基于Lyft 脈沖渦流檢測系統(tǒng)的帶隔熱層在用球罐金屬損失檢測技術(shù)

蔡剛毅 陳浩禹 鄭宏偉 杜志遙 郭 穎

（1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院 浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室；2.湖北特種設(shè)備檢驗檢測研究院黃石分院）

帶隔熱層壓力容器廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)［1］，隔熱層通常由保溫層和防雨罩組成。保溫層一般為非導(dǎo)電材料，主要作用是盡量減少設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)的熱量損失，通常由巖棉、聚氨酯及硅酸鋁等組成。保溫層外通常包有一層厚0.3～1.0 mm的防雨罩，常見的防雨罩材料主要有白鐵皮、不銹鋼和鋁皮3種形式。 金屬壁厚減薄是引起帶隔熱層鐵磁性設(shè)備失效破壞最主要的原因之一，在設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)均勻腐蝕和隔熱層下金屬外壁局部腐蝕的雙重作用下，部分設(shè)備在運行中會因腐蝕過量發(fā)生失效，而大部分設(shè)備則在停機(jī)檢修時才能發(fā)現(xiàn)容器金屬損失率超過預(yù)期。 現(xiàn)有比較成熟的檢驗檢測技術(shù)一般要求停機(jī)拆除保溫層才能對壓力容器金屬損失情況進(jìn)行全面檢測［2］，然而臨時停機(jī)往往會影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，同時部分隔熱層的大面拆除也會給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，脈沖渦流檢測技術(shù)［3］已逐步在帶隔熱層壓力管道的檢測中開展應(yīng)用，取得了較好的效果。 壓力容器一般本身壁厚和隔熱層厚度均較壓力管道更大，特別是球罐、反應(yīng)器等，金屬壁厚一般在30 mm以上， 隔熱層厚度一般在100 mm以上，脈沖渦流因受穿透能力限制，檢測效果有所下降。 因此，研究厚壁、厚隔熱層壓力容器脈沖渦流檢測技術(shù)具有一定的科研和實際意義。

1 脈沖渦流檢測

1.1 脈沖渦流技術(shù)特點

脈沖渦流檢測技術(shù)的主要優(yōu)點是：可直接接觸表面，無需表面準(zhǔn)備與處理即可檢測［4］；對近表面與遠(yuǎn)表面缺陷靈敏；可以通過隔熱層、涂層、油漆、 混凝土防護(hù)層及滋生海生物等進(jìn)行檢測；可以透過鋁、不銹鋼、鍍鋅白鐵皮防雨罩進(jìn)行檢測；可以檢測具有鋼絲網(wǎng)或鋼筋的結(jié)構(gòu)，不受水或冰等物質(zhì)影響；無需拆除昂貴的隔熱層即可對設(shè)備進(jìn)行檢測；檢測期間沒有輻射等安全隱患。

脈沖渦流檢測技術(shù)也有一定的劣勢， 主要是：檢測期間受金屬結(jié)構(gòu)的邊緣影響較大；檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷無法分辨是近側(cè)缺陷還是遠(yuǎn)側(cè)缺陷；無法檢測較小的點蝕缺陷；無法精確測量小于探頭覆蓋平均區(qū)域的缺陷尺寸； 難以在直徑小于200 mm的管道彎頭上使用；難以應(yīng)用在磁場變化快的材料上。

1.2 脈沖渦流技術(shù)簡介

脈沖渦流技術(shù)是分析經(jīng)快速磁場變化后組件內(nèi)部渦流場變化情況的技術(shù)， 一般分為3個階段［5］。第一階段是釋放階段，探頭釋放可以穿透元件厚度的磁場，磁化內(nèi)部待檢測組件，組件內(nèi)部最終達(dá)到飽和狀態(tài)，形成穩(wěn)定的磁場；第二階段是終止階段，當(dāng)磁場發(fā)射突然終止時，基于電磁感應(yīng)原理，組件中會感應(yīng)出強(qiáng)大的渦流信號；第三階段是接收階段， 探頭內(nèi)筒的磁性傳感器檢測攻堅內(nèi)部渦流信號的衰減情況， 由此達(dá)到檢測壁厚變化的目的。 3個階段即為一個循環(huán)，如圖1所示，一個循環(huán)的總長度取決于材料的時間常數(shù)， 因此待檢設(shè)備壁厚越大、磁導(dǎo)率越高、電導(dǎo)率越高，材料磁場到達(dá)穩(wěn)定的時間越長，磁場衰減越慢。

圖1 脈沖渦流檢測循環(huán)示意圖

1.3 Lyft脈沖渦流檢測系統(tǒng)

Lyft脈沖渦流檢測系統(tǒng)是一種脈沖渦流檢測設(shè)備，該設(shè)備可以對厚壁或具有絕緣材料的工件表面的腐蝕情況進(jìn)行動態(tài)掃描，并使用先進(jìn)的尺寸算法和智能過濾技術(shù)顯著提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，通過對脈沖渦流信號進(jìn)行高速率采集和分析，得到高分辨率的圖像， 有利于缺陷尺寸的精準(zhǔn)定量。

Lyft脈沖渦流檢測系統(tǒng)與常規(guī)渦流檢測應(yīng)用的Log-Log比例曲線（圖2）的區(qū)別在于：設(shè)備掃描前端位置受材料表面的渦流信號控制［6］，Log-Log比例曲線中顯示直線形式，Log-Lin比例曲線快速下降；設(shè)備掃描的后期渦流信號在材料體積中的衰減起主導(dǎo)作用，Log-Log比例曲線中快速下降，Log-Lin比例曲線顯示直線形式。 因此，在Log-Lin比例曲線中，組件壁厚越薄，曲線衰減越陡峭，因為這種曲線分析方法分析的是信號的斜率，所以對提離變化不敏感， 提離信號會改變信號的幅值，但不會改變曲線的斜率，對帶隔熱層設(shè)備的檢測結(jié)果也會更穩(wěn)定［7］。

圖2 Log-Log與Log-Lin比例曲線對比

2 球罐在線檢測實施

2.1 設(shè)備情況

本次檢驗的對象為某氣站裝置中的490 m3液態(tài)二氧化碳球罐V-102。 該球罐主體結(jié)構(gòu)為單層焊制，詳細(xì)設(shè)計操作參數(shù)如下：

設(shè)計壓力 2.3 MPa

操作壓力 不大于2.2 MPa

設(shè)計溫度 -30/-14 ℃

操作溫度 -30/-14 ℃

主體材料 16MnDR

介質(zhì) 液態(tài)二氧化碳

公稱厚度 40 mm

腐蝕裕量 1.0 mm

保溫材料 聚氨酯泡沫

保溫材料厚度 120 mm

球罐直徑 9 900 mm

設(shè)備總高 12 310 mm

該球罐自投用后未進(jìn)行開罐檢測和相應(yīng)的設(shè)備檢測，由于球罐長周期運行，企業(yè)管理人員對球罐本體的運行情況并不了解，同時，球罐使用位置毗鄰造船廠和大型冷庫，這兩種企業(yè)均屬于勞動密集型企業(yè)， 運行期間周圍人數(shù)較多，一旦發(fā)生事故，會造成較大影響。 因此，設(shè)備管理人員委托檢驗人員對設(shè)備本體進(jìn)行相應(yīng)安全性能檢測。 該球罐內(nèi)部介質(zhì)為液態(tài)二氧化碳，有別于一般儲存類球罐， 內(nèi)部介質(zhì)充裝和釋放比較頻繁，罐體內(nèi)部介質(zhì)波動較頻繁。 考慮到金屬在潮濕的二氧化碳環(huán)境中可能會產(chǎn)生腐蝕減薄現(xiàn)象。本次檢測主要針對金屬壁厚進(jìn)行測定，重點檢查液位波動處的金屬壁厚。

球罐保溫層采用聚氨酯泡沫， 造價較高，全部或大面積拆除后檢測金屬壁厚是不現(xiàn)實的。 針對特殊工況和實際情況，本次主要采用脈沖渦流的方法對球罐帶隔熱層金屬壁厚進(jìn)行測定，根據(jù)測定的結(jié)果分析金屬壁厚損失。

2.2 檢測前準(zhǔn)備

通過前期的資料審查與現(xiàn)場勘察，制定了針對性檢驗研究方案，具體如下：

a. 宏觀檢查。對球罐的結(jié)構(gòu)、變形、腐蝕及基礎(chǔ)等情況進(jìn)行全面勘察和實地了解。

b. 確定檢測部位。 根據(jù)制造與安裝資料，找出制造成型時和運行期間可能造成壁厚減薄的部位；現(xiàn)場宏觀檢查找出使用中易產(chǎn)生變形和磨損的部位，綜合考慮球罐充裝記錄中液位波動位置，根據(jù)分析，選擇上、下極板（物料進(jìn)出口）及筒體上環(huán)靠銘牌柱側(cè)作為主要檢測部位。

c. 選擇檢測探頭。 由于設(shè)備壁厚和隔熱層厚度均較大，探頭所需能量隨之增加，因此選擇型號為PEC-152-G2的大型探頭。 脈沖渦流在檢測時探頭存在振動現(xiàn)象，而鍍鋅鐵皮（設(shè)備保護(hù)層材料）的存在更加擴(kuò)大了探頭的振動效應(yīng)，使脈沖渦流激勵機(jī)理紊亂， 無法得到有效的計算結(jié)果。因此，創(chuàng)造性提出襯墊減振法，在探頭與鍍鋅鐵皮之間裝設(shè)襯墊，以減輕探頭振動效應(yīng)，襯墊厚度的選擇也是經(jīng)驗性的選擇，選擇太厚則影響能量傳播， 會造成檢測結(jié)果取得困難或偏差較大；選擇太薄，則不能消除探頭振動效應(yīng)。 表1為通過多次現(xiàn)場試驗得出的經(jīng)驗性總結(jié)結(jié)果。

表1 脈沖渦流球罐掃查襯墊選擇經(jīng)驗表

2.3 檢測實施

標(biāo)記檢測位置。 對檢驗方案確定的3處部位（上、下極板，球罐上環(huán)縫）的檢測點進(jìn)行逐一位置標(biāo)記，如圖3所示，上極板掃描檢測25個位置，下極板掃描檢測100個位置， 球罐上環(huán)縫部位掃描檢測44個位置。

圖3 上、下極板和球罐上環(huán)縫檢測部位標(biāo)記圖

現(xiàn)場實施檢測。 確定球罐可能壁厚變化較小、隔熱層較平整區(qū)域為探頭標(biāo)定對象，一般情況下標(biāo)定點應(yīng)遵循的原則是：優(yōu)先使用壁厚最厚的位置或者保溫層最薄的位置做校準(zhǔn)；避免存在缺陷；遠(yuǎn)離特殊結(jié)構(gòu)，避免邊緣影響；避免防雨罩重疊或者綁帶的區(qū)域；遠(yuǎn)離振動源。 標(biāo)定完成后系統(tǒng)在該標(biāo)定區(qū)測定的壁厚將被作為工件的標(biāo)準(zhǔn)壁厚，隨機(jī)按順序?qū)?個部位進(jìn)行檢測。

檢測注意事項。 現(xiàn)場勘察后方可進(jìn)行脈沖渦流檢測； 被檢工件表面無大面積疏松的銹蝕層、焊疤及其他金屬連接結(jié)構(gòu)等；被檢工件材質(zhì)電磁特性應(yīng)基本一致、 相鄰部位的溫差不宜過大、無較大振動、探頭背側(cè)兩倍提離距離范圍內(nèi)（不小于200 mm）應(yīng)無其他金屬物體；覆蓋層應(yīng)連續(xù)、厚度均勻、沒有污染，當(dāng)由于覆蓋層的原因無法檢測時，應(yīng)去除部分或全部覆蓋層；檢測人員對缺陷信號有懷疑時，應(yīng)進(jìn)行復(fù)探。

2.4 檢測結(jié)果

進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，脈沖渦流檢測實際的信號信息=平均標(biāo)稱壁厚信息+缺陷信息。

根據(jù)圖4的檢測結(jié)果分析， 脈沖渦流檢測結(jié)果最小值為39.8 mm，金屬保有率為99.5%，檢測位置為赤道位置的A-2點，除了赤道位置的A-2點和B-11點較公稱壁厚略小外，其他位置的檢測點金屬保有率均在100%以上，該球罐檢測位置金屬未發(fā)現(xiàn)損失情況。

圖4 脈沖渦流檢測結(jié)果

3 檢測技術(shù)分析

3.1 停機(jī)開罐內(nèi)表面壁厚檢測

在球罐法定檢驗到期后開罐進(jìn)行全面檢驗期間，采用經(jīng)校驗合格的超聲波測厚儀，在球罐內(nèi)表面進(jìn)行超聲波全面測厚［8］，測厚部位分布如圖5所示。

圖5 球罐內(nèi)表面超聲波測厚檢測部位

檢測儀器型號為TIME2110，儀器精度±（T%+0.1） mm， 檢測表面狀況為砂輪打磨， 實測點數(shù)152點，檢測最小壁厚為39.6 mm，位于45#檢測點上環(huán)縫與C4縱縫交叉點附近。

3.2 在線檢測與停機(jī)開罐檢測綜合對比

對脈沖渦流檢測結(jié)果與球罐內(nèi)部超聲波測厚結(jié)果進(jìn)行分析。 采用脈沖渦流檢測方式在隔熱層外測得的壁厚數(shù)據(jù)為最小39.8 mm，最大41.9 mm；采用超聲波測厚儀在球殼板上直接測厚得到的數(shù)據(jù)為最小39.6 mm，最大42.0 mm。 對比兩種情況下檢測得到的數(shù)據(jù)和相關(guān)部位，檢測結(jié)果和壁厚變化趨勢基本吻合，誤差在±2.5%以內(nèi)，誤差對球罐的強(qiáng)度要求和計算方面的影響可忽略不計，對設(shè)備的安全運行也完全可以忽略。 由此認(rèn)為，基于Lyft系統(tǒng)的脈沖渦流檢測技術(shù)在厚壁、 厚隔熱層的金屬損失檢測應(yīng)用方面是可靠、可行的。

4 結(jié)論

4.1 Lyft脈沖渦流檢測系統(tǒng)顯示，Log-Lin比例曲線對帶隔熱層設(shè)備的檢測結(jié)果更穩(wěn)定。

4.2 介紹了厚壁、厚隔熱層金屬損失檢測應(yīng)用脈沖渦流檢測技術(shù)的步驟和過程，為減輕探頭振動效應(yīng)，通過多次試驗總結(jié)出了球罐掃查襯墊選擇經(jīng)驗表，并對球罐金屬損失情況進(jìn)行評價。

4.3 結(jié)合球罐全面檢驗周期，通過內(nèi)表面超聲波測厚與脈沖渦流檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，檢測結(jié)果基本一致，Lyft系統(tǒng)脈沖渦流檢測技術(shù)可應(yīng)用在球罐金屬損失檢測上。