化工碼頭壓力管道在線檢測技術研究與應用

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(1.寧波舟山港股份有限公司油港輪駁分公司，寧波 315200；2.寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048；3.寧波市勞動安全技術服務公司，寧波 315048)

傳統的壓力管道定期檢驗需要企業停車檢測，并且需將管道清空并拆除保溫層。而作為碼頭輸油管道，停車和清管所產生的費用是巨大的，若恰逢油輪卸油，停車狀態的管道將無法進行輸油操作，一艘油輪停靠碼頭一天的費用要以百萬計算；其次清管和拆除保溫層等輔助工作本身也需較大花費。若對管道進行射線檢測則需要特殊的輻射防護設備及輻射檢測系統，同時射線檢測過程繁瑣，工作量較大，故傳統的定期檢驗方案具有其本身的優點，但也存在一定的問題。而采用在線檢驗技術可以較好地解決該問題，目前在化工碼頭壓力管道在線檢測中應用較為廣泛的檢測技術有超聲導波、管道漏磁檢測技術。

國內外對管道超聲導波檢測技術的研究，主要包括以下幾方面：①導波的頻散特性和傳播規律研究，FURUHASHI[1]等采用半解析法繪制了導波在管道中的頻散曲線，發現了彎曲會導致導波產生模態轉換;王秀彥等[2]發現導波探頭的布置方式和數量會對導波模態起決定性作用。②對比試樣的導波檢測和模態轉換研究，有學者采用有限元分析發現L(0,1)模態檢測小缺陷比L(0,2)模態回波幅值要高，為檢測小缺陷提供了新的思路[3]。王悅民等[4]采用不同類型管道進行了導波檢測，發現導波對刻痕缺陷和通孔缺陷較為敏感。③彎管的研究，HIDEO[5]研究發現彎管的彎曲角度會大幅影響模態L(0,1)向F(1,2)轉換時的波幅。④各類缺陷的導波信號識別研究，鐘豐平等[6]采用自制的長距離導波樣管進行檢測，發現導波對窄深缺陷檢測靈敏度較高。

針對化工碼頭傳統定期檢驗存在的問題，筆者采用超聲導波、管道漏磁等在線檢驗檢測技術對碼頭管道進行了不清管檢測，為碼頭化工企業開展在線檢測提供一定的技術支持與數據積累。

1 在線檢測技術介紹

1.1 超聲導波檢測技術

超聲導波是在有限介質的邊界內進行平面傳播的彈性波，管道長距離檢測采用的是低頻導波，文章研究的是壓電式晶片激發的低頻超聲導波，頻率范圍一般20 kHz～100 kHz，波長為10 cm～100 cm。在管道傳播的超聲導波包含縱向導波L(0,m)，扭轉導波T(0,m)，彎曲導波F(n,m)?？v向導波傳播時質點沿軸向振動，波形沿軸向傳播；扭轉導波傳播時質點沿周向振動，波形沿軸向傳播；彎曲導波傳播時質點在柱坐標三個方向都存在振動位移，且相互之間存在耦合關系[7-8]。這三種導波模態的傳播示意如圖1所示。

圖1 三種導波模態傳播示意

低頻超聲導波在傳播過程中的一個重要特點是具有頻散現象，即導波的速度隨頻率的不同而改變。超聲導波具有較多模態，且在傳播過程中會產生模態轉換，但實際檢測中常用的模態就是T(0,1)和L(0,2)波兩種[9]。導波檢測的靈敏度一般用管道橫截面積損失率來評價，低頻導波檢測儀器能達到的靈敏度一般為3%，即最小可以檢測的金屬腐蝕面積占橫截面積的3%，超聲導波的DAC(距離-波幅曲線)一般由3%，6%，9%橫截面積損失率的反射體回波曲線繪制。

1.2 管道漏磁檢測技術

管道漏磁檢測與普通磁粉檢測原理相同，都是建立在鐵磁性材料的高磁導率這一特性上的，其可以檢測出鐵磁性構件表面和近表面缺陷信息，且不需要耦合劑。管道外壁漏磁的檢測原理為：采用兩端帶有S極和N極的磁鐵將管道外壁均勻磁化，使管道、磁化結構和空氣形成一個完整的閉合回路，同時在S極和N極中間配有磁敏感傳感器，該傳感器可以采集磁場信息，進而判斷磁力線的變化情況。

當管道外壁表面和近表面無缺陷時，磁力線從S極發出到達N極，在管壁中均勻通過，無磁力線外溢或畸形，傳感器處的磁通量極其微弱，因此信號幅值也無數據波動。當管道表面存在缺陷，即隨著缺陷處及其附近磁阻的增加，缺陷附近的磁場會發生畸變，并有一部分磁力線擴散泄漏出材料表面。磁敏感傳感器采集到漏磁場信息，依據法拉第電磁感應定律，將漏磁場轉化為缺陷信號(感應電壓)，再對缺陷信號進行處理和分析，從而判斷缺陷是否存在及缺陷的形狀與尺寸[10-11]。

文章采用一種特制可變徑的管道外漏磁掃描檢測儀，其可適應不同管徑的管道檢測需求，同時保證有效的掃描寬度和檢測效率。該漏磁檢測儀具有3個分離的磁化結構，霍爾元件均布在傳感器盒內，同時配備了調節螺母等傳感器升降裝置，以調節傳感器距離管壁的高度，使其處于最佳的信號采集位置，檢測儀器實物及其結構框圖如圖2所示。

圖2 管道外壁漏磁檢測儀實物及其結構框圖

2 現場應用

2.1 超聲導波檢測應用

低頻導波檢測技術可以用來檢測常規無損檢測方法比較難檢測的管道，比如埋地管道、架空管道、帶保溫層的管道、帶料作業的管道。低頻導波一次檢測長度在50～80 m，內外部腐蝕可以同時檢測，可檢測管道的整個圓周方向(360°)，可以帶料檢測，僅需拆除一小部分保溫層供安裝卡具。低頻導波檢測技術已成功運用于石油、天然氣和化學工業中，筆者針對化工碼頭輸油管道的低頻導波在線檢測進行了研究，采用的設備是英國焊接研究所研發的長距離管道腐蝕超聲導波聚焦檢測系統(Teletset Focus系統)，該系統主要由主機、卡具、筆記本電腦、連接導線等組成，如圖3所示。

圖3 Teletest Focus超聲導波檢測系統組成示意

此次檢測的是碼頭庫區的一段長為150 m，φ273 mm×10 mm(通徑×壁厚)的壓力管道，該管道材料為L245,管內介質為原油，無管道保濕層，涂層為防腐漆，等級為GC2。在150 m長度范圍內無法蘭、閥門、彎頭、三通等結構，現場檢測圖片如圖4所示。

圖4 低頻導波檢測現場

該管道存在一段長為150m左右的直管段，根據現場情況，選取在兩條環焊縫之間1/3或者2/3的位置處安裝導波卡具。根據管道的基本參數，選取的儀器參數如下：10英寸(1英寸=25.4 mm)卡具，32個多模式模塊，檢測波形為L波和T波，160個傳感器，氣泵壓力為0.4 MPa，探頭環間距為30 mm，檢測頻率為20～90 kHz。由于低頻超聲導波穿過彎頭、閥門等復雜部件時，能量會發生嚴重衰減，此時采集到的數據已無實際價值，因此此次檢測采集的有效數據為導波經過直管段的數據。根據Teletest系統采集的數據，從中分別選取信噪比較高的曲線，由于是在線檢測，L波信噪比較低，T波較為適合檢測帶料運行的管道，因此選取T(0,1),36 kHz波形進行分析，對應的波形如圖5所示。

圖5 T(0,1)導波檢測某直管段的波形圖(頻率為36 kHz，環間距為30 mm)

從波形圖可以看出一共存在11個特征點，均來自環焊縫的反射，其中焊縫M距離卡具安裝位置為150 m，從焊縫A到焊縫M波峰連接所形成的曲線即為超聲導波DAC曲線中的-14 dB曲線。由于該段管道均為直管段，波形較為典型，軟件可自動生成DAC曲線，圖5中綠色的線為-26 dB線，黑色虛線為-32 dB噪聲線，因此該段直管段無異常腐蝕信號，運行狀況良好。

對于存在較長直管段的管道，可根據多道焊縫反射信號形成的DAC曲線來判斷腐蝕情況，但是對于化工設備管道來講，直管段長度一般很難達到100 m左右，通常為5～10 m，無法形成完整的DAC曲線，因此需要人工在現場進行特征點與缺陷點判別。下面以一段長為8 m的管道為例進行說明。

該段管道直管段長度為8 m，管道尺寸(通徑×壁厚)為250 mm×9 mm，采用Teletest 10寸卡具，32個模塊組，進行T波、L波檢測，環間距為30 mm，檢測波形如圖6所示。

圖6 L(0,2)導波檢測某直管段的波形圖(頻率為61 kHz，環間距為30 mm)

對導波采集波形信號點進行分析統計，結果如表1所示。

表1 L(0,2)導波檢測特征點的統計分析

根據檢測可知，在無法自動生成DAC曲線的管道檢測中，需要人工現場對導波檢測結果中的異常波形進行逐一確認，例如特征波A正方向和負方向的波形，可以判斷為彎頭前焊縫以及后焊縫的波形。根據導波性質可知，導波穿過彎頭后，波形會出現大規模紊亂，給實際分析帶來較大難度，因此只分析直管段，同理可得異常信號C，經過現場實測，特征信號C的顯示位置與彎頭距離卡具位置相吻合，所以可以排除異常點，定義為特征點。但對于異常點B而言，現場實際情況無任何對應特征點，因此根據信號位置，對+1.53 m處進行圓周方向密集型測厚，結果發現管道圓周方向正上方的原來壁厚為9 mm的地方實測壁厚為7.8 mm，減薄了1.2 mm，即出現了局部內腐蝕凹坑。

2.2 管道外壁漏磁檢測應用

管道外壁漏磁檢測技術在現場的應用案例較多，下面以某化工碼頭113#管線為例進行說明。113#管線原始數據如下：管道尺寸(通徑×壁厚)為300 mm×6.35 mm，長度為11 m，管道級別為GC1，材料為碳鋼+PE，管內介質為鹽酸。

檢測參數設置如下：檢測速度為0.1 m/s，驅動方式為人工推動，標定試板為10 mm厚人工試板，檢測儀器為10通道，設置板長為500 mm，板寬為600 mm，門檻值為20%，提離值設置為1 mm?，F場檢測圖片如圖7所示。

圖7 現場人工推動檢測

檢測結果如圖8所示。

圖8 某化工碼頭113#管線漏磁檢測結果

根據掃查結果可以看出：沿管道圓周方向共進行了11次掃查，并確保每次掃查覆蓋前一次的20%寬度，圖中灰色部位為管端法蘭位置，漏磁儀器無法進行檢測，為盲區部位。對圖中缺陷位置進行實際測量并進行腐蝕深度判斷，結果顯示該位置存在40%～80%的腐蝕缺陷，但現場進行宏觀檢查后，未發現外表面存在明顯腐蝕減薄，隨后采用27MG型超聲波測厚儀進行密集測厚，也未發現明顯內表面腐蝕減薄，但管道表面存在防腐漆顆粒凸起，因此綜合判斷該信號為儀器通過該油漆凸起后產生的偽缺陷信號，可以予以排除。

其他現場典型檢測結果如圖9所示。

圖9 管線漏磁檢測典型檢測結果

管道漏磁檢測與缺陷判斷要點總結如下：①檢測前應采用相同板厚的試板進行標定，確定檢測靈敏度；②檢測時要勻速推動，盡量避免產生振動；③隨著提離值的增大，檢測儀的靈敏度會隨之下降，因此要合理設計傳感器的提離值以保證檢測靈敏度；④現場注意管道周向的定位設置；⑤采用宏觀檢查和超聲密集型測厚排除偽缺陷；⑥采用其他無損檢測方法進行復驗；⑦缺陷的圖譜一般存在腐蝕當量代表色單一出現，并出現多次重疊的特點。

3 結論

超聲導波和管道外壁漏磁兩項技術結合使用，可以在碼頭壓力管道在線檢驗檢測過程中發揮出獨特的優勢，可以快速大面積檢測管道母材缺陷，能為企業解決兩大難題，一是不停車、不清管檢測；二是不用大面積拆除保溫層進行檢測，為企業減少了相關輔助工作經濟花費的開支。該兩項技術在運用過程中，主要還存在以下幾方面的難題：低頻導波波形復雜、轉換波形的有效分析，缺陷波的準確識別，螺旋焊縫的波形分析，漏磁偽缺陷的判別等。解決的主要方法有：一是采用有限元軟件進行仿真分析，為現場檢驗提供一定的支持；二是積累現場檢驗經驗和數據分析經驗。