含未焊透缺陷管道不停機檢驗與合于使用評價

周海彥 竺哲明 趙星波 商瑜烽 陸水龍 郭 濤

（紹興市特種設備檢測院 紹興市特種設備智能檢測與評價重點實驗室）

導熱油管道是導熱油在鍋爐和工藝設備之間循環(huán)的載體， 一般有出油和回油兩個回路，采用循環(huán)泵強制循環(huán)， 將熱量傳遞給工藝用熱設備，同時返回鍋爐繼續(xù)加熱，在較低的壓力下，可以獲得較高的溫度［1］，因此導熱油管道在印染、生物醫(yī)藥及化工等行業(yè)得到廣泛應用。 導熱油管道一般選用20#鋼，參照GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》或GB 3087—2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》，外面一般有保溫層（主要材料為巖棉或玻璃棉） 和保護層 （一般為0.45 mm不銹鋼鋼板）。運行中壓力不高，溫度一般在250～300 ℃，一旦發(fā)生泄漏，極易發(fā)生火災危險，因為表面溫度較高，有灼傷的風險，有一定危險性［2］，所以開展導熱油管道定期檢驗意義重大。

1 工業(yè)管道的檢測

TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》（簡稱工業(yè)管道定檢規(guī)） 中規(guī)定，定期檢驗一般在管道停止運行期間進行。 由于導熱油管道長周期運行，使用單位停機較為困難， 而且停止運行后導熱油清空排放也相當困難，如果不清空，考慮到導熱油介質(zhì)密度較大，常規(guī)射線檢測黑度達不到標準要求，無法對埋藏缺陷進行有效判斷。 筆者基于X射線數(shù)字成像檢測技術（Digital Radiography，DR）對在用導熱油管道進行不停機檢驗，可以避免使用單位因停機導致停產(chǎn)造成的經(jīng)濟損失，而且使用單位也可以節(jié)省保溫層拆除、物料清空及保溫層再恢復等成本。

對于檢測過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷（如未焊透等），大量的現(xiàn)場經(jīng)驗表明， 此類管道已使用多年，在使用過程中并未出現(xiàn)過失效問題，說明工業(yè)管道定檢規(guī)的定級方法存在一定的保守性［3～5］，而且很多管道存在因工藝特點無法停機、檢修工期限制及返修困難等問題，使用單位無法及時對缺陷部位進行返修。 一般可以采用合于使用評價的方法進行安全評定，判斷管道在運行工況下的安全性［6～10］，檢驗流程如圖1所示。

圖1 工業(yè)管道全流程檢驗示意圖

合于使用評價是在對缺陷或損傷進行定量檢測的基礎上， 通過嚴格的理論分析與計算，確定缺陷或損傷是否危害設備的安全可靠性，并基于缺陷或損傷的動力學發(fā)展規(guī)律確定設備的安全服役壽命。 通過X射線數(shù)字檢測技術，解決在線檢驗不停機的問題， 對于X射線數(shù)字檢測發(fā)現(xiàn)的超標缺陷開展合于使用評價工作，可以讓使用單位在滿足一定條件時不必立即進行返修處理，減少使用單位因非正常停機造成的經(jīng)濟損失，滿足特殊行業(yè)長周期運行的需求。

筆者以導熱油管道定期檢驗為例， 利用X射線數(shù)字成像檢測技術對工業(yè)管道進行埋藏缺陷檢測，針對超標缺陷，基于合于使用評價技術判斷能否繼續(xù)安全運行，從而實現(xiàn)工業(yè)管道不停機檢驗全流程貫通。

2 不停機檢驗和管道缺陷情況

2.1 射線數(shù)字成像技術

射線數(shù)字成像技術［11］是由X射線機產(chǎn)生X射線，將射線照射在被檢工件上，由平板探測器接收含有被檢工件內(nèi)部結構信息的X射線影像，平板探測器將X射線能量轉換成電信號， 由數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)A/D轉換，將電信號轉換成數(shù)字信號，可以直接存儲、 顯示和記錄數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 數(shù)字射線成像系統(tǒng)組成框圖

X射線數(shù)字成像技術在繼承常規(guī)膠片照相優(yōu)點的基礎上， 借助于計算機和數(shù)字圖像處理技術，由數(shù)字探測器代替膠片，利用計算機和數(shù)字圖像處理技術代替洗片過程，顯示器代替觀片燈作為圖像顯示和缺陷評定的載體，大幅提高了檢測效率，對氨制冷管道、高溫管道有較好的缺陷檢出效果［12，13］。

文中導熱油定期檢驗使用的是以色列維迪斯科 （VIDISCO）V-RX型號的數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)，成像面積222 mm×222 mm，圖像板尺寸60 mm×330 mm×13 mm，動態(tài)范圍14 bit（16 384灰度等級），解析度3.5 lp/mm，像素間距143 μm，射線機電壓最高300 kV，可便攜、全電池、無線操作，基本能滿足現(xiàn)場檢測需要。

2.2 缺陷檢測情況

導熱油管道參數(shù)如下：

管道級別 GC2

設計壓力 0.5 MPa

設計溫度 290 ℃

材料 20#鋼

介質(zhì) 導熱油

管徑壁厚 φ76 mm×4.0mm

定期檢驗中無損檢測參照NB/T 47013.11—2015《承壓設備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》，但是帶介質(zhì)、帶保溫層的管道的數(shù)字成像檢測無相應的國家標準，筆者參考由北京市特種設備檢測中心牽頭制定的北京市地方標準DB11/T 1699—2019《在用氨制冷壓力管道X射線數(shù)字成像檢測技術要求》， 含液態(tài)介質(zhì)管道線型像質(zhì)計宜放置在探測器側的工件上，管道帶保溫層時，應放置于靠近探測器的保溫層外側，電壓225 kV，電流0.5 mA，數(shù)字射線檢測圖像如圖3所示，利用DR軟件均衡化（圖4）、極性處理（圖5）功能，觀察圖像更直觀，避免人為的缺陷誤判、漏判。從圖5中可以明顯看出， 焊縫處缺陷為整圈未焊透， 借助NB/T 47013.2附錄L未焊透深度測量對比試塊，測到未焊透缺陷深度1.5 mm。 根據(jù)工業(yè)管道定檢規(guī)，管道安全狀況綜合評定為4級，應當對缺陷進行處理， 缺陷處理的方式包括采用修理的方法消除缺陷或者進行合于使用評價。 由于特種設備使用單位生產(chǎn)等原因， 無法在短時間內(nèi)進行停機修理，因此開展未焊透缺陷的合于使用評價。

圖3 導熱油管道數(shù)字射線檢測圖像

圖4 數(shù)字圖像均衡化處理效果圖

圖5 數(shù)字圖像極性處理效果圖

3 合于使用評價

3.1 合于使用評價方法選擇

管道材料為20#鋼， 在設計和運行工況下有良好的延展性，且無脆化傾向。 經(jīng)電磁高溫測厚儀測定，管道壁厚為4.0～4.1 mm，幾乎未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，選取計算壁厚T=4.0 mm。缺陷深度C即未焊透深度，取C=1.5 mm，故體積缺陷的深度C小于計算壁厚T的70%，且缺陷底部最小壁厚（T-C）不小于2 mm。 綜上所述，管道滿足GB/T 19624—2019中附錄I的評定適用范圍，可以按該方法進行評定。

3.2 合于使用評價流程

通過對管道設計、安裝、竣工資料的收集和參考，并結合現(xiàn)場實際的勘察和測繪情況，利用CAESARⅡ軟件對管道評估處附近管系進行建模。 本管道起自車間外部導熱油主管道，并通過支管連接各個設備，因遠離評估處的管道對評估點的影響較小，故作簡化處理，如圖6所示。 此管道投入使用時間長，期間已經(jīng)過多次改造，因此需對管系整體進行應力分析，在確認管道整體的一次應力、二次應力達標的基礎上，再對缺陷截面處的應力進行提取， 最后進行合于使用評價。合于使用評價的步驟如圖7所示。

圖6 導熱油管道幾何建模

圖7 管道合于使用評價流程圖

3.3 管道應力分析

建模完成后，進行管系的應力分析，計算一次應力和二次應力，并得到管道特定部位的約束反力和彎矩。 將管系支吊架約束和現(xiàn)場閥門約束施加在管系模型上，對支吊架和閥門等約束進行現(xiàn)場查勘，核對其型號、類型和重量，力爭在管系模型中施加的各類約束與現(xiàn)場實際條件一致，從而保證計算結果與實際真實情況無限接近。

利用CAESAR Ⅱ軟件推薦的工況進行計算。計算工況主要有3種：OPE（運行）工況，即管道正常運行時的工況， 包括了管道的自重、 溫度、壓力、保溫層的重量等，并能提取管道各個節(jié)點的應力、彎矩值；SUS（安裝）工況，包括管道的自重、壓力、保溫層的重量等，用于校核一次應力是否達標；EXP（純熱脹）工況，用來進行二次應力校核。 得到的結果為：一次應力89.6 MPa，一次應力許用應力108 MPa，二次應力60.6 MPa，二次應力許用應力255.6 MPa。 由此可知，管道一次應力和二次應力均滿足要求，應力校核結果合格。

3.4 管道缺陷合于使用評價

3.4.1 缺陷的規(guī)則化及無量綱化

圖8 未焊透缺陷表征示意圖

3.4.2 確定材料性能

3.4.3 含缺陷管道在純內(nèi)壓和純彎矩下的塑性極限載荷

按照GB/T 19624—2019附錄I的方法先計算得到無缺陷彎頭在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓pLB和無缺陷彎頭在純彎矩下的塑性極限彎矩MLB；再通過pLB和MLB計算得到含缺陷彎頭在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓pLBP和含缺陷彎頭在純彎矩下的塑性極限彎矩MLBP（即pLBP=23.28 MPa，MLBP=1658807 N·mm）。

3.4.4 缺陷處彎矩的確定

管道安全性分析的內(nèi)壓可取最大工作內(nèi)壓p=0.4 MPa， 采用CAESAR Ⅱ軟件對管道運行狀態(tài)的彎矩進行應力計算，得到在各個缺陷節(jié)點的彎矩，選取各個缺陷節(jié)點中OPE運行工況（即實際運行工況） 下最大彎矩M應用于此次合于使用評價，本次評價得到的最大彎矩M=718000 N·mm。

3.4.5 安全性評價

4 結論

4.1 借助數(shù)字射線檢測技術可以實現(xiàn)管道在帶介質(zhì)、帶保溫層工況下的不停機檢驗，可以有效檢出未焊透等缺陷。 數(shù)字射線檢測技術在帶介質(zhì)、 帶保溫層下的檢測尚無相應的國家標準，建議進一步研究完善。

4.2 對于評定為4級的超標缺陷，可以按照GB/T 19624—2019標準進行合于使用評價，滿足“合于使用”要求后，將其定級放寬，滿足在正常工況下下繼續(xù)運行到下一個檢驗周期的要求。

4.3 以導熱油管道利用數(shù)字射線檢測技術實現(xiàn)不停機檢驗，部分缺陷經(jīng)合于使用評價可以繼續(xù)運行， 從而實現(xiàn)工業(yè)管道不停機檢驗全流程貫通，對其他介質(zhì)工業(yè)管道同樣適用，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。