劉 新 郝 剛 劉海星 段志祥 趙杰瓊
(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)天津液化天然氣有限責(zé)任公司 天津 300452)
(2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029)
隨著LNG 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,近幾年LNG 接收站建設(shè)速度逐漸加快,需要在站內(nèi)運(yùn)行期間進(jìn)行管道的定期檢驗(yàn)。由于LNG 接收站設(shè)備輸送的特殊性和連續(xù)性,管道在線(xiàn)檢測(cè)方法和技術(shù)的使用越發(fā)重要。保冷層拆除,不但會(huì)給企業(yè)增加運(yùn)營(yíng)成本,而且由于吸收熱量,管道內(nèi)的介質(zhì)會(huì)氣化,導(dǎo)致壓力升高,產(chǎn)生很大的安全隱患;另外拆除保冷層后,深冷管道外壁會(huì)結(jié)冰,現(xiàn)有常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)效果不理想,有的無(wú)法實(shí)施檢測(cè)[1]。因此需要采用更先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù),來(lái)實(shí)現(xiàn)LNG接收站承壓低溫液體管道的在線(xiàn)檢測(cè)。數(shù)字射線(xiàn)(DR)可以透照的厚度更大,DR 可以實(shí)時(shí)成像確定焊縫位置[2-4]?,F(xiàn)在已開(kāi)展的研究有氨制冷管道的在線(xiàn)檢測(cè)[5]、雙層管的DR 檢測(cè)[6]、LNG 接收站低溫管道檢驗(yàn)方法研究[7]等工作。
目前針對(duì)DN200 及以下管徑的在線(xiàn)DR 檢測(cè)研究工作開(kāi)展較多,對(duì)DN200 以上管徑的DR 在線(xiàn)檢測(cè)相關(guān)工作開(kāi)展較少。DN250 以上管徑的帶介質(zhì)管道DR檢測(cè),圖像質(zhì)量和缺陷檢出結(jié)果缺少相關(guān)的數(shù)據(jù)試驗(yàn)和結(jié)果,DR 是否可以實(shí)施,缺陷的檢測(cè)效果如何,還沒(méi)有相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),更沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。為分析驗(yàn)證DR 技術(shù)在LNG 工藝管道在線(xiàn)檢測(cè)中的有效性和適用范圍,制作管徑為DN50 ~DN500 的LNG工藝管道試樣,研究管徑、保冷層和介質(zhì)對(duì)圖像質(zhì)量和檢測(cè)結(jié)果的影響,以及不同工況、不同缺陷的檢出情況,探索LNG 工藝管道采用DR 在線(xiàn)檢測(cè)的可行性。
調(diào)研目前LNG 工廠(chǎng)和接收站等企業(yè)LNG 工藝管道的常用材質(zhì)和規(guī)格,LNG 工藝管道的材質(zhì)一般為奧氏體不銹鋼材料,管道的最小管徑為DN50,最大管徑達(dá)到DN1 200。液化工廠(chǎng)和接收站常用的工藝管道主要集中在DN80 ~DN400 范圍,考慮現(xiàn)有射線(xiàn)機(jī)的最大透照能力,試樣的最大管徑選定為DN500。制作管徑范圍為DN50 ~DN500 的一系列管件試樣,壁厚按照管徑、厚度對(duì)應(yīng)表選取LNG 管道的常用壁厚,其中包括相同管徑不同壁厚的試樣,以分析壁厚變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,管道試驗(yàn)的選用規(guī)格見(jiàn)表1。試件參考接收站的管道結(jié)構(gòu),在線(xiàn)管道檢驗(yàn)重點(diǎn)是管件焊縫[8],制作的試樣以彎管加直管的焊接結(jié)構(gòu)為主??紤]到現(xiàn)場(chǎng)管道結(jié)構(gòu)的多樣性,部分試樣制作成直管加直管的焊接結(jié)構(gòu)。每個(gè)試樣兩端都連接閥門(mén),方便試樣加注液體介質(zhì)。
表1 管道試樣規(guī)格
為了便于試驗(yàn),保冷層制作成可拆卸結(jié)構(gòu)。防潮層涂層為瑪蹄脂,單層最小厚度為0.6 mm,用玻璃布加強(qiáng)。保護(hù)層材料為鋁皮,保護(hù)層厚度為0.5 mm。保冷材料參照LNG 低溫管道設(shè)計(jì)文件的規(guī)定,低溫管道保冷材料采用硬質(zhì)深冷型三異氰酸甲苯脂(PIR),分為內(nèi)、外層2 層,按管徑選擇保冷層的厚度參考表2,與接收站目前使用的厚度基本一致。
表2 保冷層厚度表(PIR)
考慮覆蓋LNG 工藝管道可能出現(xiàn)的各類(lèi)缺陷,試樣的缺陷性質(zhì)有體積型缺陷和面積型缺陷,體積型缺陷包含未焊透、氣孔、夾渣、燒穿、焊瘤,面積型缺陷包含裂紋、未熔合。技術(shù)等級(jí)按照NB/T 47013.11—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第11 部分:X 射線(xiàn)數(shù)字成像檢測(cè)》[9]的要求選取AB 級(jí),DR 檢測(cè)的圖像靈敏度按照NB/T 47013.11—2015 中6.16.1 條中表7 對(duì)比靈敏度的規(guī)定,相對(duì)靈敏度為透照厚度的2%~4%,模擬缺陷自身高度按實(shí)際管子厚度的20%計(jì)算。缺陷的長(zhǎng)度參照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2 部分:射線(xiàn)檢測(cè)》[9]中條形缺陷2 級(jí)合格的長(zhǎng)度,圓形缺陷為φ1.5 和φ2 兩種直徑的氣孔。試樣模擬缺陷的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 試樣模擬缺陷明細(xì)表mm
根據(jù)NB/T 47013.11—2015 和試驗(yàn)的要求,結(jié)合前期調(diào)研和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確定設(shè)備選型方案。明確適用于本文檢測(cè)對(duì)象的DR 檢測(cè)設(shè)備技術(shù)要求,結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備情況,提出適用的X 射線(xiàn)數(shù)字成像射線(xiàn)機(jī)和探測(cè)器[10]。試驗(yàn)采用2 臺(tái)不同能量的射線(xiàn)機(jī),2 塊不同尺寸的探測(cè)器,針對(duì)不同規(guī)格的試樣選擇成像系統(tǒng)試驗(yàn)用射線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件即射線(xiàn)機(jī)、膠片和探測(cè)器,檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)及指標(biāo)見(jiàn)表4。
表4 DR 檢測(cè)系統(tǒng)
模擬LNG 工藝管道在線(xiàn)檢測(cè)的環(huán)境,每個(gè)試樣分裸管、帶液、帶保冷和帶保冷帶液等共計(jì)4 個(gè)工況,依次進(jìn)行DR 檢測(cè)[11-12]。保冷層和介質(zhì)相當(dāng)于增加了透照厚度,要適當(dāng)增加管電壓。由于X 射線(xiàn)機(jī)的功率限制,達(dá)到了設(shè)備的最高使用功率,繼續(xù)增加高電壓,射線(xiàn)機(jī)的管電流就相應(yīng)的減小。對(duì)于DN300 以上的帶液管道,管電流一般使用設(shè)備允許的最高管電流,曝光能量的增加主要依靠管電壓和曝光時(shí)間的增加。記錄每個(gè)步驟的使用參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比,優(yōu)化工藝參數(shù)提高靈敏度和分辨率。對(duì)圖像的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定,記錄和標(biāo)準(zhǔn)的差異。對(duì)圖像進(jìn)行采集,并對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定和幾何尺寸測(cè)量,對(duì)比不同檢測(cè)環(huán)境和條件下的缺陷的圖像顯示。見(jiàn)圖1。
圖1 DR 檢測(cè)試驗(yàn)實(shí)施照片
對(duì)于LNG 工藝管道試樣進(jìn)行DR 檢測(cè)試驗(yàn),不同工況和試樣規(guī)格的檢測(cè)靈敏度和分辨率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。管道在線(xiàn)DR 檢測(cè)的主要影響因素有介質(zhì)、管道的管徑和壁厚、保冷層、缺陷性質(zhì)、透照方式、管道結(jié)構(gòu)等因素,下面依次進(jìn)行分析討論。
表5 DR 檢測(cè)圖像質(zhì)量表
LNG 管道內(nèi)的液體介質(zhì)是影響射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的重要因素,介質(zhì)可以吸收射線(xiàn),使射線(xiàn)發(fā)生散射,造成射線(xiàn)能量衰減。射線(xiàn)能量的衰減和介質(zhì)的密度、厚度相關(guān)。基于試驗(yàn)安全和與實(shí)際介質(zhì)透照性能相近的原則,此次試驗(yàn)管內(nèi)介質(zhì)選用密度與LNG 最為接近的汽油。LNG 的密度為0.45 g/cm3,汽油的密度為0.75 g/cm3。密度越大,造成射線(xiàn)能量衰減也越大,射線(xiàn)的衰減和介質(zhì)密度大致成正比關(guān)系。本文試驗(yàn)結(jié)果相較現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(介質(zhì)為L(zhǎng)NG)是偏保守的。液體介質(zhì)的等效厚度增加,所需的射線(xiàn)機(jī)的穿透能量也越大,需要的管電壓也越高。試驗(yàn)最大管徑為DN500,充裝汽油介質(zhì)時(shí)檢測(cè)使用電壓為435 kV,已是此次試驗(yàn)射線(xiàn)設(shè)備的最大使用電壓。
LNG 管道內(nèi)的介質(zhì)使靈敏度和分辨率下降,而且液體介質(zhì)使射線(xiàn)的散射變大,隨管電壓的提高固有不清晰度增大,缺陷的輪廓邊緣和細(xì)節(jié)特征不明顯,增加缺陷性質(zhì)判斷的難度,見(jiàn)圖2。
圖2 φ273×4 試樣未焊透缺陷在裸管和注液工況下的檢測(cè)結(jié)果
隨著管徑的增加,靈敏度和分辨率逐步降低,對(duì)比度下降,缺陷的輪廓邊緣和細(xì)節(jié)特征不明顯或者消失,造成缺陷性質(zhì)評(píng)定不準(zhǔn)確,容易錯(cuò)評(píng)或漏評(píng)。管徑DN300 及以上的帶液管道,靈敏度和分辨率已不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,見(jiàn)圖3、圖4。
圖3 φ377×5 試樣燒穿缺陷在裸管和注液工況下的檢測(cè)結(jié)果
φ325×5 試樣(注汽油)檢測(cè)靈敏度W12/W14,分辨率D6/D9(斜杠后數(shù)值是標(biāo)準(zhǔn)要求),圖像質(zhì)量不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,未焊透圖像變寬,對(duì)比度下降,細(xì)節(jié)模糊,見(jiàn)圖5。DN300 規(guī)格的試樣(注汽油)中裂紋和未熔合,通過(guò)裸管中的圖像分析,對(duì)比度低,自身高度和開(kāi)口寬度都很小,φ325×5 中裂紋易漏檢,見(jiàn)圖6。φ325×10 中未熔合未能檢出,見(jiàn)圖7。
圖5 φ325×5 試樣未焊透缺陷在裸管和注液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖6 φ325×5 試樣裂紋缺陷在裸管和注液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖7 φ325×10 試樣未熔合缺陷在裸管和注液工況下的檢測(cè)結(jié)果
LNG 工藝管道保冷層也是影響DR 檢測(cè)結(jié)果的重要因素,根據(jù)管道保冷層的結(jié)構(gòu),影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:
1)金屬保護(hù)層的影響,金屬保護(hù)層的材料有鐵、鋁和不銹鋼等。此次試驗(yàn)的金屬保護(hù)層為鋁皮,厚度0.5 mm,金屬保護(hù)層的厚度增加了透照厚度(雙壁透照增加1.0 mm),使靈敏度和分辨率降低。
2)保冷層的影響,保冷層的密度很小(聚氨酯或者泡沫玻璃),對(duì)透照的能量影響不大,靈敏度基本能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。但由于保冷層的結(jié)構(gòu)是空隙分布使分辨率下降,圖像不清晰度增加,在圖像上形成細(xì)小的偽缺陷,影響缺陷的評(píng)定。在進(jìn)行圖像處理時(shí),保冷層也會(huì)形成偽缺陷,增加評(píng)定難度。
3)厚度的影響,LNG 管道的保冷層的厚度大,DN350及以上的管道保冷層總厚度達(dá)到400 mm以上。保冷層使透照距離增大,需要射線(xiàn)能量增加。保冷層還加大了探測(cè)器和檢測(cè)區(qū)域的焦距,幾何不清晰度增加,使缺陷的幾何尺寸放大。
LNG 管道保冷層使DR 檢測(cè)圖像的靈敏度和分辨率下降一個(gè)等級(jí),雖然圖像質(zhì)量可以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求,但會(huì)使缺陷尺寸放大,對(duì)比度降低,見(jiàn)圖8 ~圖12。φ48×3 試樣中裂紋,絕熱層掩蓋了缺陷的細(xì)節(jié)特征,缺陷測(cè)量長(zhǎng)度變小,見(jiàn)圖13。
圖8 φ108×6 試樣未焊透缺陷在裸管和保冷工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖9 φ219×8 試樣未焊透缺陷在裸管和保冷工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖10 φ406×6 試樣未焊透缺陷在裸管和保冷工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖11 φ457×8 試樣未焊透缺陷在裸管和保冷工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖12 φ508×6 試樣裂紋缺陷在裸管和保冷工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖13 φ48×3 試樣裂紋缺陷在裸管和保冷工況下的檢測(cè)結(jié)果
管道的壁厚是射線(xiàn)檢測(cè)重要影響因素,薄壁管(如厚度4 mm),NB/T 47013.11—2015 規(guī)定分辨率為D9,靈敏度為W14,受到探測(cè)器像素的最小尺寸制作工藝的限制,圖像的分辨率為D8,靈敏度為W16。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),如果數(shù)字圖像分辨率達(dá)不到規(guī)定,可通過(guò)提高數(shù)字圖像對(duì)比靈敏度來(lái)補(bǔ)償數(shù)字圖像分辨率的不足,這種補(bǔ)償不超過(guò)2 個(gè)等級(jí)。即當(dāng)靈敏度提高1 個(gè)等級(jí)時(shí),允許分辨率降低1 個(gè)等級(jí)。厚度的增加,使靈敏度和分辨率下降,需要的射線(xiàn)能量增加。
介質(zhì)增加了透照的有效厚度,隨著介質(zhì)的增加,所需的射線(xiàn)強(qiáng)度增加。管徑500 mm 試樣加注汽油檢測(cè)時(shí),透照電壓達(dá)到420 kV。
試驗(yàn)結(jié)果顯示,DR檢測(cè)對(duì)體積型缺陷(氣孔、夾渣、燒穿、未焊透)效果好;對(duì)面積型缺陷(未熔合、裂紋),該類(lèi)型缺陷有1 個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他2 個(gè)方向的尺寸,在這個(gè)方向或夾角小的方向透照,缺陷的檢出率要低很多。
對(duì)于LNG 工藝管道在線(xiàn)DR 檢測(cè),由于受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,透照方式一般只能用雙壁單影或雙壁雙影透照(小徑管)方式。由于設(shè)備的擺放受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,部分檢測(cè)焦距不能完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求,甚至不能實(shí)施檢測(cè)。
LNG 工藝管道在線(xiàn)檢測(cè)以管件焊縫的抽查為重點(diǎn),包括彎頭、三通和異徑管等對(duì)接接頭的焊縫。受彎頭曲率以及現(xiàn)場(chǎng)管道的成排布置和鋼結(jié)構(gòu)的影響,射線(xiàn)機(jī)的擺放角度和位置受到限制,坡口未熔合、裂紋等缺陷的檢出率降低。
LNG 工藝管道的管徑是影響檢測(cè)結(jié)果的最重要因素。隨著管徑的增加,透照距離、保冷層厚度、介質(zhì)的等效厚度、相同厚度等級(jí)的壁厚、透照射線(xiàn)的強(qiáng)度和能量都隨之增加,管徑的影響是多種因素疊加。隨著管徑的不斷增加,介質(zhì)的影響比重越來(lái)越大,管道本身需要檢測(cè)的相對(duì)厚度變小,靈敏度降低,能夠檢出的缺陷的最小尺寸變大,管道中的細(xì)小缺陷難以檢出。
隨著管徑的增加,透照距離隨之增加,射線(xiàn)能量和距離的平方成正比,需要的射線(xiàn)能量隨之增加;LNG 管道管徑的增加,充裝介質(zhì)等效厚度增加,介質(zhì)的影響也增大。
試樣φ273×4 在帶保冷帶液的條件下,靈敏度(標(biāo)準(zhǔn)/實(shí)際)W14/W14,分辨率(標(biāo)準(zhǔn)/實(shí)際)D9/D6,靈敏度剛達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,分辨率低于標(biāo)準(zhǔn)要求,DN250 的保冷帶液的管道,靈敏度和分辨率都低于標(biāo)準(zhǔn)的要求。DN50 ~DN500 管徑的氣孔、夾渣、燒穿等體積型缺陷可以檢測(cè)出,見(jiàn)圖14 ~圖19。DN450及以下管徑未焊透可以檢測(cè)出,見(jiàn)圖20 ~圖21。對(duì)于試樣φ508×6 和φ508×8,從與裸管檢測(cè)圖像對(duì)比可以看出,未焊透的自身高度小,由于保冷帶液工況的影響,φ508×6 的未焊透的圖像顯示模糊,未焊透的特征不明顯,容易誤判,見(jiàn)圖22;φ508×8 的未焊透未能檢測(cè)出,見(jiàn)圖23。
圖14 φ108×4 試樣氣孔缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖15 φ273×4 試樣氣孔缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖16 φ325×5 試樣氣孔缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖17 φ508×8 試樣氣孔缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖18 φ273×10 試樣夾渣缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖19 φ508×6 試樣燒穿缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖20 φ377×5 試樣未焊透缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖21 φ406×6 試樣未焊透缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖22 φ508×6 試樣未焊透缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖23 φ508×8 試樣未焊透缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
坡口未熔合和裂紋等面積型缺陷,檢測(cè)效果受保冷和介質(zhì)影響更大,DN50 ~DN500 管徑的面積型缺陷在一定條件下可以檢出。φ325×5 試樣的裂紋,在裸管圖像顯示對(duì)比度就很低,需要圖像處理確認(rèn),在帶保冷帶液條件下易漏檢,見(jiàn)圖24。φ508×6 試樣的裂紋可以識(shí)別,見(jiàn)圖25。
圖24 φ325×5 試樣裂紋缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
圖25 φ508×6 試樣裂紋缺陷在裸管和帶保冷帶液工況下的檢測(cè)結(jié)果
本文通過(guò)LNG 工藝管道DR 檢測(cè)試驗(yàn),分析管徑、保冷層和管內(nèi)介質(zhì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,主要得出如下結(jié)論:
1)帶保冷層條件下管道DR 檢測(cè)試驗(yàn)表明,圖像的靈敏度和分辨率下降1 ~2 等級(jí)。管道試樣的氣孔、夾渣、未焊透等體積型缺陷,可以有效檢出;裂紋可以檢出。
2)保冷層帶介質(zhì)條件下管道DR 檢測(cè)試驗(yàn)表明,DN250 及以上的管道靈敏度和分辨率低于標(biāo)準(zhǔn)的要求。DN500 及以下管徑的氣孔、夾渣、燒穿、未焊透等缺陷可以檢出;厚壁管φ508×8 未焊透未能檢出。裂紋在一定條件可以檢出,未熔合和裂紋等面積型缺陷的檢出,受保冷層、介質(zhì)和透照角度等多重因素影響。
3)DR 技術(shù)對(duì)LNG 管道在線(xiàn)檢測(cè)是一種比較有效的手段,隨著管徑的增加,靈敏度和分辨率逐漸下降直至不能滿(mǎn)足NB/T 47013.11—2015 的要求。建議結(jié)合LNG 管道的工藝參數(shù)、使用情況進(jìn)行評(píng)估分析,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)部分進(jìn)行修訂,或者針對(duì)LNG 工藝管道DR 檢測(cè)制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13]。
4)對(duì)于大管徑LNG 管道在線(xiàn)DR 檢測(cè)需要的射線(xiàn)能量更大,可以考慮使用伽馬射線(xiàn)等能量更高的射線(xiàn),但伽馬射線(xiàn)不能提高分辨率和靈敏度,因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需要綜合考慮。
5)本文試驗(yàn)介質(zhì)汽油和LNG 密度已較為接近,但仍比LNG 密度大,相同規(guī)格管道,LNG 的等效厚度更小。所以本文試驗(yàn)結(jié)果是偏保守的,相同狀況下,LNG 介質(zhì)管道的檢測(cè)效果將優(yōu)于試驗(yàn)結(jié)果。本文試驗(yàn)結(jié)果不能完全代表真實(shí)工況下LNG 管道的檢測(cè)結(jié)果,但可作為L(zhǎng)NG 管道現(xiàn)場(chǎng)DR 檢測(cè)的重要參考。