MsS 低頻超聲導波檢測技術在壓力容器檢測中的應用實踐

黃啟人，孔龍，李家興，楊達，馮雪松，崔金閃

（1.中國特種設備檢測研究院；2.北京康坦科技有限公司，北京 100029）

由于生產單位需要長周期不間斷生產和對特種設備安全的意識提高，壓力容器在非停工狀態下在線檢測和壓力容器整體安全狀況檢查的需求越來越多。而常規檢測手段（超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測和滲透檢測）難以檢測非停工狀態下非常溫壓力容器，并且常規檢測手段用于較大的壓力容器整體安全狀況檢查的檢測效率低。對于檢測非停工狀態下非常溫壓力容器（無襯里或堆焊層），引入了MsS 低頻超聲導波檢測技術。MsS 低頻超聲導波檢測技術不僅可以對非停工狀態下壓力容器在線檢測，還可以快速地檢查壓力容器整體的安全狀況。而本文中MsS 低頻超聲導波檢測技術在壓力容器（無襯里或堆焊層）檢測中的應用是借鑒MsS 低頻超聲導波檢測技術在壓力管道檢測中的應用經驗。

1 MsS 低頻超聲導波檢測原理

超聲導波是由于超聲波在介質中的不連續交界面間產生多次往復反射，并進一步產生復雜的干涉和幾何彌散而形成的彈性機械波。超聲導波并不是單一的一種波，而是一系列諧波的疊加。它可沿著結構長度傳播，并受結構的幾何邊界導向約束。

MsS 低頻超聲導波檢測是指鐵磁性材料基于磁致伸縮效應在外加低頻變換磁場的作用下產低頻彈性機械波，并將彈性機械波傳入被檢工件中形成低頻超聲導波。低頻超聲導波在沿著收件工件長度方向傳播時，當遇到受檢工件中缺陷就會在缺陷部位形成一定比例的反射波。反射波反向傳播至鐵磁性材料使鐵磁性材料再次產生機械振動。基于磁致伸縮效應的逆效，再次產生的生機械振動改變了鐵磁性材料本身的磁場。通過接收并分析鐵磁性材料磁場的變化，從而來判定被檢工件的質量狀況。

圖1 MsS 低頻超聲導波檢測原理示意圖

2 MsS 低頻超聲導波檢測技術特點

檢測精度高：最高靈敏度為管道橫截面積損失量的0.7%（最新試驗數據，達到pinhole 針孔腐蝕檢測級別，這種缺陷可進一步導致腐蝕穿孔），可靠檢測靈敏度為管道橫截面積損失量的5%，監測時，靈敏度可以達到管道橫截面積損失量的0.6%。

檢測范圍大：對于帶油漆層的地上直管段，理想狀態下，單方向可以檢測660 英尺（200 米），檢測精度為管道橫截面積損失量的2%～3%。

高溫應用：可以進行高溫管線腐蝕的在線檢測與長期狀態監測，最高溫度可達500℃；可以對帶有伴熱管的管線進行檢測（例如：主管道與伴熱管線的間距很小，最寬處僅有20 毫米可以在主管線上安裝MsS 探頭，進行主管道的在線腐蝕檢測與長期監測）。

MsS 探頭的特點：MsS 探頭結構簡單、價格低廉；檢測不受管道直徑的限制，1.5 ～80 英寸的管道；對于埋地管線，可以將MsS 探頭永久地安裝在管道上，進行長期監測。

軸向精度：與主機系統的信噪比和所采用的操作頻率有關。軸向定位精度比導波的壹倍波長稍微大一些。

缺陷識別：MsS 軟件操作界面簡單，缺陷特征顯示直觀；能夠根據信號幅度和相位對缺陷進行快速實時采集和信號分析，自動生成檢測報告；能夠將新舊數據進行對比處理，實施長期狀態監測。

耦合方式：探頭與管道之間的耦合方式有兩種：機械干耦合與耦合劑耦合。對于良好的管道外表面狀態（無或有微小腐蝕坑），可采用機械干耦合方式；對于管道表面有若干腐蝕坑，又不允許打磨的情況下，不建議采用機械干耦合方式，可采用耦合劑耦合的方式（耦合劑耦合方式比機械干耦合方式靈敏度高6dB）。

應用范圍：不僅可以用于鐵磁性金屬材料的檢測，還可以用于非鐵磁性金屬材料和非金屬材料的檢測，如不銹鋼、銅、鋁、鈦等和PVC 材料、玻璃、水泥、木材等的檢測。

3 MsS 低頻超聲導波檢測技術應用

3.1 MsS 低頻超聲導波檢測技術操作流程

（1）檢測儀器：MsSR3030R 低頻超聲導波檢測系統。

（2）檢測程序：①選擇合適的檢測點，對檢測點部位去掉寬度為300 毫米的保溫層，打磨壓力容器表面使其露出金屬光澤；②根據壓力容器所需檢測寬度剪切相應長度的鐵鈷合金條帶，并磁化鐵鈷合金條帶；③利用剪切波耦合劑使鐵鈷合金條帶與壓力容器外表面相耦合，連接適配器；④連接數據線和電纜線；打開儀器，進行數據的采集和保存。檢測頻率為4 ～250kHz；⑤分析數據，出具報告。

（3）相關說明見表1。

表1 檢測報告的符號說明

3.2 MsS 低頻超聲導波檢測某化工廠在役乙二醇反應器

（1）乙二醇反應器基本信息（見表2）。

表2 乙二醇反應器基本信息

（2）檢測數據。圖2 中粗實線為MsS 低頻超聲導波檢測探頭布置位置且探頭為環向整圈布置，細實豎線為環向焊縫且為碳鋼和不銹鋼對接焊縫。如圖2 所示，在乙二醇反應器上布置6 處MsS 低頻超聲導波檢測探頭，并采集6 組數據進行分析。本論文取檢測位置MsS-shang-1 和檢測位置MsSxia-3 的檢測數據做詳細描述。右側材質為碳鋼，探頭布置詳見圖2。從圖3 和圖4 來看，特種信號反射比較明顯，信噪比良好，在有效檢測范圍內，無較大腐蝕缺陷。

圖2 乙二醇反應器檢測探頭布置示意圖

圖3 檢測位置MsS-shang-1 檢測波形圖

圖4 檢測位置MsS-shang-1 檢測結果

圖5 檢測位置MsS-xia-3 檢測波形圖

（3）壁厚驗證。用超聲波測厚儀測量乙二醇反應器壁厚對MsS 低頻超聲導波檢測結果進行驗證。抽查部位壁厚測定結果與MsS 低頻超聲導波檢測結果相符合。壁厚測定結果詳見圖7（圖中實線部分為焊縫）。

3.3 MsS 低頻超聲導波檢測某化工廠在役H2 氣儲槽

（1）H2氣儲槽基本信息（見表3）。

圖6 檢測位置MsS-xia-3 檢測結果

圖7 乙二醇反應器壁厚測定位置及其數值示意圖

表3 H2 氣儲槽基本信息

（2）檢測數據。圖8 中粗實線為MsS 低頻超聲導波檢測探頭布置位置且探頭為環向整圈布置。從圖9 和圖10 來看，H2氣儲槽JF-201A 通過本次檢測未發現較大腐蝕缺陷。

圖8 H2 氣儲槽檢測探頭布置示意圖

（3）壁厚驗證。用超聲波測厚儀測量H2氣儲槽JF-201A 壁厚對MsS 低頻超聲導波檢測結果進行驗證，壁厚測定結果與MsS 低頻超聲導波檢測結果相符合。壁厚測定結果詳見圖11。

4 技術應用總結

圖9 JF-201A 檢測波形圖

圖10 JF-201A 檢測結果

圖11 H2 氣儲槽壁厚測定位置及其數值示意圖

MsS 低頻超聲導波檢測技術應用于壓力容器檢測，可以快速并可靠地篩查壓力容器整體或局部的質量狀況；可將疑似缺陷部位準確定位并通過壁厚測定和其他檢測手段對疑似缺陷部位進行判定。通過MsS 低頻超聲導波檢測技術對壓力容器的篩查，可使壁厚測定和其他檢測手段檢測壓力容器時具有一定的針對性，而不僅僅是憑借經驗和檢測歷史來決定檢測位置。MsS 低頻超聲導波檢測技術可對壓力容器在線進行檢測，其檢測最高溫度可達500℃，彌補了常規檢測手段在高溫環境下難以實施的問題，為壓力容器在線檢驗提供了可靠的技術支撐。MsS 低頻超聲導波檢測技術只能檢測出被檢設備檢測部位橫截面積的缺失百分比，通常會與壁厚測定和其他檢測技術結合使用。MsS 低頻超聲導波檢測技術的一次檢測長度要依據被檢工件的結構和表面腐蝕情況以及檢測有效信號的情況而定。