基于磁致伸縮超聲導波技術在石化金屬容器腐蝕檢測中的應用

王志淵，孫杰，賴圣

1.寧波市特種設備檢驗研究院（浙江 寧波 315020）

2.廣東省特種設備檢測研究院（廣東 佛山 528251）

0 引言

容器廣泛應用于石油化工行業，按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》[1]的分類，容器可分為壓力容器和常壓容器兩大類。通常情況下，容器內部一般含有油氣，如原油、重油、輕油以及H2S、硫酸等易造成本體腐蝕的介質。由于石油化工行業具有較為苛刻的工況條件，許多生產單位希望在不停機條件下對容器本體完整性進行檢測。

當前，國內外針對容器本體腐蝕檢測技術手段主要有射線[2]、常規超聲/電磁超聲[3]、脈沖渦流[4]、漏磁檢測[5]、超聲導波[6]等。采用射線檢測技術，盡管可以通過底片分析壁厚的減薄情況，但是射線檢測需要設立單獨的檢測防護區域，且拍片時間長，通常僅能進行夜間作業，所以檢測效率低。電磁超聲與常規超聲的采集數據方式基本一致，通過單點采集可以直接獲取特定區域的壁厚數值，但單點采集無法快速對容器本體實施100%覆蓋掃查。脈沖渦流是近年來新興的一種可實現設備帶包覆層在線工況下無損檢測新技術，可在50～100 mm 提離條件下，對設備壁厚實施數據采集，但是如同超聲測厚的方式，脈沖渦流檢測技術一般也是實現單點數據采集，連續掃查技術還處于研究階段，因此效率不高。漏磁檢測一般情況下專用于儲罐底板的腐蝕檢測，目前還很少應用于容器壁板方面的檢測。超聲導波技術是一種可實現在役設備100%掃查的無損檢測新技術。近年來，在石油化工、天然氣站場等管道或容器腐蝕檢測應用中逐漸得到了使用者的認可。同時，基于磁致伸縮效應的超聲導波設備可實現高溫在線條件下對設備進行腐蝕數據采集，且便攜性能優于壓電系列導波設備，所以目前針對石化行業的管道容器腐蝕檢測，磁致伸縮超聲導波的市場應用前景更好。

筆者基于磁致伸縮效應超聲導波檢測技術原理，采用美國西南研究院MsSR3030R 第5 代超聲導波檢測系統，對不同環境下的在役容器開展了現場不停機在線檢測，討論了磁致伸縮效應超聲導波技術對在役容器腐蝕檢測的可行性和實用性。

1 磁致伸縮效應超聲導波檢測原理及檢測系統

1.1 磁致伸縮導波基本原理

超聲導波是一種機械彈性波，該彈性波在有限邊界的媒載中傳播（如管道錨桿、容器壁板等），傳播方向受媒載的幾何形狀約束[7]。當使用磁致伸縮效應超聲導波檢測容器腐蝕缺陷時，脈沖方波信號通過施加至磁致伸縮超聲導波探頭，探頭貼合金屬工件表面將會產生交變磁場，該磁場通過磁致伸縮效應激發出超聲導波。導波沿著金屬容器傳播，當遇見容器上的特征部位，如焊縫、吊耳、加強圈、觀察孔、腐蝕缺陷等，將會有部分波反射回接收線圈，經磁致伸縮超聲導波儀器進一步信號處理，可得到容器的金屬缺損部位信號。由于磁致伸縮效應低頻超聲導波具有傳輸距離遠、檢測速度快、信號能量集中等一系列優點，因此該檢測方法是一種適用于容器腐蝕檢測快速篩查的有效手段[8]。

磁致伸縮效應超聲導波技術一般采用水平剪切波對容器壁板進行檢測，檢測范圍可覆蓋整塊壁板（圖1）。腐蝕缺陷定量方式是通過容器某一橫截面上的金屬缺損面積占容器截面積百分比來表示[9]。

圖1 容器磁致伸縮導波檢測機理

1.2 磁致伸縮導波檢測系統

采用美國西南研究院所生產的MsSR3030R第5代超聲導波檢測系統進行現場檢測，系統由激勵信號發射機、專用電腦、檢測探頭、鐵鈷帶、專用耦合劑五大部分組成。MsSR3030R第5代系統檢測靈敏度高，可檢測出2%的截面缺損，且第5 代設備整體機身重量不超過7 kg，機身尺寸僅為42 cm×33 cm×18 cm，較之前檢測系統便攜性能有了很大的提高。

2 容器磁致伸縮超聲導波腐蝕檢測

2.1 立式儲罐罐頂板超聲導波檢測

對寧波市某煉化企業內一臺1 500 m3的鋼制立式原油儲罐罐頂進行在役不停機檢測，該臺儲罐于2005 年投用至今，運行已達16 年，容器罐頂板材質為Q235，壁厚為8.0 mm，罐頂板外部涂有油漆層，罐內承載介質為原油，罐頂板作業溫度為常溫。針對罐頂板的實際工況，選擇好超聲導波采集點，該檢測點位置應便于安裝，并能保證兩側傳播距離足夠大。對罐頂板漆層進行簡單打磨，截取適應長度鐵鈷帶，采用常溫狀態下專用耦合劑，使鐵鈷帶與罐壁板緊密貼合，然后再使用磁鐵對鐵鈷帶進行磁化，連接好采集探頭與儀器主機，調試完畢后，即開始數據采集。現場磁致伸縮超聲檢測如圖2所示。

圖2 罐頂板超聲導波檢測結果示意圖

罐頂板超聲導波特征信號顯示未發生嚴重的金屬缺損（表1），通過常規超聲測厚加以抽樣復驗，超聲導波掃查區域壁厚為8.0～8.4 mm，罐頂板整體壁厚狀況良好。

表1 罐頂板超聲導波特征信號

2.2 換熱器壁板超聲導波檢測

對北海市某煉化廠內某臺鋼制換熱壓力容器進行在役不開罐檢測，該臺換熱器于2004年投用至今，容器材質為16MnR，壁厚為16.0 mm，容器壁板外部涂有防腐層，在線溫度為120 ℃。針對容器壁板的實際工況，選擇好超聲導波采集點，為了能保證上下兩側傳播距離足夠遠，本次檢測點位置選擇在殼程筒體中間位置。探頭與儀器主機調試完畢后開始數據采集。現場磁致伸縮超聲檢測過程如圖3所示。

圖3 換熱器壁板超聲導波檢測結果示意圖

換熱器壁板超聲導波特征信號顯示未出現較嚴重的金屬缺損（表2），經電磁超聲測厚加以抽樣復驗，超聲導波掃查區域壁厚為16.0～16.8 mm，換熱器整體壁厚狀況良好。

2.3 芳烴儲罐壁板超聲導波檢測

對寧波市某煉化廠區內某臺芳烴儲罐進行在線腐蝕檢測，該臺儲罐2002 年設計，2003 年制造并進行投用，容器材質為16MnR，壁厚為18.0 mm，腐蝕裕量為3.0 mm，儲罐罐體外部涂有防腐層，在線不停機狀態下容器表面溫度為70 ℃左右。選擇好超聲導波采集點，為能保證一次檢測傳播距離足夠大，本次檢測點位置選擇在儲罐筒體中間部位，同時設定筒體上側部為正方向，下側部為負方向。現場磁致伸縮超聲檢測過程如圖4所示。

圖4 容器壁板超聲導波檢測結果示意圖

容器壁板超聲導波特征信號顯示容器筒體下側部距離探頭1.2 m左右位置存在一處疑似缺陷信號（表3），經電磁超聲密集檢測，超聲導波掃查區域疑似存在缺陷部位，壁厚最薄處僅為15.75 mm，存在輕微減薄。

表3 容器壁板超聲導波特征信號

3 結束語

磁致伸縮超聲導波技術為石化裝置區金屬容器在役腐蝕檢測提供了一種全新手段。通過磁致伸縮超聲導波對現場金屬容器在線不停機檢測及結果分析可以得出，超聲導波檢測具有操作簡便，檢測效率高，一次性可對一定范圍的容器本體進行100%腐蝕掃查。同時，超聲導波檢測手段對于缺陷定位較為準確，作為一種粗掃檢測手段，在采用超聲導波技術手段對容器本體進行腐蝕掃查過程中，往往還需要超聲測厚手段進行驗證性復檢。從現場檢測實例可得，超聲導波檢測可作為容器本體完整性檢測的一種快速篩查手段，該技術在石化裝置腐蝕檢測應用中具有良好的發展前景。