5]美國無損檢測手冊——超聲卷 [M]．北京：北京圖書出版公司,1996.

[6]李家偉，陳積憨．無損檢測手冊 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[7]云慶華.無損探傷 [M].北京：勞動出版社，1983.

[8]Mahmoud M A．Low-melting alloys used as ultrasonic couplants at high temperature[J]．Material Evaluation,1985,43 (2).

[9]應(yīng)崇福，張守玉，沈建中．超聲在固體中的散射 [M]．北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[10]關(guān)衛(wèi)和，閻長周，陳文虎，等．高溫環(huán)境下超聲波橫波檢測技術(shù) [J]．壓力容器，2004，21（2）：4-6.

[11]JB/T 4730.1~4730.5—2005.承壓設(shè)備無損檢測 [S].北京：新華出版社，2005.

中石化開發(fā)乙烯裂解爐節(jié)能降耗技術(shù)

2013年7月18日，受國家發(fā)改委委托，由中石化、中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會聯(lián)合組織的專家組在南京對國家發(fā)改委低碳技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程——大型乙烯裂解爐節(jié)能降耗技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范工程項目進行了驗收。專家組認為，該裂解爐示范項目達到了世界先進水平，為今后國內(nèi)乙烯裂解爐節(jié)能改造提供了樣板，其推廣應(yīng)用在整個乙烯行業(yè)都將發(fā)揮巨大作用，尤其是在節(jié)能降耗、綠色低碳、資源節(jié)約、降低成本等方面。

據(jù)介紹，乙烯裂解爐能耗占乙烯裝置總能耗的50%~60%。目前我國乙烯產(chǎn)能已達1600萬t/a，約有裂解爐400臺，這些裂解爐建成的年代不一，規(guī)模大小不一，技術(shù)來源不一，但總體技術(shù)落后，能耗物耗偏高，特別是能耗和世界先進水平相比還有一定差距。30年來，中石化開發(fā)了大量的乙烯裂解技術(shù)。包括其獨有的扭曲片技術(shù)、空氣預(yù)熱技術(shù)等，這些技術(shù)的節(jié)能降耗效果都非常好，因此可把這些技術(shù)用在裂解爐上，通過改造將老舊裂解爐降低能耗物耗的技術(shù)大幅提高至世界先進水平。2010年中國石化開始籌劃乙烯裂解爐示范項目，并分別在揚子石化和茂名石化各確定一臺裂解爐作為樣板爐實施節(jié)能改造。

此前，這兩臺裂解爐均熱效率偏低，能耗偏高，操作負荷達不到設(shè)計值，運行周期較短。中國石化利用多項先進節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材質(zhì)對兩臺樣板爐實施節(jié)能改造，包括對輻射段爐管采用高選擇性爐管以提高烯烴收率、應(yīng)用強化傳熱技術(shù)降低燃料消耗、采用新材料和改進襯里結(jié)構(gòu)減少熱損失、應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)等。

兩臺裂解爐在2011年完成改造，考核結(jié)果顯示：裂解爐的運行負荷、乙烯丙烯收率產(chǎn)能、熱效率、運行周期等指標(biāo)均已達到或優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。運行周期延長至80天，熱效率達到95%以上，裂解爐綜合燃動能耗降低5%。評議專家組認為：改造后的樣板爐整體水平達到國際先進水平。目前樣板爐示范化改造技術(shù)已經(jīng)成熟并正在積極推廣，上海石化的4臺裂解爐已首先采用了樣板爐示范化改造技術(shù)。（金戈）

西門子向合成天然氣裝置提供壓縮機

西門子能源公司于2013年8月8日宣布，將向中國以煤生產(chǎn)液化合成天然氣的三套LNG（液化天然氣）裝置提供壓縮機系列，其客戶是杭州中泰深冷技術(shù)公司。這標(biāo)志著西門子從這家公司獲得了第五份合同。

這些LNG裝置擁有50萬Nm3/d的合成天然氣生產(chǎn)能力。該壓縮機將于2014年6月交付客戶。

這三套LNG裝置中的壓縮機系列，每一臺由六段垂直分割的壓縮機 （桶型壓縮機）和西門子恒定速度電動機組成。這種類型的驅(qū)動和控制采用進口導(dǎo)葉組件，與采用節(jié)流閥或速度控制的壓縮機解決方案相比，可提供更有效和更可靠的操作。

（錢伯章）

*吳剛，男，1959年生，高級工程師。上海市，200333。

中圖分類號TQ 050.7

收稿日期：（2013-12-23）

Research of Online Inspection Technology for High Temperature Pipeline

Wu GangLuo XiaomingZhang JianhuaZuo Yantian

Abstract：As an important inspection method,ultrasonic testing technology has been widely used in the inservice inspection of pressure pipelines.The velocity and pressure of ultrasonic in materials vary with the change of temperature,so mastering the effect law of temperature on ultrasonic parameters is of great significance to the ultrasonic testing at high temperature.Discussed the change law of ultrasonic shear wave velocity with temperature variation within the temperature range of 50 to 200℃,developed the ultrasonic share wave oblique probe specifically for the testing at high temperature.The relationship between shear wave velocity variation and temperature change was provided,which was used to correct the actual positions and sizes of defects under different temperatures.

Key words：High temperature;Shear wave velocity;Attenuation compensation;Pipe;Weld;Ultrasonic testing