石油化工裝置無損檢測方法新進展研究

耿雪峰 薛小龍

摘 要：無損檢測技術是一門新興的綜合學科，它在對被檢測對象不破壞或不損壞的基礎上，通過分析材料內部異常結構或者存在缺陷引發的熱、光等變化，進一步對各種工程材料、零部件、結構件等內部缺陷積極探測，并且準確評價缺陷的類型、性質變化。石油化工企業創造最佳經濟效益的措施就是長期安全運行設備。在無損檢測方法中射線檢測技術可以快速辨別工藝中需要優化的問題，準確測量容器內固體與高粘度液體料位，迅速明確設備的內漏及檢測裝置內停留物料時間，對于解除裝置故障，實現長期穩定運轉發揮了重要意義。

關鍵詞：石油化工裝置 無損檢測 射線檢測

中圖分類號：F407.22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0016-03

1 石油化工裝置無損檢測簡介

在石油化工裝置建設過程中無損檢測是一個關鍵工序，是確保焊接質量的主要手段，利用無損檢測，可以對焊縫內部質量情況有效檢查，及時處理各種超標缺陷，并且采取預防措施，提升焊接質量，進一步確保工程整體質量，為裝置安全運行提供保證。裝置無損檢測的關鍵是鍋爐、壓力容器和壓力管道，在總檢測量中它們的檢測量之和超過了80%，裝置在運行過程中它們也是出現最多隱患的部位，因此，在無損檢測中屬于重中之重，隨意需要精心策劃檢測工作，認真對過程進行控制，加強管理。石油化工裝置無損檢測工作重點在于檢測工作量較大，檢測時間有限，交叉復雜的工序，與安裝工作彼此互相干擾；射線損害人體，無法同步開展操作時間與安裝作業時間，對無損檢測進度造成了嚴重的制約，對檢測質量工作造成了阻礙。

2 無損檢測的發展和常見的無損檢測方法

2.1 無損檢測的發展

2.1.1 無損檢測的任務與挑戰

如今社會亟需各種安全保障。很多安全保障的物質與基礎都是無損檢測。我國無損檢測事業發展迅速。管理人員、技術人員、操作人員，甚至決策人員也開始慢慢接受了無損檢測理念，而檢測理念也由單純的從發展缺陷為目的轉變為無損評價和質量控制。其隊伍正在不斷地發展，逐漸壯大。研究和引進檢測有關理論及新技術方法，開發智能化、自動化的檢測無損儀器，檢測規范標準化，日益壯大的實力。

發展無損檢測水平是國家工業發達程度的主要標志。雖然我國在無損檢測方面獲得了很大的進步，科室總體水平還不夠高，與發達國家相比差距還是很大的。研究和應用新技術并未充分普及，在培養高級人才問題上差距太大，由于過分地追求近期經濟效益，導致投入無損檢測有關基礎研究遠比發達國家少。為了保證我國持續發展無損檢測技術，必須重視以上問題。此外，持續擴大的無損檢測對象和積極提高的無損檢測要求，也形成了不少具有挑戰性的問題。

2.1.2 為國家需求積極服務

WTO的加入，使我國經濟發展快速匯聚到全球經濟發展中。與此同時，國外投資嚴格要求產品質量與高度重視保護環境也促使了逐漸更新換代無損檢測技術。為了能夠為國家提供更好的服務需求，發展無損檢測的基本推動力是以應用目標為導向。在全球經濟一體化發展的狀態下，前進的速度慢了也就意味著退步。責任感和使命感推動大家持有更加明確的目標投入工作。從整體上分析，盡管我國與發達國家的差距很大，但我國無損檢測正在接軌于國際的發展，這也是很顯著的成績。

微電子技術、處理數字信號技術和計算機技術等突破性發展推動人類進入了信息社會。它們的進步發展，既對傳統無損檢測提出了非常嚴格的要求，也為發展無損檢測技術提供了很強的基礎。尤為關鍵的是，由此產生的國際產業大轉移推進中國制造業形成了極大的發展空間。我國已經出臺了發展成為國際制造中心的政策，勢必為發展無損檢測事業制造非常好的機會。制造大國若缺少了較高水平的無損檢測，就無法成為制造強國。

2.1.3 無損檢測技術的研究與開發

促進我國發展無損檢測事業，必須對其進行研和開發。具體指針對某一對象的無損檢測技術方法的研究、與無損檢測有關的基礎研究與應用研究和開發無損檢測設備等。從這個意義上來看，無損檢測是一門具有較強交叉性的綜合多種學科的技術，與其他學科和技術的發展緊密相連。

現如今，很大一部分無損檢測技術的原理采用的某些物理效應。無損檢測過程是首先通過探測信號攜帶物體內部信息，然后在接收信號中獲取信息，最后得出結論。所以一定要有效重視兩個方面：（1）怎樣通過探測信號帶出信息，（2）怎樣從信號中獲得信息。在信息科學中的不少成功經驗都引入到無損檢測之中；反之，在無損檢測中其成功應用也會有效豐富信息科學的知識庫。無損檢測系統從傳送信息的角度分析，包含電子線路、處理信息系統、檢測對象以及傳感系統三部分。對于檢測設備，抓緊兩頭帶中間，也即是提高傳感系統和處理信號系統功能應成為主要研究方向。將無損檢測與現代信息科學有效結合，造成無損檢測出現飛躍性進步。

2.2 常見的無損檢測方法

2.2.1 射線檢測方法

采用射線檢測方法，指的是通過各類型射線對材料投射性能及不同材料吸收、衰減射線的不同程度，使得底片感光成不同黑度的圖像實行觀察，射線檢測已是一種可行性的、不可或缺的檢測材料內部缺陷的方法，為很多工業部門所應用。

X射線檢測是一般常采用的方法，被檢測物體透過射線時，根據有缺陷部分和無缺陷部分吸收射線能力不同進行判斷，一般情況下是通過有缺陷部位的射線強度比無缺陷部位的高，所以利用對被檢測物體的穿透射線強度差異，可以對被測物體中是否存在缺陷進行判斷（圖1）。

2.2.2 超聲檢測法

在工業無損檢測技術中，應用最廣泛的技術之一就是超聲檢測技術，也是在無損檢測領域中研究最活躍的技術。共陣法、投射法與脈沖反射法在超聲檢測中應用最多。

（1）共陣法應用的原理是共振，通過探頭將超聲波輻射至試件之后，利用不斷調整聲波的頻率，從而積極改變其波長，當試件的厚度與整數倍聲波半波長相當時，就會在試件中形成駐波，然后對超聲波的頻率和共振次數進行檢測，最后計算試件的厚度。

（2）投射發是應用最早的一種超聲檢測技術。其機理是在試件的兩個對立面分別放置發射探頭與接收探頭，按照超聲波對試件進行穿透獲得變化的能量，有效實施判斷試件內部質量，如果試件內部無缺陷，當聲波穿透試件后衰減小，那么獲得較強的接收信號；若是試件內部有小的缺陷，聲波部分在傳播過程中被缺陷遮擋，使得其在缺陷之后產生了陰影，而接收探頭只可以對微弱的信號有效接收；如果試件中缺陷面積大于聲束截面，全部聲束都會被缺陷遮擋，接收探頭也就接收不到任何發射信號。

（3）脈沖反射法。它是目前應用最廣的一種超聲波檢測方法。脈沖反射法是利用在試件內超聲脈沖傳播時，如果遭遇相差較大的聲阻抗介質時，將會出現反射檢測，利用一個探頭當作發射和接收設備，將接收信號在探傷儀的熒光屏上顯示，并且按照大小反射波、缺陷及底面有無和在基軸上的部位對缺陷的有無雨大小做進一步的有效判斷。

2.2.3 磁粉檢測法

磁粉檢測方法是指通過聚集磁粉體現鐵磁性材料和其工件表面以及近表面缺陷的無損檢測方法，結合缺陷的漏磁磁場強度與磁通密度之間的正比關系，試件的磁化強度和缺陷的位置、尺寸決定了其分布和強度，漏磁場強度越大，缺陷部位對磁粉越容易進行吸附，此外，內部缺陷的漏磁磁場要弱于缺陷的漏磁場，通過這一方法能夠對缺陷的形狀、大小有效顯示，并且對缺陷性質積極確定。

進行磁粉檢測時，被檢工件需要被磁化，在磁化過程中，為獲得較強的缺陷漏磁場，還要盡可能使工件內部的磁力線正交缺陷表面。

2.2.4 滲透檢測

滲透探傷是一種表面缺陷的探傷方法，具體在金屬材料中應用，采取的是紅色滲透液或者黃綠色的熒光滲透液，因為其潤濕功能和毛細現象而滲入表面開口的缺陷，然后被吸附和顯像，經過對缺陷圖像痕跡的顯示放大，導致可以通過肉眼對試件表面的開口缺陷積極查找。

3 石油化工裝置中射線檢測技術的應用

3.1 γ射線掃描技術

3.1.1 γ射線掃描技術原理

首先，γ射線透過物體之后其衰減強度服從指數規律：

其中，I和I1分別為穿透物體和無待測物體過程中探測器的γ射線強度， 為質量修正吸收系數。

待測裝置的兩側分別是射線源與探測器，設計一個掃描移動裝置推動射線源和探測器沿著裝置同步位移和測量，也就完成了射線掃描裝置工作。

3.1.2 在塔設備操作中γ射線掃描技術的應用

在診斷新設備故障中廣泛應用了γ射線掃描技術。具體是在設備兩側同時放置γ射線源與探測器，并且保證同步移動對設備內操作介質和密度積極檢測。介質密度的不同是由于不同設備類型的不同位置而形成的，并且吸收γ射線也不一樣。通過這個技術能夠輕易對一些異常問題有效進行檢測，包含：失蹤或者塌陷的塔板、塌陷的填料層、嚴重起泡沫、脫落的塔板上的人通道板塊等。但是對于一些不明顯的現象，也很難正確解釋掃描結果，這不僅要求具有的掃描知識經驗必須豐富，了解該設備的相關知識也是必需的。

在塔設備的故障診斷不僅應用了γ射線掃描技術，可以無干擾、不停工監測塔設備。對于生產過程中的主要設備，采取經常性的γ射線掃描檢查，能夠確保穩定與安全的生產，特別是針對容易腐蝕、具有較大原料波動、結垢的分離塔設備的運行情況，應當構建設備歷史操作數據庫。此外，γ射線掃描技術還可以實行有目的的跟蹤并發現部分主要參數的變化，可以對潛在問題故障早期發現并且迅速解決，確保正常開展生產。

（1）檢測塔盤沖落故障。

某個分流操作存在著異常，為了尋找具體原因，通過γ射線掃描檢測該塔，通過分析可知，波谷位置射線強度在塔盤11、14-15、18層的比其他塔盤要明顯高，說明這些塔盤上不常有液體，也許這幾層的塔盤很可能遭遇過沖翻或者掉落。之后搶修這些設備時，檢查該塔發現，確實已經沖翻了這些層的塔盤。

某常壓塔出現了故障，常一和常二存在著嚴重的重疊問題，從而使得產品質量下降，影響了低裝置的經濟效益，因為該廠的主要裝置是常壓塔，一般不會經常實施搶修工作。為了方便采取對應的措施，可以通過γ射線掃描檢測常壓塔故障所在位置。由于分兩次掃描塔盤左右兩邊，每次掃描的情況也不盡相同，比如源與探測器的距離，所以射線強度無可比性。正常情況下的塔，每層塔盤都利用射線掃描形成了一個波峰和波谷。對于同一次掃描曲線，各個塔盤應具有相當的波峰或者波谷。通過分析可知，5-6、7-9層左邊塔盤的波峰和波谷射線強度差值相對較少，波谷還高于其他塔盤，所以認為在這些層的塔盤已經出現了沖翻或者掉落問題。在對其實施搶修時，證實塔內情況完全符合檢測結果。

（2）檢測診斷液泛故障。

某個分餾塔塔底油箱沒有油，無法找到具體原因，因此利用γ射線掃描檢測該塔，結果見圖。通過分析可知，塔盤3-5層之間射線強度最低，表明這個區間出現了大量液體，也就是在該區域產生了液泛；集油箱正在塔盤下面，射線通過集油箱的強度極大，表明集油箱無油或是極少。由此可知，3-5層塔盤之所以形成液泛，僅是因為塔盤或降液管出現了堵塞現象。經停工檢修已證實符合檢測結果。

剛檢修完某污水汽提塔，開工之后就產生了故障：降低了處理能力，側線帶液，影響了生產以及環保。為了查明原因，通過γ射線檢測該塔，通過結果可知，射線強度在塔盤13-22層之間最低，接近本底值，表明該層塔盤之間有許多液體，即出現了液泛問題。經車間聯系檢測結果，并科學地組織進行檢修工作，發現13層降液管已被污泥堵塞。

（3）檢測診斷泄漏與霧沫夾帶故障。

某催化分餾塔塔頂操作產生了異常，因此通過γ射線掃描檢測該塔，通過分析結果可知，20-27層塔盤之間出現了較低的波峰，表明這一區域形成了較大的氣相區混相密度；20-27層塔盤之間出現了漏液或霧沫夾帶故障；28-29層塔盤之間雖然波峰較低，但波谷也很低，所以屬于正常范圍。在掃描射線的過程中，一般在某一區間存在物體，比如厚度較大的法蘭人孔能夠衰減射線強度。

某脫硫塔γ射線掃描檢測。從塔頂依次向下檢測掃描，將射線源與探測器放置在欄桿之外，掃描步長約20 mm，每點采樣時間為5s，通過分析測量結果可知，超過14層塔盤、7-8層塔盤之間測量的射線強度較低，主要原因是塔內存在的人孔，可以認為這些塔盤無故障；11-12層塔盤和5-6層塔盤之間受到管線的影響明顯，射線測量強度較低，也可以認為無故障；9-10層塔盤可以認為受到了嚴重的霧沫夾帶影響。

3.2 中子背散射測量技術

3.2.1 中子背散射原理

在測量化工反應器、容器或管道的壁厚與腐蝕形成的壁厚變化中采用中子背散射技術，但是其中一定擁有中子慢化劑的物質，例如水、酒精、碳氫化合物等。中子源發射出快中子，穿透器壁達到慢化介質。因為液體中其他質量數值原子、中子以及氫原子形成了較大作用截面，所以在慢化介質中，快中子漸漸地慢化并實現熱平衡，從而產生熱中子。

而熱中子會出現背散射，一部分的反射中的熱中子被器壁吸收。探測器探測到了由兩部分組成的熱中子，其一是遭遇器壁及結焦或者結垢形成的慢化，這一部分極少，基本能夠忽略；其二是遭遇慢化介質的慢化。

在同一側放置源與探測器，在方形鐵箱中放入水，這一鐵箱壁厚2mm。鐵箱與探測器和源緊靠，水和探測器之間的距離是0，之后逐步將探測器和水箱之間的距離進行改變，并且對熱中子積極測量，科學觀察水和探測器之間的距離及其影響熱中子計數的情況，見圖2。

通過圖2可知，熱中子強度計數隨著水與探測器間距離的增大而減小，距離和強度之間形成了函數關系，類似于γ射線指數衰變。利用下式表示反射規律：

因此，對熱中子強度積極測量之后可以計算出水和探測器之間的距離。

綜合分析可知，探測器與慢化介質間的距離可以利用中子背散射技術進行有效測量，同時探測器與慢化介質之間的距離由于結垢出現了變化，有效利用對這一距離的測量就能夠間接對慢化介質料位有效測量。

3.2.2 在檢測料位中利用中子背散射技術

在料位中利用中子背散射技術，測量或者檢測壓力容器器壁結垢界面，明確降液管中泡沫的高度或液位，明確反應器中催化劑料面，明確在填料塔中填料底層頂端和底端的位置等。

中子背散射技術在工業上應用廣泛，常利用其對料位積極測量，又因為大多利用中子源Am-Be，而這一類型中子源擁產出不可控的中子，如果測量的反應器壁厚相對較大，就需要擁有較大活度的中子源，增加防護工作的難度。因此，利用了中子管替代中子源，可以控制中子管輸出中子，并且中子管輸出中子的活度也得到了有效提高。

某廠擁有氣液分離罐和加氫反應器，對液位壓差裝置有可能造成堵塞導壓管的可能性進行監控，由于無法立刻停工檢修反應體系，所以亟需從外部積極了解裝置內料位。該一分離器的壁厚為50mm，反應器厚度為100mm，同時它們形成了較高的壓力操作，對料位準確測量造成了影響。另外，利用中子背散射技術掃描檢測氣液分離罐或者加氫反應器的料位，沿器壁外中子背散掃描結果見圖3。從圖中能夠對料位準確判斷。

3.3 放射性示蹤技術

當前，在石油化工裝置中還擁有放射性示蹤技術，這是一種被廣泛應用的射線檢測技術。γ射線掃描和中子背散射技術歸類于密封源放射技術，一般僅能從外部測量設備。但是，通常比較理想的是可以認真了解設備內部介質、速率與頻率，可以通過采用在工藝流程中添加固體、液體或氣體材料對上述問題有效解決。

4 石油化工裝置中射線檢測技術的新發展

4.1 數字射線照相技術時代

4.1.1 數字射線照相技術的優點

20世紀80年代出現了數字射線照相技術，之后根據工業需求積極改進，主要優點為其一有利于存檔圖像數據；其二方便記錄報告結果；其三可以對信息實現共享；其四容易實現自動化檢測；其五可以自動識別缺陷；其六加強處理數字；其七不需要消耗品以及化學藥品；其八曝光時間短暫。

4.1.2 基本三要素

（1）像素。像素矩陣構成了數字圖像。數字射線典型照片包含了幾百萬像素。當前比較流行的數碼照相也是這樣。事實上，數字射線照相和數碼照相有很多相似的地方，二者全部是有限的像素數，一般像素尺寸要大于膠片顆粒，因此存在著分辨率以及圖像清晰度問題。要對這些問題有效解決，可以利用小焦點或者微焦點放大投影。數字射線照相速度一般要快于膠片照相，就像數碼照相芯片速度要快于膠片照相一樣。對于射線檢測人員來講，利用數字射線照相要更加有利益身體健康。

（2）彼特。黑白數碼照片一般包含了256個灰度層。使用8bir的圖像，因為人眼無法對更小的灰度差進行識別。數字射線照相一般是12或者16bir的圖像，也就是說，在理論上數字射線照相含有的信息量要超過人眼看到的信息。這些額外信息能夠不更好的對圖像進行處理，通常用于調節亮度以及顯示對比度。

（3）壓縮。一般在數碼照相中使用壓縮，主要是為了減少占用文檔空間，但是壓縮以后可能出現偽缺陷，會和真缺陷互相混淆。

4.1.3 數字射線照相技術成像系統及工作原理

（1）底片掃描法。

底片掃描法就是高分辨率掃描射線照相底片，把射線照相底片上的影像轉變為數字圖像。數字化底片影像之后掃面至計算機，不但可以保留底片高分辨率的優勢，還能夠利用數字加強處理方式令射線照相底片信息量有效增加。可以改變這一掃描的像素芯距，擁有良好的空間線性。

（2）CR成像系統。

這一系統并不是將傳統醫用或者工業射線膠片對信息進行記錄與顯示，而是應用可記錄，并且通過激光讀取射線影像信息的熒光成像板作為載體，通過射線曝光以及CR掃描器激光掃描讀取信息，和影像處理軟件配套通過計算機完成處理圖像，進一步產生數字式二維平面圖像。

IP熒光成像板 的主要涂層為熒光成像層，具體功能是在使用過程中成像板通過X線攝影產生潛影，在通過激光掃描形成熒光影像。成像物質是輝盡性熒光體。這一物質具備了光輝盡發光特點的物質。光輝盡發光便是記錄最初受到光刺激的信號，當光再次進行刺激時，會釋放出類似最初光刺激的信號。

（3）DR成像系統。

DR成像系統也就是數字射線照相系統，其不同于CR系統，具體是利用影像檢測器代替工業射線膠片獲得X射線影像，并且直接轉變為數字影像，與處理影像軟件配合通過計算機實行儲存。

4.2 今后重點應用的技術

在21世紀初期，以下技術將會獲得積極應用：（1）在制造、在役檢驗與過程控制方面數字X射線實時檢測系統的應用。（2）具有交換數據、利用NDI工作站的計算機化的射線檢測系統。（3）放大微焦點成像的X射線成像檢驗系統。（4）低成本、小型CT系統。（5）光電導X射線大面積攝像機。（6）高靈敏度小型X射線攝像機。

5 結語

大量工業實踐說明，在石油化工裝置故障中采用射線檢測技術進行診斷體現出迅速、直觀與準確的特點，能夠確保正常生產以及可靠運作，盡量避免非正常停工以及減少停工現象，從而有效減少了因非正常停工造成的巨大經濟損失，使石油化工裝置安全、長期、穩定運行得到了有效保證。該技術除了用于檢測石油化工裝置故障之外，還能夠評價裝置工作情況、優化操作、增效挖潛以及完成預測維修等。在石油化工裝置無損檢測中推廣應用射線檢測技術，可以迅速提高裝置運行水平。因此，該技術在石油化工領域具有十分廣闊的應用前景。

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