新型無損檢測(cè)技術(shù)在鋼質(zhì)油氣管道上的應(yīng)用探討

(1.中石油青海油田監(jiān)督監(jiān)理公司，甘肅 敦煌 736200；2.中石油青海油田采油五廠，青海 海西 816400；3.河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河北 任丘 062552)

有縫鋼管和無縫鋼管均可能存在一些裂紋、折疊、夾層、夾雜和未焊透等缺陷，在投用前以及運(yùn)行中需要定期進(jìn)行無損檢測(cè)。常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)主要有射線檢測(cè)(RT)、超聲檢測(cè)(UT)、磁粉檢測(cè)(MT)和液體滲透檢測(cè)(PT)等[1]。采用常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù),則壓力管道必須停用并清除管體內(nèi)外雜質(zhì)及附著物，成本較高，也影響正常生產(chǎn)。因此，應(yīng)開展新型無損檢測(cè)技術(shù)研究和應(yīng)用，在油氣管道帶壓、不卸料、不停產(chǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)，從而提高檢測(cè)效率，降低檢測(cè)成本，消除檢測(cè)工作對(duì)生產(chǎn)的影響[2]。

該文對(duì)幾種新型無損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 超聲衍射時(shí)差技術(shù)(TOFD)

1.1 TOFD原理

常規(guī)的超聲探傷方法是利用超聲波在缺陷表面的反射波對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)[3]，而TOFD方法是通過對(duì)缺陷兩個(gè)尖端的衍射波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并通過信號(hào)數(shù)據(jù)分析來測(cè)量缺陷的尺寸。其基本原理是采用一發(fā)一收的高精密匹配縱波斜探頭進(jìn)行檢測(cè)，在被檢測(cè)管道的中心線對(duì)稱放置(其中探頭間距取決于被測(cè)管道的有效厚度、探頭聲束角度以及發(fā)射頻率)。檢測(cè)時(shí)，發(fā)射探頭將聲束指向角很大的縱波從側(cè)面入射被檢區(qū)域斷面。對(duì)于無缺陷的管體，接收探頭接收到管體近表面?zhèn)鞑サ臋M向波和底面的反射縱波，當(dāng)有缺陷存在時(shí)，在橫向波和底面反射波之間，接收探頭還會(huì)接收到管體缺陷上端點(diǎn)發(fā)出的衍射波和缺陷下端點(diǎn)發(fā)出的衍射波。當(dāng)表面存在缺陷時(shí)，橫向波會(huì)被阻斷，遲于底面反射波到達(dá)接收探頭，但因其速度較慢，且表面缺陷可通過常規(guī)磁粉等檢驗(yàn)，因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析時(shí)一般忽略不計(jì)。其具體原理示意見圖1。

圖1 TOFD技術(shù)原理示意

由于兩探頭對(duì)稱設(shè)置，可以由下式計(jì)算出缺陷所在深度和缺陷自身高度：

式中：h為反射信號(hào)的深度，m；S為兩探頭中心距的一半，m；C為聲速，m/s；t為接收到的缺陷上端點(diǎn)和缺陷下端點(diǎn)衍射信號(hào)時(shí)間，s。

1.2 TOFD優(yōu)點(diǎn)

(1)可靠性高。與傳統(tǒng)的射線檢測(cè)相比，檢出率可以保持在90%以上，尤其用于檢測(cè)厚壁壓力管道效果較好。

(2)檢測(cè)精度高。可對(duì)缺陷所在深度、位置進(jìn)行精確定位，并可測(cè)量缺陷自身高度。研究表明，對(duì)線狀缺陷(可測(cè)缺陷長(zhǎng)度)或面狀缺陷(可測(cè)缺陷長(zhǎng)度、深度)定量誤差≤1 mm;對(duì)點(diǎn)狀、體積狀(可測(cè)缺陷長(zhǎng)度、深度、寬度)、上下表面裂紋以及層間未熔合等缺陷的定量誤差通常只有零點(diǎn)幾毫米。

(3)檢測(cè)成本低，無射線輻射，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員無輻射傷害。

1.3 TOFD局限性

(1)近底面處的缺陷容易被底部回波淹沒，存在盲區(qū)。

(2)當(dāng)上表面缺陷較小時(shí)，容易漏檢。

1.4 TOFD應(yīng)用

目前，TOFD技術(shù)已在國(guó)外實(shí)際檢測(cè)中廣泛應(yīng)用，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范。2006年，由中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院(以下簡(jiǎn)稱中國(guó)特檢院)牽頭，組織起草了衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此后，中國(guó)特檢院在質(zhì)檢總局指定的試點(diǎn)工程(神華煤液化工程)開展了厚壁壓力容器的TOFD檢測(cè)工作，取得了良好效果。通過近年來的大量應(yīng)用(共計(jì)檢測(cè)20 000 m以上的焊縫)，2015年該標(biāo)準(zhǔn)得到完善并重新以NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》頒布實(shí)施。

2 超聲相控陣技術(shù)

2.1 超聲相控陣技術(shù)原理

超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用和研究始于1960年，主要是通過借鑒軍用的相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，逐步發(fā)展到民用領(lǐng)域。該技術(shù)初期主要應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)，如醫(yī)學(xué)B超成像中用相控陣換能器快速移動(dòng)聲束對(duì)被檢器官成像[4-5]。其基本原理是利用電子方式控制相控陣探頭合成聲束來實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收，探頭采用多個(gè)小晶片構(gòu)成，其中每一個(gè)晶片均被獨(dú)立激發(fā)，并施加不同的時(shí)間延遲，每個(gè)小晶片均可視為輻射柱面波的線狀波源。當(dāng)采用一定的時(shí)間間隔(即相位)激發(fā)探頭上的陣列小晶片時(shí)，這些線狀波源的波陣面就會(huì)產(chǎn)生波的干涉，形成所需的整體波陣面，從而實(shí)現(xiàn)聲束在不同角度、不同聚焦范圍下的變化。該技術(shù)能精確實(shí)現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦，控制聲束的角度和焦點(diǎn)尺寸,通過采用不同的延遲時(shí)間來產(chǎn)生所需的聲束，主要有3種，分別是同時(shí)激發(fā)每個(gè)晶片產(chǎn)生直波束、順序依次激發(fā)每個(gè)晶片產(chǎn)生斜波束和從兩側(cè)到中間依次激發(fā)晶片產(chǎn)生聚焦聲束。其主要工作原理示意見圖2。

圖2 超聲相控陣技術(shù)原理示意

2.2 超聲相控陣技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)探頭尺寸更小。每個(gè)PZT(鋯鈦酸鉛)晶片探頭的尺寸為18 mm×2.5 mm×0.8 mm，中心頻率為3.5 MHz，相鄰晶片中心間距為3 mm。

(2)準(zhǔn)確性更高。傳統(tǒng)超聲波采用單晶片或雙晶片探頭進(jìn)行探測(cè)，只能進(jìn)行單一角度掃查，而相控陣技術(shù)采用多晶片、多角度聲束掃查，對(duì)于復(fù)雜外形、大壁厚及盲區(qū)管材管件等具有較好的檢測(cè)效果。

2.3 超聲相控陣技術(shù)局限性

(1)由于壓電晶片對(duì)溫度變化較敏感，因此用于溫差大的管體檢測(cè)時(shí)容易出現(xiàn)漂移。

(2)儀器儀表的操作較復(fù)雜，對(duì)操作人員水平要求較高。

2.4 超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用

近年來,由于壓電復(fù)合材料、電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，逐步解決了干擾回波修正、晶片增益修正、入射點(diǎn)漂移及能量分布不均等問題，使超聲相控陣技術(shù)得以快速發(fā)展，同時(shí)設(shè)備成本開始逐漸下降，部分設(shè)備已經(jīng)可以國(guó)產(chǎn)化。目前,在國(guó)內(nèi)西氣東輸工程中已開始大量應(yīng)用。2012年在西氣東輸三線工程應(yīng)用PipeWIZARD全自動(dòng)相控陣技術(shù)對(duì)大口徑油氣管道環(huán)焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)到油氣管道在預(yù)制、防腐、保溫、運(yùn)輸和敷設(shè)中產(chǎn)生的各類機(jī)械損傷缺陷以及管體自身所帶有的內(nèi)部缺陷。該方法檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，符合率達(dá)到90%以上，同時(shí)檢測(cè)出了大量射線檢測(cè)法未檢出的層間未熔合缺陷，取得了較好的效果。目前，歐洲主要國(guó)家參考ISO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)頒布了本國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)也頒布了相關(guān)相控陣超聲檢測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)(EMAT)

3.1 EMAT原理

EMAT是最近幾年新發(fā)展的無損檢測(cè)方法。該方法無需耦合劑，不僅適用于輸油管道的無損檢測(cè)，同時(shí)也適用于輸氣管道的無損檢測(cè)[6]。EMAT技術(shù)的基本原理與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)一樣，都是利用超聲波檢測(cè)管體中的缺陷，但不同的是EMAT技術(shù)是利用電磁場(chǎng)激發(fā)聲束，而傳統(tǒng)超聲波是利用壓力晶片的壓電效應(yīng)來激發(fā)聲束。當(dāng)EMAT線圈中通過20 Hz～20 MHz的超聲波頻率交流電時(shí)，由于電磁效應(yīng)，被測(cè)管體中會(huì)產(chǎn)生渦流，從而引起管體的局部振動(dòng)，管體局部幾何形狀發(fā)生微小變形，形成伸縮效應(yīng)，同時(shí)缺陷表面產(chǎn)生一定的渦流效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)電荷受洛倫茲力的影響，幾種耦合效應(yīng)并存，管道缺陷表面激發(fā)回波，回波信號(hào)被探頭檢測(cè)到，以小波變換的方式從信號(hào)中剝離出有用信息。其具體原理示意見圖3。

圖3 EMAT技術(shù)原理示意

3.2 EMAT優(yōu)點(diǎn)

(1)檢測(cè)缺陷類型多?？稍O(shè)計(jì)不同的線圈形狀和磁鐵結(jié)構(gòu)，激發(fā)不同頻率的超聲波，檢測(cè)更多的缺陷類型，如內(nèi)腐蝕、外腐蝕、劃痕、裂紋、變形、金屬損失及防腐層破損等。

(2)無需耦合劑(主要是液體耦合劑)，可排除管道介質(zhì)與檢測(cè)器之間的液體影響。該方法不需要對(duì)金屬表面進(jìn)行特殊處理，可以在耦合劑揮發(fā)或凍結(jié)的高、低溫環(huán)境下檢測(cè)，可適用于最高溫度750 ℃的壓力管道檢測(cè)。

(3)適應(yīng)性強(qiáng)。可適用于1～12 mm壁厚的管體檢測(cè)。

3.3 EMAT局限性

(1)由于需要借助電磁效應(yīng)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此只適用于金屬管道。

(2)設(shè)備購(gòu)置成本較高，單次檢測(cè)費(fèi)用較高。

3.4 EMAT應(yīng)用

目前,歐盟以及日本等國(guó)家相繼進(jìn)行了大量EMAT技術(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)論證,加速了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。同時(shí)美國(guó)、歐盟等均已制定了針對(duì)油氣管道的EMAT行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)也制定了EMAT檢測(cè)的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其應(yīng)用領(lǐng)域從最初的中厚板、火車輪檢測(cè)及高溫測(cè)厚，發(fā)展到焊縫檢測(cè)、鋼棒檢測(cè)、鋼管檢測(cè)、鐵路鋼軌檢測(cè)及復(fù)合材料檢測(cè)等眾多領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 脈沖渦流技術(shù)(PEC)

4.1 PEC原理

近年來，國(guó)內(nèi)外專業(yè)人員不斷地嘗試脈沖渦流技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)壁厚檢測(cè)的技術(shù)研究并取得了一定的進(jìn)展。該技術(shù)原理基于電磁感應(yīng)，在線圈中通入一定占空比的脈沖方波信號(hào)，在一定時(shí)間內(nèi)與管體之間形成快速衰減的電磁場(chǎng)，通過線圈感應(yīng)可以非接觸式地在金屬壁厚中產(chǎn)生并傳播脈沖渦流信號(hào)，隨著該信號(hào)在管體中傳播，被測(cè)管體中又感應(yīng)出一個(gè)快速衰減的二次磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以感應(yīng)到管體因缺陷而產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)瞬態(tài)電壓信號(hào)的變化分析管體的缺陷類型。其具體原理示意見圖4。

4.2 PEC優(yōu)點(diǎn)

(1)與一般的渦流技術(shù)相比，該法采用方波激勵(lì)電流代替正弦波激勵(lì)電流從而激發(fā)出脈沖渦流，這種脈沖渦流信號(hào)包含了很寬的頻譜并比單一頻率正弦渦流衰減慢，能適應(yīng)信號(hào)穿透保溫層、防腐層和壁厚的要求。

(2)PEC傳感器既可以檢測(cè)出表面缺陷，同時(shí)也可以檢測(cè)出深層缺陷，克服了趨膚效應(yīng)的影響。

(3)檢測(cè)精度較高。研究表明，在不去除防腐層和保溫層的情況下，腐蝕深度的檢測(cè)最大誤差僅為0.4 mm。

圖4 PEC技術(shù)原理示意

4.3 PEC局限性

(1)設(shè)備購(gòu)置成本較高，單次檢測(cè)費(fèi)用較高。

(2)激勵(lì)線圈尺寸較大，無法在較小的特殊管件上進(jìn)行缺陷檢測(cè)，對(duì)于微小變形檢測(cè)能力不足。

4.4 PEC應(yīng)用

目前,尚沒有商業(yè)化的脈沖渦流檢測(cè)儀上市，大多是研究人員自行設(shè)計(jì)和制造的實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)易設(shè)備，主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中無法檢測(cè)的特殊缺陷管段進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 28705—2012《無損檢測(cè) 脈沖渦流檢測(cè)方法》、NB/T 47013.13—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第13部分:脈沖渦流檢測(cè)》。該技術(shù)工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，推廣實(shí)施具有一定的難度。

5 檢測(cè)方法有效性驗(yàn)證

5.1 檢測(cè)技術(shù)選擇

當(dāng)前油氣管道可用的新型檢測(cè)技術(shù)包括TOFD技術(shù)、相控陣檢測(cè)技術(shù)、EMAT技術(shù)及PEC技術(shù)等。其中TOFD和相控陣檢測(cè)技術(shù)較為成熟，設(shè)備購(gòu)置成本相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)較為完善。而EMAT技術(shù)、PEC技術(shù)相對(duì)還不夠成熟，檢測(cè)設(shè)備昂貴，相關(guān)設(shè)備國(guó)內(nèi)數(shù)量?jī)H有一兩臺(tái)，都擔(dān)負(fù)著國(guó)內(nèi)重點(diǎn)項(xiàng)目研究工作，目前在國(guó)內(nèi)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工業(yè)應(yīng)用階段，可在將來的研究中作為備選手段[7-8]。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選擇某采油廠站間2.5 km輸油管道開展了實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)。該管線規(guī)格為外徑159 mm×厚度12 mm，材質(zhì)為20號(hào)鋼，設(shè)計(jì)溫度為50 ℃，操作壓力為6.3 MPa，實(shí)際輸量45×104t/a，輸送介質(zhì)為含水油，屬于GC2類壓力管道。

試驗(yàn)條件為不停產(chǎn)、不卸料，分別采用TOFD和相控陣技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。TOFD采用美國(guó)PAC公司Pock-etut檢測(cè)儀及手動(dòng)掃查器，根據(jù)管材實(shí)際情況并參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的探頭參數(shù)選擇探頭，設(shè)置的工藝參數(shù)見表1。相控陣檢測(cè)采用日本Olympus公司的OmniScan MX2檢測(cè)儀器，設(shè)置的工藝參數(shù)見表2。

表1 TOFD工藝參數(shù)

表2 相控陣檢測(cè)工藝參數(shù)

5.3 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)期間，同時(shí)利用常規(guī)射線檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)兩者檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)環(huán)焊縫以及角焊縫的檢測(cè)對(duì)比表明：TOFD發(fā)現(xiàn)26處埋藏缺陷，包括氣孔、根部未焊透、未熔合以及條狀?yuàn)A渣等缺陷類型，并給定了缺陷尺寸和埋深位置；相控陣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了21處埋藏缺陷，包括表面裂紋、根部未焊透、未熔合以及條狀?yuàn)A渣等缺陷類型，也給出了缺陷尺寸和埋深位置；而射線檢測(cè)只發(fā)現(xiàn)13處缺陷，只包括表面裂紋和未熔合兩種缺陷類型，并只給定了尺寸，不能給出埋深位置。每種缺陷類型選取一處進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，3種檢測(cè)技術(shù)下的典型缺陷尺寸信息見表3。由表3可知，射線檢測(cè)可檢出表面、近表面的一些缺陷，但對(duì)于深層缺陷檢測(cè)能力不足；TOFD可檢出大多數(shù)缺陷類型，但對(duì)于表面裂紋缺陷，如果深度較小，則缺陷信號(hào)容易被淹沒在直通波中不易識(shí)別，存在盲區(qū)；而相控陣由于采用平行于焊縫方向的扇形掃描，所以表面缺陷可以清晰查到，但由于氣孔缺陷體積過小，回波信號(hào)低，在相控陣掃描中又往往容易漏掉。綜上所述，可以采用TOFD+相控陣檢測(cè)方法對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行全面檢測(cè)，可以接近100%檢測(cè)出焊縫缺陷類型。此外TOFD還發(fā)現(xiàn)了11處底部腐蝕缺陷，射線檢測(cè)未檢出該類缺陷。

表3 缺陷尺寸信息對(duì)比 mm

6 結(jié)束語(yǔ)

無損檢測(cè)技術(shù)是保障石油化工行業(yè)壓力容器、壓力管道安全應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。在今后還應(yīng)大力推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，逐步實(shí)現(xiàn)在役油氣管道、壓力容器的不停產(chǎn)、不卸料在線檢測(cè)。建議采用TOFD+相控陣技術(shù)對(duì)油氣管道進(jìn)行檢測(cè)，將電磁超聲技術(shù)和脈沖渦流技術(shù)作為檢測(cè)的備選手段，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道焊縫、表面及深層的各類缺陷，更好地推動(dòng)管道完整性管理工作。