石油機(jī)械設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

汪春

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，人們對(duì)石油機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安全及使用可靠性均提出了較為嚴(yán)格的要求。因無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)靈敏度高、不破壞設(shè)備的特點(diǎn)，在石油機(jī)械設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為突出。因此，探究石油機(jī)械設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

2 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的特性與發(fā)展

2.1 特性

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有不損傷試件本身、探傷靈敏度高、操作便捷、對(duì)試件表面光潔度無(wú)嚴(yán)格要求等特性，可以滿足石油行業(yè)關(guān)鍵機(jī)械零部件、壓力容器與管道達(dá)到非破壞性檢測(cè)的需求[1]。

2.2 發(fā)展

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了無(wú)損探傷、無(wú)損檢測(cè)、無(wú)損評(píng)價(jià)幾個(gè)階段。在無(wú)損探傷階段，發(fā)現(xiàn)缺陷是主要目的；在無(wú)損檢測(cè)階段，探測(cè)缺陷以及試件性質(zhì)、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)是主要目的；在無(wú)損評(píng)價(jià)階段，探測(cè)缺陷與試件狀態(tài)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)，并獲取準(zhǔn)確度更高、更加全面的試件信息（取向、形狀、位置、內(nèi)含物、尺寸、殘余應(yīng)力等）是主要目的。

3 石油機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

3.1 超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)主要用于石油機(jī)械設(shè)備中的裂紋、焊縫缺陷、氣孔等檢測(cè)，具有可靠、準(zhǔn)確、操作便捷的特點(diǎn)。超聲檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用0.1～5 MHz的頻率，即通過(guò)專用信號(hào)編輯軟件編輯極窄單脈沖信號(hào)，經(jīng)電纜、計(jì)算機(jī)插槽的接口板將信號(hào)傳輸?shù)绞蜋C(jī)械設(shè)備，進(jìn)而通過(guò)超聲振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播遇到界面后反射的信號(hào)，確定石油機(jī)械設(shè)備損傷情況，如裂縫位置、裂紋寬度等。

在進(jìn)行石油機(jī)械設(shè)備超聲檢測(cè)時(shí)，需要在同一條直線上固定用于信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收的換能器，構(gòu)成一套完整的換能器裝置組。進(jìn)而利用A掃描法，移動(dòng)發(fā)射與接收裝置，掃描探測(cè)石油機(jī)械設(shè)備的故障。同時(shí)，經(jīng)計(jì)算機(jī)采集石油機(jī)械設(shè)備示波器發(fā)送、反射的信號(hào)數(shù)據(jù)，獲得石油機(jī)械設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)中的裂紋寬度及位置。

3.2 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)技術(shù)主要用于快速檢測(cè)石油機(jī)械設(shè)備故障，快速測(cè)量設(shè)備內(nèi)高黏度液體、固體的料位以及分離設(shè)備、反應(yīng)裝置的物料停留時(shí)間。常用的射線檢測(cè)技術(shù)為γ射線、中子背散射測(cè)量技術(shù)。其中，γ射線具有強(qiáng)度隨指數(shù)規(guī)律減弱的特點(diǎn)，將探測(cè)器、γ射線源設(shè)置在石油機(jī)械設(shè)備兩端，并測(cè)出設(shè)備內(nèi)操作介質(zhì)密度分布譜圖。通過(guò)掃描譜圖，診斷設(shè)備潛在填料塌陷、漏液等故障，并確定故障根源，為改進(jìn)措施的制定提供依據(jù)。

中子背散射測(cè)量技術(shù)具有中子放射逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁越橘|(zhì)的特點(diǎn)，可以在石油機(jī)械設(shè)備器壁做功，吸收石油機(jī)械設(shè)備外壁熱量，并根據(jù)料位明確時(shí)液體、氣體或固體界面情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備堵塞等故障問(wèn)題。一般中子背散射測(cè)量技術(shù)用中子源為241Am-Be，由中子源發(fā)射中子向石油機(jī)械設(shè)備界面，根據(jù)中子源活性，分析設(shè)備壁厚與界面壓力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備導(dǎo)管堵塞問(wèn)題及原因，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)主要用于長(zhǎng)度大、質(zhì)量大、直徑大且翻轉(zhuǎn)難度大、探傷部位表面粗糙的石油機(jī)械設(shè)備疲勞應(yīng)力裂紋、裂痕、重皮、冷隔、夾層等缺陷檢測(cè)。根據(jù)專業(yè)石油設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)缺陷分布規(guī)律，可以采用軛磁法檢測(cè)方式與濕熒光顯示方式，利用45 N及以上提升力的交流電磁軛，依據(jù)75～100 mm的間距布置磁極，檢查設(shè)備全部、加厚區(qū)與焊縫、熱影響區(qū)，觀察表面橫向缺陷，并在表面缺陷深度超出設(shè)備壁厚5%時(shí)，再進(jìn)行磨削去除[2]。

磁粉檢測(cè)應(yīng)用介質(zhì)為涂抹熒光材料的鐵磁性顆粒（鐵、鎳、鈷），鐵磁質(zhì)顆粒被磁化后可以產(chǎn)生磁感應(yīng)線，在石油機(jī)械設(shè)備表面（或近表面）存在的缺陷與磁感應(yīng)線成90°（或接近90°）時(shí)，磁感應(yīng)線可在缺陷位置溢出，形成漏磁場(chǎng)。漏磁場(chǎng)可以吸引施加在石油機(jī)械設(shè)備周邊的磁粉，形成清晰的缺陷磁痕，為石油機(jī)械設(shè)備缺陷位置、大小、形狀分析提供依據(jù)。為確保磁粉檢測(cè)的精確性，檢測(cè)人員需要每年檢測(cè)1次或多次帶有電流表的磁化設(shè)備，并依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行磁化設(shè)備儀表精度校驗(yàn)，確保磁化設(shè)備儀表讀數(shù)、校準(zhǔn)設(shè)備顯示實(shí)際度數(shù)誤差小于±10%。

3.4 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)主要用于石油機(jī)械設(shè)備表面開口缺陷檢測(cè)，如危及機(jī)械設(shè)備壽命與壓力容器安全的焊接裂縫、應(yīng)力腐蝕裂縫、疲勞裂縫、淬火裂縫、磨削裂縫等，具有檢測(cè)便捷、靈敏度高、直觀性好、重復(fù)性佳的優(yōu)良特點(diǎn)[3]。在檢測(cè)前，需要先利用丙酮等清洗劑清洗石油機(jī)械設(shè)備，確保石油機(jī)械設(shè)備表面無(wú)油脂、氧化皮、鐵銹等污物。清洗后，停留5～10 min，確保待測(cè)石油機(jī)械設(shè)備表面干燥。同時(shí)在距離待測(cè)石油機(jī)械設(shè)備表面20～30 mm位置設(shè)置噴嘴，滲透丙酮、無(wú)水酒精等比例混合液，停留5～15 min（探傷面被滲透劑充分濕潤(rùn)）后，利用清洗劑（或水壓小于1.5 kg/cm2的壓力水）擦凈待測(cè)石油機(jī)械設(shè)備表面滲透劑。充分均勻搖晃顯像劑，均勻涂抹到待測(cè)石油機(jī)械設(shè)備300 mm位置，利用便攜式白光燈照射設(shè)備表面，觀察根焊部位是否存在縱向裂紋（中部稍寬、兩端尖細(xì)的直線狀顯示）、根焊未焊透（焊縫根部中間一條斷續(xù)或連續(xù)、寬度均勻的直線狀顯示）、鈍邊位置未熔合（根焊中間一側(cè)出現(xiàn)直線狀、橢圓狀條形顯示）等問(wèn)題。檢查完畢后，利用清洗劑（或水壓小于1.5 kg/cm2的壓力水）擦凈待測(cè)石油機(jī)械設(shè)備表面顯像劑，根據(jù)工藝要求處理缺陷并維護(hù)石油機(jī)械設(shè)備。

3.5 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)技術(shù)主要用于石油機(jī)械設(shè)備缺陷評(píng)判，具有檢測(cè)速度快、探傷效率高的特點(diǎn)。電磁感應(yīng)是渦流檢測(cè)的理論基礎(chǔ)，通過(guò)將高頻交變電流通入探頭激勵(lì)線圈內(nèi)，可以在周邊被測(cè)管柱內(nèi)感應(yīng)渦流，根據(jù)管內(nèi)渦流受幾何缺陷影響而引起的檢測(cè)線圈阻抗、感應(yīng)電壓變換，可以確定具體缺陷內(nèi)容。在石油機(jī)械設(shè)備檢測(cè)時(shí)，可選擇專業(yè)的多頻渦流檢測(cè)儀，經(jīng)100 Hz～1MHz頻率檢測(cè)石油設(shè)備，在阻抗平面內(nèi)獲得具有缺陷信號(hào)的圖形，了解缺陷信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位、幅值、波形走向，進(jìn)而借助相位分析技術(shù)，區(qū)分干擾信號(hào)、缺陷信號(hào)，獲得準(zhǔn)確度較高的結(jié)果。

3.6 聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)石油機(jī)械設(shè)備線性缺陷高度敏感，可以有效探測(cè)外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下機(jī)械設(shè)備缺陷變動(dòng)，滿足不停機(jī)情況下設(shè)備檢測(cè)需求。石油機(jī)械設(shè)備聲發(fā)射檢測(cè)用儀器為32通道聲發(fā)射檢測(cè)儀（門檻40 dB，增益30 dB）、R15傳感器、1 220 A前置放大器、靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析儀等。在檢測(cè)前，將18點(diǎn)布片設(shè)置在進(jìn)料管道、出料管道、反應(yīng)器位置，利用應(yīng)變片、公共線一一對(duì)應(yīng)的方式，規(guī)避應(yīng)變片之間相互干擾。同時(shí)設(shè)置若干溫度補(bǔ)償片，補(bǔ)償不同位置溫度差，降低測(cè)量誤差。在具體檢測(cè)過(guò)程中，需要采用二次加載方法（一次升載臺(tái)階保壓時(shí)間15 min，二次升載臺(tái)階保壓時(shí)間10 min，加載速度0.5 MPa/min），獲得更加充分的檢測(cè)數(shù)據(jù)與更加可靠的檢測(cè)結(jié)果，加載結(jié)束后進(jìn)行各個(gè)通道標(biāo)定，確保通道在加載期間無(wú)異常。最終詳細(xì)記錄各加載階段的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行缺陷定位。

4 石油機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)案例

4.1 案例概況

某石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器，包括不銹鋼列管、堆焊層、碳鋼管板、支撐板幾個(gè)部件。因設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)內(nèi)，受介質(zhì)腐蝕、疲勞應(yīng)力、沖刷等多重作用，存在極大的列管管壁損傷、腐蝕、壁厚減薄風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行安全性也造成了較大的威脅。為掌握設(shè)備缺陷的發(fā)展情況，擬利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 應(yīng)用過(guò)程

首先，根據(jù)石油機(jī)械設(shè)備缺陷評(píng)定與調(diào)試需求，依據(jù)ASME（美國(guó)材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）有關(guān)規(guī)定，制作標(biāo)準(zhǔn)探傷樣管、測(cè)厚樣管。同時(shí)，根據(jù)石油換熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合被測(cè)設(shè)備尺寸，利用自比較式差動(dòng)線圈（或外比較式線圈），制作從管內(nèi)插入的專用探頭，為裂紋、蝕坑等微小缺陷（或管壁厚度）檢測(cè)提供依據(jù)。

其次，選擇具有多頻檢測(cè)功能的渦流檢測(cè)儀，在正式檢測(cè)前，利用標(biāo)準(zhǔn)樣管對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。同時(shí)，根據(jù)物流滲透深度要求，預(yù)先選擇檢測(cè)頻率，標(biāo)定樣管。樣管標(biāo)定后，修正參數(shù)，確定最佳的相位、頻率、增益參數(shù)值，便于后期根據(jù)缺陷深度對(duì)應(yīng)信號(hào)相位關(guān)系，確定缺陷相對(duì)深度。

再次，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，清洗被測(cè)石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器，去除管內(nèi)多余物質(zhì)，為檢測(cè)探頭插入提供通暢的渠道。進(jìn)而以標(biāo)樣管為基準(zhǔn)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)（或人工拉動(dòng)）檢測(cè)探頭進(jìn)入列管內(nèi)，拉動(dòng)速度為1 m/s，確保檢測(cè)效率。在拉動(dòng)探頭過(guò)程中，記錄各種參數(shù)、信號(hào)，完成每一根管子的全長(zhǎng)檢查，對(duì)于發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題的管，則進(jìn)行復(fù)查，并在復(fù)查前對(duì)標(biāo)樣管、儀器參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，規(guī)避檢測(cè)遺漏問(wèn)題。

最后，根據(jù)檢查信號(hào)，分析并記錄管壁裂紋、腐蝕、穿孔或管壁均勻腐蝕減薄問(wèn)題。

4.3 應(yīng)用效果

利用差動(dòng)式自比較檢測(cè)線圈檢測(cè)石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器管壁內(nèi)外表面冶金缺陷、腐蝕坑洞、裂紋，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得外壁缺陷信號(hào)，并得出缺陷的相對(duì)深度，檢測(cè)靈敏度較高。對(duì)于管壁中環(huán)向裂紋，可以通過(guò)斜線圈（或點(diǎn)式探頭）的應(yīng)用，規(guī)避裂紋與渦流方向一致引發(fā)的難于檢測(cè)問(wèn)題。同時(shí)，利用混頻技術(shù)（或點(diǎn)式旋轉(zhuǎn)探頭），可以抑制石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器周邊管板、支撐板環(huán)繞對(duì)檢測(cè)的干擾，以及干擾信號(hào)與缺陷信號(hào)疊加引發(fā)的判別難題。最終得出，案述石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器管子外壁出現(xiàn)復(fù)雜缺陷信號(hào)，利用放大器觀察測(cè)定位置，可見兩條極細(xì)的縱向裂紋。在這個(gè)基礎(chǔ)上，查看金相照片，顯示裂紋由外壁向內(nèi)壁發(fā)展，深度達(dá)到60%。根據(jù)裂紋位置與發(fā)展，由技術(shù)人員進(jìn)行及時(shí)修正，提高了熱交換器安全水平。同時(shí)，利用外比較式線圈制作探頭，依據(jù)1 kHz的檢測(cè)頻率檢測(cè)每一根管子的最薄壁厚度，在計(jì)算機(jī)端自動(dòng)計(jì)算全部管子的壁厚均值與年均腐蝕率，得出結(jié)果見表1。

表1 石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器管壁厚度均值

由表1所示，石化高壓甲銨冷凝器專用立式列管式熱交換器管壁逐年減薄，需要采取適宜的控制措施。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，常用的石油機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要有超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)等。根據(jù)檢測(cè)技術(shù)類型的差異，檢測(cè)效率與效果也具有一些差異。因此，檢測(cè)人員應(yīng)根據(jù)石油機(jī)械設(shè)備檢測(cè)需求，選擇適宜的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并根據(jù)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行石油機(jī)械設(shè)備維修、維護(hù)管理，確保石油機(jī)械設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。