幾種壓力容器快速檢測技術方法比較

李明娥 于光升

（酒泉市特種設備檢驗所，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

根據國家技術標準規定，壓力容器定期檢驗工作主要是資料審查、宏觀檢驗、壁厚測定、磁粉、滲透、超聲、耐壓試驗[1]等無損檢測，檢驗前后所需步驟較多，需要清空原料、開罐、清洗、置換、去除表面防腐層、檢驗、重新恢復表面防腐等[2]，檢測程序比較復雜，檢驗速度慢，效率低，而且一般要求停車、拆除保溫保冷層，才能開罐進行檢驗。這就更加加劇了企業的時間成本、人員成本和材料成本。使用經驗表明，相當一部分壓力容器停車期間產生的腐蝕破壞程度遠比正常使用時的腐蝕嚴重得多，所以停車后開罐檢驗有可能進一步加劇容器的損傷程度，而且大多數壓力容器是集成密閉循環系統的一部分，如果檢測時必須停車，則會破壞密封系統，給企業帶來較大的經濟損失[3]。因此，使用單位希望有一種新的快速檢測技術，能夠在不需要開罐的情況下，安全、高效、快捷、低成本地開展檢測，并對容器的安全狀況進行評估。在這種現實需求下，脈沖渦流、聲發射、熱成像技術的應用變得極為迫切。

1 脈沖渦流檢測技術

脈沖渦流檢測是利用交變磁場在導電材料中所感應渦流的電磁效應評價被檢工件的無損檢測方法，檢測的主要原理（見圖1）是通過脈沖發射機發射出電磁場信號，經過線圈誘導電磁場產生渦流，最后由接收器反映渦流脈沖信號的衰變情況，對信號特征的響應時間和參考值進行分析計算，明確金屬物件的厚度和保溫層的使用情況[4]，在檢測的全過程中，交變磁場在傳播過程所感應的渦流會受到導電材料的磁導率和電導率影響，金屬材料產生缺陷，造成這種現象的反應與缺陷位置、缺陷類型具有唯一對應性，因此可以通過觀察信號反饋，從而得到有效的數據信息，判斷出缺陷的具體位置。而在承壓設備的檢測過程中，應用電磁渦流無損檢測技術進行檢測，通過觀察渦輪的對應形狀，可以迅速判斷出容器內部的電磁場干擾情況，進而迅速得出具體的缺陷位置和缺陷類型。例如在現場的檢驗檢測中，若檢測區域無缺陷或者缺陷很小，則產生的電渦流較為均勻，層狀分布，具有一定的流動性，渦流會對試件進行磁場感應。而一旦檢測區域出現缺陷，電渦輪的形狀就會立即發生改變，根據渦輪形狀的不同，筆者就可以迅速找到容器出現缺陷的具體位置。脈沖渦流無損檢測技術具有自動化、可靠性高等優點， 因此其大多用于探測金屬容器內部的缺陷。

圖1 脈沖渦流示意圖

這種檢測技術可以在設備不停車的情況下完成檢測項目，可顯著提高檢驗效率，降低檢驗成本，且穿透能力強，能檢出保溫保冷層、使用鋁皮、鐵皮等保護層的金屬構件壁厚或其他壁厚的腐蝕減薄缺陷，但是這種方法也有局限性，難以檢出管壁內小體積缺陷。被檢工件中渦流分布與深度的關系遵循物理規律，渦流密度隨著深度的增加而快速衰減。檢測時應該注意以下因素的影響：1）檢測線圈的內徑與背檢管材外徑相匹配；2）對比試樣選擇恰當，避免影響檢測靈敏度；3）檢測速度與調試時試樣和檢測線圈的相對速度接近；4）覆蓋層厚度和電導率；5）放置式線圈焊縫的渦流檢測，要注意非導體覆蓋層對檢測靈敏度的影響，其與探頭和被測工件之間的距離有關；6）被檢工件的形狀和探頭與檢測區域的接近程度；7）線圈的方向；8）缺陷的類型、大小和深度；9）邊緣效應。

2 聲發射技術

材料在受內力或者外力作用下產生斷裂或者變形時以彈性波形式釋放出局部應變能的現象 ， 稱為聲發射 （AE） ， 如果用儀器檢測、記錄、分析這種聲發射信號，并利用聲發射信號推斷聲發射源進而找出缺陷位置的方法就是聲發射檢測技術。其原理是材料在應力作用下產生裂紋萌生與擴展、塑性變形、夾雜物斷裂和脫開等，該技術是判斷結構是否失效的重要機制，也是確定聲發射源的重要技術。

具體來說聲發射檢測是通過物體自身所受內力或外力產生變形或斷裂所產生的應變能等參數來評判缺陷類型、危害程度、結構連續性、剩余壽命等[5]，所提供瞬時或連續信號隨時間、溫度、載荷等外部變化而產生，可應用于監視過程并預測早期損壞和即將發生的損壞，定量判斷缺陷類型和存在位置，在缺陷萌生階段和擴展過程中均可發現，該技術對“活”的缺陷檢出率較高（原理見圖2）。

圖2 聲發射檢測原理圖

該技術對被檢工件的要求不高，適用于劇毒、高溫、核輻射、易燃易爆等難以進入的環境，但局限性在于對材料敏感，容易受到機電噪聲的干擾。由于聲發射的不可逆性，實驗過程中的聲發射信號無法通過多次加載而反復獲得，每個檢測過程的信號采集是非常寶貴的，不應因人為疏忽而丟失寶貴的數據，所以對現場檢驗人員要求較高，需要更豐富的數據庫和現場測試經驗。

3 熱成像技術

熱成像檢測技術是指利用物體溫度高低不同所散發出來的輻射能量大小不同的原理，折射到光學物鏡光敏原件上得到紅外熱像圖，圖像顯示不同顏色代表被測物體的不同溫度[6]（原理見圖3）。該技術被廣泛應用于高溫壓力容器的在線檢測，并在常溫壓力容器疲勞損傷檢測方面得到初步應用，并用于裂紋、焊縫、銹蝕和疲勞等方面檢測，常用來檢測壓力容器中因使用而損壞的內襯、保溫層的跑冷跑熱、液面異常等，根據異常情況來側面反映容器有無腐蝕或運行有無異常。該技術是被動式非接觸性的檢測與識別，操作方便，不受電磁干擾，可以宏觀地反應被測物體的溫度場，但是圖像對比度低，分辨能力差，成本較高。

圖3 熱成像原理圖

由于紅外線熱成像無損檢測技術是一種先進的無損檢測技術，相關檢驗設備十分昂貴，因此導致在技術方面與引入時間上存在一定的局限性，使該技術難以在一些規模較小的企業得到推廣與應用，而在規模較大的一些企業中，其應用優勢正逐漸地突顯出來。概括來說，其優點十分明顯：1）具備極高的安全性。2）靈敏度較高。3）檢測效率高，能夠節省成本。

4 脈沖渦流和聲發射在實際中應用

以某廠脫正丁烷塔重沸器殼程出入口管線為例，進行渦流掃查，發現出口彎頭處有16%減薄區域，出口下直管有11%減薄區域，為驗證渦流掃查結果的準確性，進一步拆除保溫進行超聲波測厚，發現彎頭表面及直管表面存在腐蝕產物（見圖4），彎頭位置超聲波測厚實測標定位置10.4mm，腐蝕減薄位置最小值9.2mm，直管位置超聲波測厚實測標定位置10.2mm，腐蝕減薄位置最小值9.8mm，與渦流掃查數據吻合（見圖5、圖6）。根據使用工況分析，有保溫層的大氣腐蝕，判斷為安裝質量差或覆蓋層局部破損造成，建議下一個檢驗周期再進行脈沖渦流掃查。

圖4 彎頭處腐蝕產物

圖5 彎頭處掃查數據

圖6 直管段掃查數據

以1臺20000m3儲罐為例，直徑為40m，高度為16m，液位為13.5m，介質為原油，共用24個傳感器進行檢測，均安裝在罐體外側，1~12號為檢測傳感器，安裝在離罐基礎0.75m，7~12號為護衛傳感器，安裝在高度為2m，數據采集為18.5h，按照JB/T 10764-2007標準的規定，采用區域定位分析及分級方法對儲罐底板進行數據分析見表1[7]。

表1 基于區域定位分析的聲發射圓的分級

通過對采集的數據進行分析，發現夜間采集數據存在干擾，干擾源為周期信號，選取白天采集的3h進行數據分析，處理之后得到的撞擊數為24580個，事件數為2338個，單個通道每小時出現的撞擊數612個，結合儲罐運行檢修情況，該儲罐底板腐蝕狀況評價為Ⅱ。為驗證檢驗結果，進行開罐檢驗，發現儲罐底部幅板靠近中央的幅板防腐層出現局部鼓包破損現象，周圍幅板有深度不等的腐蝕坑，最大深度為1.8mm，最大減薄量20%，與聲發射檢驗結果相吻合，建議3a后再進行聲發射檢測。

5 結語

熱成像技術作為一種新型的檢測技術，對壓力容器的內襯、保溫層的跑冷跑熱、檢測液面的異常等方面有重大的指導意義，雖然具有效率高等優點，但由于檢測成本較高等原因未得到普及。脈沖渦流檢測技術由于檢測精準、檢出率高等優點在壓力容器和壓力管道檢測方面得到廣泛應用。聲發射由于需要龐大的數據庫和現場檢驗經驗豐富的檢驗人員等原因，在壓力容器檢測方面有些掣肘。為提高壓力容器檢測效率，降低企業經濟損失，根據設備特征選擇合適的壓力容器不拆保溫、不開罐的快速檢測技術，分別檢測壓力容器壁厚變化、腐蝕及活動性缺陷等情況，從而評估其安全可靠性能，提高檢測效率，這是今后努力的方向。