新型無損檢測技術在鋼質油氣管道上的應用探討

(1.中石油青海油田監督監理公司，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劃設計有限公司，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，在投用前以及運行中需要定期進行無損檢測。常規的無損檢測技術主要有射線檢測(RT)、超聲檢測(UT)、磁粉檢測(MT)和液體滲透檢測(PT)等[1]。采用常規的無損檢測技術,則壓力管道必須停用并清除管體內外雜質及附著物，成本較高，也影響正常生產。因此，應開展新型無損檢測技術研究和應用，在油氣管道帶壓、不卸料、不停產的情況下實現無損檢測，從而提高檢測效率，降低檢測成本，消除檢測工作對生產的影響[2]。

該文對幾種新型無損檢測技術的特點和應用進行了探討。

1 超聲衍射時差技術(TOFD)

1.1 TOFD原理

常規的超聲探傷方法是利用超聲波在缺陷表面的反射波對缺陷進行檢測[3]，而TOFD方法是通過對缺陷兩個尖端的衍射波信號進行探測，并通過信號數據分析來測量缺陷的尺寸。其基本原理是采用一發一收的高精密匹配縱波斜探頭進行檢測，在被檢測管道的中心線對稱放置(其中探頭間距取決于被測管道的有效厚度、探頭聲束角度以及發射頻率)。檢測時，發射探頭將聲束指向角很大的縱波從側面入射被檢區域斷面。對于無缺陷的管體，接收探頭接收到管體近表面傳播的橫向波和底面的反射縱波，當有缺陷存在時，在橫向波和底面反射波之間，接收探頭還會接收到管體缺陷上端點發出的衍射波和缺陷下端點發出的衍射波。當表面存在缺陷時，橫向波會被阻斷，遲于底面反射波到達接收探頭，但因其速度較慢，且表面缺陷可通過常規磁粉等檢驗，因此現場實際分析時一般忽略不計。其具體原理示意見圖1。

圖1 TOFD技術原理示意

由于兩探頭對稱設置，可以由下式計算出缺陷所在深度和缺陷自身高度：

式中：h為反射信號的深度，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和缺陷下端點衍射信號時間，s。

1.2 TOFD優點

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

(2)檢測精度高。可對缺陷所在深度、位置進行精確定位，并可測量缺陷自身高度。研究表明，對線狀缺陷(可測缺陷長度)或面狀缺陷(可測缺陷長度、深度)定量誤差≤1 mm;對點狀、體積狀(可測缺陷長度、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幾毫米。

(3)檢測成本低，無射線輻射，對現場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。

(2)當上表面缺陷較小時，容易漏檢。

1.4 TOFD應用

目前，TOFD技術已在國外實際檢測中廣泛應用，并制定了相應的標準或規范。2006年，由中國特種設備檢測研究院(以下簡稱中國特檢院)牽頭，組織起草了衍射時差法超聲檢測的相關標準。此后，中國特檢院在質檢總局指定的試點工程(神華煤液化工程)開展了厚壁壓力容器的TOFD檢測工作，取得了良好效果。通過近年來的大量應用(共計檢測20 000 m以上的焊縫)，2015年該標準得到完善并重新以NB/T 47013.10—2015《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》頒布實施。

2 超聲相控陣技術

2.1 超聲相控陣技術原理

超聲相控陣技術的應用和研究始于1960年，主要是通過借鑒軍用的相控陣雷達技術，逐步發展到民用領域。該技術初期主要應用于醫藥行業，如醫學B超成像中用相控陣換能器快速移動聲束對被檢器官成像[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現超聲波發射、接收，探頭采用多個小晶片構成，其中每一個晶片均被獨立激發，并施加不同的時間延遲，每個小晶片均可視為輻射柱面波的線狀波源。當采用一定的時間間隔(即相位)激發探頭上的陣列小晶片時，這些線狀波源的波陣面就會產生波的干涉，形成所需的整體波陣面，從而實現聲束在不同角度、不同聚焦范圍下的變化。該技術能精確實現聲束的掃描、偏轉和聚焦，控制聲束的角度和焦點尺寸,通過采用不同的延遲時間來產生所需的聲束，主要有3種，分別是同時激發每個晶片產生直波束、順序依次激發每個晶片產生斜波束和從兩側到中間依次激發晶片產生聚焦聲束。其主要工作原理示意見圖2。

圖2 超聲相控陣技術原理示意

2.2 超聲相控陣技術優點

(1)探頭尺寸更小。每個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)準確性更高。傳統超聲波采用單晶片或雙晶片探頭進行探測，只能進行單一角度掃查，而相控陣技術采用多晶片、多角度聲束掃查，對于復雜外形、大壁厚及盲區管材管件等具有較好的檢測效果。

2.3 超聲相控陣技術局限性

(1)由于壓電晶片對溫度變化較敏感，因此用于溫差大的管體檢測時容易出現漂移。

(2)儀器儀表的操作較復雜，對操作人員水平要求較高。

2.4 超聲相控陣技術應用

近年來,由于壓電復合材料、電子信息技術和計算機技術的快速發展，逐步解決了干擾回波修正、晶片增益修正、入射點漂移及能量分布不均等問題，使超聲相控陣技術得以快速發展，同時設備成本開始逐漸下降，部分設備已經可以國產化。目前,在國內西氣東輸工程中已開始大量應用。2012年在西氣東輸三線工程應用PipeWIZARD全自動相控陣技術對大口徑油氣管道環焊縫進行了檢測，檢測到油氣管道在預制、防腐、保溫、運輸和敷設中產生的各類機械損傷缺陷以及管體自身所帶有的內部缺陷。該方法檢測結果與射線檢測結果進行對比，符合率達到90%以上，同時檢測出了大量射線檢測法未檢出的層間未熔合缺陷，取得了較好的效果。目前，歐洲主要國家參考ISO的相關標準頒布了本國標準，國內也頒布了相關相控陣超聲檢測的國家標準和行業標準。

3 電磁超聲檢測技術(EMAT)

3.1 EMAT原理

EMAT是最近幾年新發展的無損檢測方法。該方法無需耦合劑，不僅適用于輸油管道的無損檢測，同時也適用于輸氣管道的無損檢測[6]。EMAT技術的基本原理與傳統超聲波檢測一樣，都是利用超聲波檢測管體中的缺陷，但不同的是EMAT技術是利用電磁場激發聲束，而傳統超聲波是利用壓力晶片的壓電效應來激發聲束。當EMAT線圈中通過20 Hz～20 MHz的超聲波頻率交流電時，由于電磁效應，被測管體中會產生渦流，從而引起管體的局部振動，管體局部幾何形狀發生微小變形，形成伸縮效應，同時缺陷表面產生一定的渦流效應，運動電荷受洛倫茲力的影響，幾種耦合效應并存，管道缺陷表面激發回波，回波信號被探頭檢測到，以小波變換的方式從信號中剝離出有用信息。其具體原理示意見圖3。

圖3 EMAT技術原理示意

3.2 EMAT優點

(1)檢測缺陷類型多。可設計不同的線圈形狀和磁鐵結構，激發不同頻率的超聲波，檢測更多的缺陷類型，如內腐蝕、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)，可排除管道介質與檢測器之間的液體影響。該方法不需要對金屬表面進行特殊處理，可以在耦合劑揮發或凍結的高、低溫環境下檢測，可適用于最高溫度750 ℃的壓力管道檢測。

(3)適應性強。可適用于1～12 mm壁厚的管體檢測。

3.3 EMAT局限性

(1)由于需要借助電磁效應實現檢測，因此只適用于金屬管道。

(2)設備購置成本較高，單次檢測費用較高。

3.4 EMAT應用

目前,歐盟以及日本等國家相繼進行了大量EMAT技術的室內試驗和現場論證,加速了該技術的推廣和應用。同時美國、歐盟等均已制定了針對油氣管道的EMAT行業標準，國內也制定了EMAT檢測的相關國家標準。其應用領域從最初的中厚板、火車輪檢測及高溫測厚，發展到焊縫檢測、鋼棒檢測、鋼管檢測、鐵路鋼軌檢測及復合材料檢測等眾多領域，具有廣闊的應用前景。

4 脈沖渦流技術(PEC)

4.1 PEC原理

近年來，國內外專業人員不斷地嘗試脈沖渦流技術進行遠場壁厚檢測的技術研究并取得了一定的進展。該技術原理基于電磁感應，在線圈中通入一定占空比的脈沖方波信號，在一定時間內與管體之間形成快速衰減的電磁場，通過線圈感應可以非接觸式地在金屬壁厚中產生并傳播脈沖渦流信號，隨著該信號在管體中傳播，被測管體中又感應出一個快速衰減的二次磁場，該磁場可以感應到管體因缺陷而產生的瞬態電壓信號，數據采集模塊根據瞬態電壓信號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優點

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

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

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

圖4 PEC技術原理示意

4.3 PEC局限性

(1)設備購置成本較高，單次檢測費用較高。

(2)激勵線圈尺寸較大，無法在較小的特殊管件上進行缺陷檢測，對于微小變形檢測能力不足。

4.4 PEC應用

目前,尚沒有商業化的脈沖渦流檢測儀上市，大多是研究人員自行設計和制造的實驗室簡易設備，主要是對現場中無法檢測的特殊缺陷管段進行室內試驗檢測。目前，國內相關標準有GB/T 28705—2012《無損檢測 脈沖渦流檢測方法》、NB/T 47013.13—2015《承壓設備無損檢測 第13部分:脈沖渦流檢測》。該技術工業應用經驗較少，推廣實施具有一定的難度。

5 檢測方法有效性驗證

5.1 檢測技術選擇

當前油氣管道可用的新型檢測技術包括TOFD技術、相控陣檢測技術、EMAT技術及PEC技術等。其中TOFD和相控陣檢測技術較為成熟，設備購置成本相對較低，國內外標準較為完善。而EMAT技術、PEC技術相對還不夠成熟，檢測設備昂貴，相關設備國內數量僅有一兩臺，都擔負著國內重點項目研究工作，目前在國內遠沒有達到工業應用階段，可在將來的研究中作為備選手段[7-8]。

5.2 現場試驗

選擇某采油廠站間2.5 km輸油管道開展了實際檢測驗證對比試驗。該管線規格為外徑159 mm×厚度12 mm，材質為20號鋼，設計溫度為50 ℃，操作壓力為6.3 MPa，實際輸量45×104t/a，輸送介質為含水油，屬于GC2類壓力管道。

試驗條件為不停產、不卸料，分別采用TOFD和相控陣技術進行檢測。TOFD采用美國PAC公司Pock-etut檢測儀及手動掃查器，根據管材實際情況并參照相關標準中推薦的探頭參數選擇探頭，設置的工藝參數見表1。相控陣檢測采用日本Olympus公司的OmniScan MX2檢測儀器，設置的工藝參數見表2。

表1 TOFD工藝參數

表2 相控陣檢測工藝參數

5.3 檢測結果對比

試驗期間，同時利用常規射線檢測方法進行檢測，并對兩者檢測結果進行了對比。對環焊縫以及角焊縫的檢測對比表明：TOFD發現26處埋藏缺陷，包括氣孔、根部未焊透、未熔合以及條狀夾渣等缺陷類型，并給定了缺陷尺寸和埋深位置；相控陣檢測發現了21處埋藏缺陷，包括表面裂紋、根部未焊透、未熔合以及條狀夾渣等缺陷類型，也給出了缺陷尺寸和埋深位置；而射線檢測只發現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行檢測對比，3種檢測技術下的典型缺陷尺寸信息見表3。由表3可知，射線檢測可檢出表面、近表面的一些缺陷，但對于深層缺陷檢測能力不足；TOFD可檢出大多數缺陷類型，但對于表面裂紋缺陷，如果深度較小，則缺陷信號容易被淹沒在直通波中不易識別，存在盲區；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+相控陣檢測方法對焊縫缺陷進行全面檢測，可以接近100%檢測出焊縫缺陷類型。此外TOFD還發現了11處底部腐蝕缺陷，射線檢測未檢出該類缺陷。

表3 缺陷尺寸信息對比 mm

6 結束語

無損檢測技術是保障石油化工行業壓力容器、壓力管道安全應用的關鍵技術之一。在今后還應大力推廣應用新技術、新工藝，逐步實現在役油氣管道、壓力容器的不停產、不卸料在線檢測。建議采用TOFD+相控陣技術對油氣管道進行檢測，將電磁超聲技術和脈沖渦流技術作為檢測的備選手段，以便及時發現管道焊縫、表面及深層的各類缺陷，更好地推動管道完整性管理工作。