基于超聲導(dǎo)波和脈沖渦流技術(shù)的承壓設(shè)備腐蝕檢測

張小龍，張子健，柴軍輝,，胡 健，吳家喜，沈建民，許 波，陸建平，陳會明

(1.寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)公司,寧波 315048；2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院,寧波 315048；3.杭州浙達精益機電技術(shù)股份有限公司,杭州 311100)

在承壓設(shè)備，特別是長距離且主要為直管段壓力管道的定期檢驗和年度檢查中，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)已逐步成為直管段母材內(nèi)外壁腐蝕缺陷的主要檢測方法之一。超聲導(dǎo)波檢測具有避免大面積拆除包覆層、一次性檢測距離長、檢測效率高等優(yōu)點[1]。目前，國內(nèi)超聲導(dǎo)波檢測主要參考的標準有：GB/T 31211-2014，GB/T 28704-2012，DL/T 1452-2015。在這3項標準中均提到導(dǎo)波檢測的結(jié)果與評價，針對疑似缺陷或不可接受信號均需采用其他無損檢測方法進行驗證，而對帶有包覆層的壓力管道進行拆除包覆層復(fù)驗存在較大風(fēng)險，這對檢測單位和業(yè)主單位都是不利的。

脈沖渦流檢測技術(shù)使用矩形波進行激勵，信號穿透能力強[2]，可以實現(xiàn)無需拆除包覆層的在線非接觸式檢測，避免了因為拆除包覆層導(dǎo)致的原包覆層損壞，使用脈沖渦流技術(shù)對超聲導(dǎo)波檢測的可疑點進行復(fù)驗是一種有效且可靠性較高的方法，兩種無損檢測方法的結(jié)合使用既提高了檢測效率，又具有較高的可靠性。

基于這兩種無損檢測方法的組合使用，筆者采用對比試塊進行了檢測，最后在現(xiàn)場進行了應(yīng)用，結(jié)果表明：超聲導(dǎo)波結(jié)合脈沖渦流檢測方法對于長距離壓力管道的檢測具有較高的可行性。

1 檢測原理

1.1 超聲導(dǎo)波檢測原理

超聲導(dǎo)波的基本原理是利用導(dǎo)波探頭激勵出適當(dāng)頻率的導(dǎo)波，導(dǎo)波以一定速度在被檢測的物體中傳播，遇到幾何特征(缺陷、焊縫、法蘭、端面等)發(fā)生反射，反射的導(dǎo)波被導(dǎo)波探頭感應(yīng)到后，計算機會根據(jù)導(dǎo)波激勵和感應(yīng)的時間差，計算幾何特征距離導(dǎo)波探頭的位置來實現(xiàn)幾何特征的定位。選取已知特征(通常是焊縫)的導(dǎo)波信號為參考，可以估計其他幾何特征(腐蝕、缺陷等)的大小。

導(dǎo)波就是波導(dǎo)中的彈性波。當(dāng)介質(zhì)的幾何尺寸與波長相當(dāng)時，介質(zhì)不能視為無限大，縱波和橫波不能同時獨立存在，這時候彈性波在介質(zhì)中的傳播依賴介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)，就產(chǎn)生了導(dǎo)波[3]。

導(dǎo)波的特性為：導(dǎo)波存在多模態(tài)，在管件中導(dǎo)波以3種不同的波形存在，即縱波(L)、扭轉(zhuǎn)波(T)和彎曲波(F)，管道檢測主要應(yīng)用的是扭轉(zhuǎn)波，且是T(0,1)模態(tài)；導(dǎo)波存在頻散現(xiàn)象，在不同頻率下的各種模態(tài)中只有T(0,1)模態(tài)是最穩(wěn)定的。

1.2 脈沖渦流檢測原理

脈沖渦流檢測采用一定占空比的方波信號為脈沖激勵，施加在激勵線圈的兩端，產(chǎn)生瞬間快速衰減的脈沖激勵磁場，變化的脈沖磁場在金屬試塊中感生出脈沖渦流，該脈沖渦流在向?qū)w內(nèi)部滲透的過程中又會感應(yīng)出一個瞬間衰減的渦流磁場，當(dāng)金屬試塊中存在缺陷時，缺陷附近的渦流分布會發(fā)生改變，從而影響渦流磁場的分布。脈沖渦流傳感器的檢測線圈或者磁敏傳感器通過測量瞬態(tài)感應(yīng)電壓信號的變化量來間接反映試塊中磁場的變化情況，獲取缺陷信息。脈沖渦流技術(shù)是分析經(jīng)過快速磁場變化后組件內(nèi)部渦流場變化情況的技術(shù)，一次檢測采集過程共分為3個階段：第一階段是釋放階段，探頭釋放可以穿透元件厚度的磁場，磁化內(nèi)部待檢測組件，組件內(nèi)部最終達到磁飽和狀態(tài)，形成穩(wěn)定的磁場；第二階段是中止階段，當(dāng)磁場發(fā)射信號突然終止時，基于電磁感應(yīng)原理，組件中會感應(yīng)到強大的渦流信號；第三個階段是接收階段，探頭內(nèi)部的磁性傳感器監(jiān)測工件內(nèi)部渦流信號的衰減情況，由此達到測量壁厚變化的目的。在整個檢測過程中，這3個步驟循環(huán)重復(fù)。

2 對比試塊的檢測

2.1 超聲導(dǎo)波檢測

2.1.1 檢測設(shè)備

采用國產(chǎn)超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由MSGW30型超聲導(dǎo)波檢測儀、上位機和檢測探頭等組成。檢測系統(tǒng)可對管、板、纜索等大范圍結(jié)構(gòu)件進行12 kHz～250 kHz的寬頻掃查，并可進行頻掃圖像顯示、A掃信號顯示和包絡(luò)顯示，可對A掃信號進行DAC(距離-波幅曲線)分析。超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)組成如圖1所示，小型柔性化換能器外觀如圖2所示。

圖1 超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)組成示意

圖2 小型柔性化換能器外觀

由于是在實驗室進行對比試塊的檢測，考慮到試塊需加工內(nèi)部球孔缺陷，所以取管道原長度的1/2進行加工，由于無法采用傳統(tǒng)線圈探頭進行檢測，所以采用特制板波探頭進行檢測，換能器的設(shè)計分為柔性和硬性兩部分，其中硬性設(shè)計的主要功能是信號的輸入輸出、保護換能器、方便操作人員使用等；柔性部分的主要功能是激勵和接收導(dǎo)波信號。

2.1.2 對比試塊

試驗采用的是規(guī)格為159 mm×10 mm(外徑×壁厚)的管道球孔缺陷試塊，球孔深度分別為壁厚的20%，40%，60%，80%，試塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 球孔缺陷試塊結(jié)構(gòu)示意

2.1.3 超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果

超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果如圖4所示,檢測工藝如表1所示。

圖4 對比試塊的超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果

根據(jù)圖4對導(dǎo)波檢測結(jié)果進行分析，統(tǒng)計得到檢測數(shù)擬如表2所示。

由表2可以看出，超聲導(dǎo)波對缺陷的定位具有較高的準確性，最大誤差僅為2.4%，但是對于缺陷大小的定量，隨著缺陷深度的增加，定量數(shù)據(jù)的可靠性減小，且若存在缺陷(非圓周缺陷)位于同一條直線上時，誤差會進一步增大。目前，超聲導(dǎo)波檢測的DAC曲線的現(xiàn)場應(yīng)用還不是很廣泛，GB/T 31211-2014和GB/T 28704-2012這兩個標準均提及了超聲導(dǎo)波對比試塊和靈敏度校準，其中對比試塊應(yīng)采用與被檢構(gòu)件材料性能及幾何形狀相同或相近的材料制作，并在實驗室實測繪制DAC曲線，但在現(xiàn)場檢測中還存在以下問題，石油化工行業(yè)管道尺寸、規(guī)格、材料、種類等較多，且一般都存在焊縫、支架、彎頭等結(jié)構(gòu)，標準要求的對比試塊和靈敏度校準在實際操作時具有一定困難，且沒有考慮到管道彎頭對信號衰減的影響。基于以上幾點，導(dǎo)波DAC曲線的應(yīng)用受到一定的限制，因此目前導(dǎo)波檢測的關(guān)注點還主要集中在缺陷的定位上，定量主要采用其他無損檢測方法進行復(fù)驗。

表1 超聲導(dǎo)波檢測工藝

表2 對比試塊的超聲導(dǎo)波檢測數(shù)據(jù)

2.2 脈沖渦流檢測

2.2.1 檢測設(shè)備

采用Lyft-GD型脈沖渦流保溫層下腐蝕成像儀，探頭型號為PEC-098-G2，該設(shè)備具有以下主要性能特點：實時C掃描成像；同時支持點陣式測量與編碼動態(tài)測量；快速數(shù)據(jù)采集；可檢測工件厚度達100 mm，包覆層厚度最大達300 mm，可檢測防雨罩材料包括鋁、不銹鋼以及鋅鐵皮；CWT算法(壁厚補償工具)可有效地改善檢測結(jié)果的準確性。

2.2.2 對比試塊的檢測

采用如圖3所示的球孔缺陷試塊進行脈沖渦流檢測，使用Eddyfi的網(wǎng)格墊來定位，采用聚氨酯泡沫模擬管道包覆層，厚度設(shè)為60 mm，檢測工藝如表3所示。

2.2.3 脈沖渦流檢測結(jié)果

采用C掃成像模式，用壁厚百分比進行結(jié)果統(tǒng)計，檢測結(jié)果如圖5所示。

表3 脈沖渦流檢測工藝

圖5 球孔試管的脈沖渦流C掃結(jié)果

根據(jù)圖5可知，通過脈沖渦流C掃結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)試管中的4個球孔缺陷，缺陷檢出位置與預(yù)制位置相同，且壁厚百分比與缺陷實際尺寸具有一一對應(yīng)關(guān)系，80%球孔壁厚百分比最小為83.8%，20%球孔缺陷壁厚百分比最小為98.5%。值得注意的是，由于脈沖渦流檢測原理是對有缺陷的區(qū)域進行檢測，而不是對單個數(shù)據(jù)點進行檢測，所以壁厚百分比不能體現(xiàn)出真實腐蝕當(dāng)量，但存在一定的比例關(guān)系，可以輔助判斷缺陷大小，對缺陷的精確定量還需采用其他無損檢測方法進行確認，該結(jié)論可以從脈沖渦流檢測原理中幾個關(guān)鍵參數(shù)的計算來解釋。

(1) 覆蓋長度(FP)是描述空間信號分布的主要變量，其可以通過探頭大小和提離高度來計算。

FP=(0.65×L0)+FP0

(1)

式中：L0為提離高度，包含保溫層、防雨罩、涂層厚度等；FP0為提離高度為0時，探頭的覆蓋長度，不同的采集分辨率由不同的探頭覆蓋長度確定，小尺寸探頭具有更好的檢測分辨率。

(2) 平均區(qū)域面積(AΦ)是平面狀態(tài)下探頭響應(yīng)90%的區(qū)域，平均區(qū)域和覆蓋長度密切相關(guān)。

AΦ=FP×1.8

(2)

(3) 脈沖渦流可檢測的最小缺陷是覆蓋長度區(qū)域內(nèi)部體積的15%。

(4) 脈沖渦流采集的實際信號為標稱壁厚信號和缺陷信號的綜合結(jié)果，當(dāng)缺陷尺寸小于覆蓋的平均區(qū)域時，脈沖渦流檢測將低估缺陷的尺寸；當(dāng)缺陷尺寸大于覆蓋的平均區(qū)域時，脈沖渦流檢測將會獲得準確的測量結(jié)果。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場檢測的管道為某煉化企業(yè)焦化裝置的一條規(guī)格為400 mm×10 mm(公稱直徑×壁厚)的附塔管線，該管線有保溫層，工作溫度為110℃，工作壓力為0.85 MPa，根據(jù)檢驗預(yù)定表進行超聲導(dǎo)波檢測，根據(jù)導(dǎo)波包絡(luò)信號進行判斷，發(fā)現(xiàn)距離支架0.64 m處存在小面積腐蝕，隨即采用脈沖渦流進行復(fù)驗，拆除保溫層后進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)該處為小面積保溫層下腐蝕，超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可以看出，整個超聲導(dǎo)波檢測覆蓋范圍為40 m，檢測結(jié)果具有較高的信噪比，能發(fā)現(xiàn)明顯的特征波形，注意到+6.4 m處存在超過10%波幅的信號，采用脈沖渦流進行復(fù)驗，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，通過脈沖渦流C掃成像，確認在支架+0.64 m處存在最大腐蝕當(dāng)量為13.6%的面積狀腐蝕，經(jīng)現(xiàn)場拆除包覆層后，發(fā)現(xiàn)為保溫層下面積狀腐蝕，采用焊縫檢驗尺對凹坑深度進行測量，發(fā)現(xiàn)最大深度為3.0 mm，腐蝕當(dāng)量為30%，基于脈沖渦流檢測原理，這一數(shù)值大于脈沖渦流測量值。

圖6 附塔管線超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果

圖7 附塔管線脈沖渦流復(fù)驗結(jié)果

4 結(jié)語

采用超聲導(dǎo)波和脈沖渦流技術(shù)對球孔試管和現(xiàn)場壓力管道進行了檢測，結(jié)果表明，超聲導(dǎo)波能快速篩查管道母材存在的內(nèi)外壁腐蝕缺陷，脈沖渦流技術(shù)能在免拆除包覆層的情況下對超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果進行復(fù)驗，防止偽缺陷的干擾，提高了超聲導(dǎo)波檢測結(jié)果的可靠性。這兩項技術(shù)的結(jié)合可為在線快速、大面積檢測壓力管道母材腐蝕提供新的檢測思路。