金屬壓力容器壓力管道裂紋無損檢測技術研究

沈 強，袁 紅

（大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116016）

金屬壓力容器壓力管道在使用過程中經常會受到來自容器管道內部與容器管道外部兩個環境因素的腐蝕，造成腐蝕的主要是因為電化學腐蝕，比如碳酸鈣的腐蝕、硫化氫的腐蝕、二氧化碳的腐蝕、一氧化碳的腐蝕以及土壤腐蝕等等，這種腐蝕會降低金屬壓力容器壓力管道的力學性能和耐久性能，其中包括韌性、硬度、塑性以及強度等，對其金屬構件的幾何形狀以及完整性具有一定的破壞性，最終導致金屬結構出現裂紋，縮短金屬壓力容器壓力管道的使用壽命[1]。所以裂紋檢測技術成為保證金屬壓力容器壓力管道運行安全的有效手段，利用相關檢測技術與檢測方法對投入運行的壓力容器和管道進行定期檢測，根據《石油天然氣容器管道安全監督和管理暫行規定》，在用金屬壓力容器壓力管道裂紋檢測分為運行狀態下的在線檢測和停止運行后的裂紋檢測兩種，運行狀態下的在線檢測每個月至少一次，停止運行后的裂紋檢測是按照一定的檢測周期進行比較全面的檢測[2]。總體來說，可將其分為內部裂紋檢測技術與外部裂紋檢測技術兩類。將檢測儀器安置在金屬壓力容器壓力管道內部為內部裂紋檢測技術，其主要是針對容器管道內壁的裂紋情況進行檢查，常用的技術有超聲波無損檢測技術、渦流無損檢測技術、激光無損檢測技術等；將檢測儀器安置在金屬壓力容器壓力管道外部為外部裂紋檢測技術，其主要是針對容器管道外壁表面的裂紋情況進行檢查，常用的技術有自動化無損檢測技術、漏磁無損檢測技術等。由于傳統檢測技術在應用過程中具有檢測效率低、誤差大等缺點，已經無法滿足檢測需求，對于在役容器管道裂紋檢測技術需要進行完善，為此提出金屬壓力容器壓力管道裂紋無損檢測技術研究，提高檢測技術應用價值，為金屬壓力容器壓力管道提供良好的運行環境。

1 金屬壓力容器壓力管道裂紋無損檢測技術

壓力容器管道裂紋無損檢測包括安裝過程中的無損檢測和在用容器管道的無損檢測，此次只是針對在用金屬壓力容器壓力管道裂紋的無損檢測技術研究，所以在此不對安裝過程中的無損檢測進行過多說明。對于在用金屬壓力容器壓力管道裂紋檢測一般在處于運行狀態下進行，檢查環境惡劣，檢測條件復雜，在技術實際應用過程中容易受到外界因素干擾，而降低檢測精度，所以該項技術具有一定的實施難度[3]。此次研究目標針對金屬壓力容器壓力管道的表面裂紋缺陷，借鑒國外檢測經驗，提出一種微波無損檢測技術。微波是指頻率范圍在150MHz到200MHz的電磁波，由于電磁波與金屬介質和非金屬介質之間會呈現出不同的特性，對于金屬類東西，微波在其界面會發生傳遞和穿透特性，對于非金屬類東西，微波在其界面會發生反射和吸收特性。由于金屬裂紋會阻斷電磁波的傳遞，以此為判斷依據對管道裂紋進行檢測。

該技術以電磁波均勻傳輸線理論以及金屬、非金屬導波理論作為理論基礎，對金屬壓力容器壓力管道裂紋缺陷進行檢測與識別，主要在理論研究基礎上通過分析金屬電磁波特征信號的變化來實現裂紋缺陷特征的識別與檢驗。在檢測過程中利用微波技術向金屬管道發射電磁波，將金屬管道視作為微波波導，根據波導理論，利用無線傳感技術采集到微波信號，然后對數據進行處理和分析，掌握電磁波變化規律，從而實現金屬壓力容器壓力管道內徑、外徑表面裂紋的檢測和定位。以下從金屬壓力容器壓力管道裂紋數據采集、數據處理、裂紋定位三個方面對技術進行詳細說明。

1.1 金屬壓力容器壓力管道裂紋數據采集

電磁波與金屬介質的相互特性呈現傳遞與穿透特性，對于非金屬介質呈現出吸收和反射特性，以電磁波傳到原理作為理論依據，將微波振蕩器作為電磁波信號源，向金屬壓力容器壓力管道發射電磁波，以無限傳感器作為信號接收裝置，采集到金屬壓力容器壓力管道微波信號。

首先將微波振蕩器的反射電橋兩端利用無損電纜分別接入金屬壓力容器壓力管道待測兩端，同時將反射電橋一端與無線傳感器相連接，將無線傳感器與待測金屬保持垂直狀態，開啟微波振蕩器向容器管道發射電磁波，同時無線傳感器對容器管道進行逐點掃描，采集到電磁波信號[4]。為了保證采集信號的質量，在進行數據采集之前需要將微波發射裝置與信號采集裝置進行校準，校準電磁波導入口與導出口的開路、短路。由于金屬壓力容器壓力管道的內外徑長度不同，所以微波導入頻率也有所不同，通常情況下內徑長度在15.10-15.60mm之間，微波頻率在47.20-48.05 GHz范圍內；外徑長度在19.55-20.10mm之間，微波頻率為48.94-49.97 GHz范圍內，具體微波信號頻率參數設置如下表所示。

無線傳感器掃頻范圍在15.05-16.35 GHz，掃描點數設置為250點，以此實現微波信號采集。

1.2 金屬壓力容器壓力管道裂紋數據處理

當電磁波發射信號為突發型電磁波發射信號時，用于金屬壓力容器壓力管道裂紋定位的相關參數?t，可通過無線傳感裝置采集到的介質記錄信號的達到時間來確定。由于在信號采集過程中，如果周圍存在電纜、高壓電線等其它金屬介質，會干擾信號采集，使采集的微波信號為連續性發生信號，此時采集到的發射參數對裂紋檢測沒有任何意義，其中包括微波計數、電磁波計數率、微波上升時間、微波持續時間、微波幅度分布等[5]。除此之外，電磁波發射信號的衰減現象，電磁波發射信號在結構中傳播時的頻散，微波多模態現象等問題，導致無線傳感裝置無法直接采集到接收信號的時間差，所以需要對采集到的數據進行處理。采用小波包變換法對采集到的信號進行處理，首先將采集到的微波信號進行分解，分解成各個頻段的信號，其公式表示如下：

公式（1）中，?表示小波分解函數；W為相應的尺度函數；Q為信號正交補空間。通過信號分解得到各個頻段的能量，然后選取一定頻段信號進行小波包重組，以此實現信號處理，為后續裂紋定位分析提供依據。

1.3 金屬壓力容器壓力管道裂紋定位分析

由于裂紋點的位置是未知的，且采集的信號量較大，為了保證裂紋定位分析的精度，將微波信號以相同長度分成兩份，從實際檢測考慮，將信號長度設定為2t，并且選擇固定的采樣頻率z，假設前半部分微波信號為a，后半部分微波信號為b，從而得到相關系數，其計算公式如下所示:

公式（2）中，n為采集的微波信號數量；i為前半部分微波信號數量；j為后半部分微波信號數量。如果該系數值大于0，說明金屬壓力容器壓力管道不存在裂紋；如果該系數值小于0，說明金屬壓力容器壓力管道存在裂紋，其位置計算公式如下：

公式（3）中，D為金屬壓力容器壓力管道長度；v為電磁波傳播速度；?t為導入電磁波與導出電磁波的時差[6]。利用公式（3）可以確定金屬壓力容器壓力管道出現裂紋的具體位置，以此完成無損檢測技術設計。

2 實驗

實驗選取某個金屬壓力容器壓力管道為實驗對象，管道長度為500m，外徑長度為19.75cm，內徑長度為15.30 cm，管道存在寬度1.5mm-5.5mm裂紋，裂紋深度為0.6mm-1.3mm。利用此次設計技術與傳統技術對管道裂紋進行檢測，對比兩種技術的檢測誤差，實驗結果如下圖所示。

圖1 兩種技術檢測誤差對比

從上圖可以看出，此次設計技術檢測誤差與傳統技術相比較低，根據實驗結果說明此次設計的微波無損檢測技術可以很好的取代傳統檢測技術，能夠滿足金屬壓力容器壓力管道裂紋檢測精度需求。

3 結束語

作為石油和天然氣的運輸設備，金屬壓力容器壓力管道的安全性一直受到社會高度重視，針對管道裂紋檢測需求，將微波技術應用到檢測中，形成一種新的檢測技術，提高金屬壓力容器壓力管道裂紋檢測技術水平，降低檢測誤差，具有較高的應用價值。由于此次研究時間有限，雖然取得了一定的研究成果，但還存在一些不足之處，今后還需要在實踐中對其進行不斷完善。