在用壓力管道裂紋檢驗中無損檢測技術分析

強敏娜，張 良，王永樂，程 鵬

（1.陜西省石化壓力容器檢驗站，陜西 西安 710003）

（2.中國兵器工業集團引信研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 壓力管道裂紋

壓力管道作為石油和天然氣等介質儲存和運輸的主要載體，在國家工業化發展過程中具有重要地位。壓力管道運輸被認為是繼公路、鐵路、航空、船舶之后出現的第五種大宗原料的重要運輸方式。作為目前世界上管道建成里程最長的國家，美國已經將油氣管道建設視為一項重要的能源工程[1]。中國同樣將發展油氣管網當作一項重要的基礎設施工程，將其看作是鏈接油氣運輸上下游的重要紐帶[2]，并大力發展一系列關乎民生的重大項目，例如：“西氣東輸”工程、中緬油氣管道、中俄天然氣項目等多條油氣管線。

壓力管道裂紋，是指壓力管道長期處于復雜環境條件下，由于金屬應力及經年累月的化學腐蝕，而在其表面產生橫向、縱向的紋形裂痕。就裂痕產生的位置不同，可以將管道裂痕劃分為內腐蝕和外腐蝕；就管道裂痕產生的原因而言，管道裂痕又可以分為化學腐蝕、電偶腐蝕和生物腐蝕[3]，這其中以化學腐蝕最為常見。

壓力管道裂紋的危害，通常會改變管道金屬的力學性質，具體包括強度、韌性、可塑性及穩定性等。根據《石油天然氣管道安全監督和管理暫行規定》，管道在運行狀態下需要每個月至少檢測一次，而在停產檢修狀態下需要按照規定的檢測周期進行全面的檢測方可再次投入使用[4]。如果管道裂紋不能及時被發現并得到有效處理，裂紋很有可能在油氣管道內部壓力作用下繼續擴大，嚴重的會造成管道斷裂，甚至發生爆炸。因此，要開展對壓力管道進行無損檢測技術的研究，保證金屬壓力管道的安全高效運行。

2 壓力管道的無損檢測技術

無損檢測，簡稱NDT，是指在不影響檢測對象內部組織、不破壞檢測對象使用性能的前提下，采用物理或化學的手段來探測待檢測材料的生、光、電、磁等信號的變化，并根據所收集到的信號對檢測材料是否存在缺陷，以及缺陷的大小、種類、數量、位置及分布情況做出定性和定量判斷的綜合分析測試手段。無損檢驗的本質是振動的波再金屬介質和非金屬介質表面傳播時會出現不同的特征，在金屬表面主要發生博得傳遞和穿透性，而在非金屬表面會發生折射和波的吸收現象，這也是無損檢測區別與其他表面裂紋檢測方法的最大不同。

無損檢測方法的特點：非破壞性。即無損檢測過程不會損害壓力管道；互容性。無論在相同的壓力管道采用不同檢測方法，或者相同的檢測手段分別測量同種管道的不同部分，都能得到管道裂紋的結論；動態性。無損檢測可以檢測管道裂紋的結果，又能對管道尚未正式形成裂紋的薄弱環節做出持續性的預判；廣泛性。無損檢測技術目前在石化、電力、冶金、船舶等行業都有廣泛的應用。

3 壓力管道裂紋的常見無損檢驗方法

3.1 管道超聲波檢測方法

超聲波檢測的過程是利用超聲波換能器將交流電震蕩信號變成機械波振動，引導超聲波在材料內部傳播，當遇到缺陷時會形成波的反射，同時穿透能量會出現遞減，反射的波被信號處理器接后又能將機械波振動轉化成交流電的震蕩信號，通過對比超聲波的波形變化判斷管件是否存在異常。通常，由脈沖波的波形是否均勻可以判斷管件對接接頭是否存在裂紋，通過異常反射的回波位置可以確定缺陷的位置，通過異常波動的振幅大小可以判斷管件對接接頭內缺口的當量大小。

根據超聲波的來源不同，出現了兩種管道用超聲傳感器，即壓電超聲和電磁超聲。前者采用壓電晶體提供超聲波，后者采用電磁耦合的機理觸發超聲波，產生超聲波以后在材料內部進行波的反射、折射和衰減等變化[5]，從而判斷壓力管道對接接頭內部是否存在裂紋。壓電超聲的傳感器的探頭，根據其形狀不同，可分為直形探頭、斜形探頭和梳狀探頭。它們之間的區別是，直形探頭由于能夠在一種激發頻率產生兩種以上的模態；斜探頭在單一頻率下產生一種波的模態，但是可以更容易控制由于波的反射、干涉及衍射形成的復雜導波的模態；梳狀探頭采用固定間隔排列，一般能控制導波的波長、相速度和觸發頻率值相同，得到相對更加穩定的軸對稱的波的模態。電磁超聲主要利用了電流的磁效應和洛倫磁力原理，實現了電磁與力的可逆轉化，因此電磁傳感器也可以用來接收回波信號[6]。相較于壓電超聲技術，電磁超聲技術最大的優勢是，避免了壓電超聲檢測器上的耦合劑干擾聲波信號問題。就應用場景而言，壓電超聲探頭主要用在輸送流體介質的管道；對于氣體介質輸送，需要先考慮壓電介質的探頭耦合劑是否會產生雜波干擾，然后再應用于氣體管道檢測。這也是近些年來，國內外大力研究開發基于電磁超聲原理的壓力管道超聲波檢測方法。

總體而言，超聲檢測技術的優點是超聲穿透力強、設備簡單、操作安全等。當前超聲檢測的不足也很明顯，超聲檢測信號易受干擾，存在檢測盲區，對于含有晶體材料的管件檢測效果不佳。

3.2 管道漏磁內檢測方法

管道漏磁內檢法的原理[7]，利用磁源將待測金屬管件磁化，達到均勻的磁飽和狀態，而管道存在缺陷處會發生磁泄露，此處的磁感線從空氣中溢出再折回，對原來的磁感線分布形成擾動，將采集的磁信號經過變換轉化，就能夠實現管道無損檢測的一種方法。

管道漏磁技術包括漏磁檢測原理、漏磁檢測設備設計與優化、漏磁信號處理和漏磁模型解析。漏磁檢測的理論依據是磁偶極子模型和數理分析方法。磁偶極子模型包含了點、線、面的偶極子，雖然與實驗數據吻合度較好，但是缺乏對磁荷分布的復雜性和鐵磁材料的非線性問題的解析。黃筱名等建立基于典型的錐形、球形和矩形的凹凸形狀，建立缺陷漏磁檢驗三維數學模型，揭示了凹凸缺陷與三維漏磁的磁分布之間的聯系。有限元分析模型是一種典型的針對復雜漏磁情況的數學分析方法。按照漏磁檢測的過程，可將有限元分析模型分為靜態型和動態型兩種，其中靜態型用于一般的壓力管道測漏磁并求出磁場的解；動態型引入了檢測速度，能夠提供壓力管道漏磁的瞬時分析。

就漏磁檢測設備而言，目前開放應用比較成熟的有兩種。一種是GE PII 公司主導研制的三軸實時管道側漏檢測裝置，該裝置需要利用油氣管道的壓力驅動前進，可檢測管道的管徑區間為76 mm～1 422 mm，探測的壁厚大于5%，行進速度0 m/s～5 m/s，測繪精度達到-1.5 m～+1.5 m（3 km AGMs），最長工作里程高達800 km，具有高精度、高速度、可操作性強的特點。另一種是Pipetel 公司研制的能在管道內雙向移動漏磁檢測裝置，由于采用獨立機器人牽引漏磁檢測設備，具備較好的靈活性。

管道漏磁檢測技術具有操作簡單、檢測效率高、不需要耦合劑等優點。其缺點也很明顯：對管道裂紋的深度的量化診斷不準確，只能適用于鐵磁性材料也存在一定的局限性。在實際操作過程中，通常存在管道漏磁檢測的精度降低，可能的原因包括：磁場化參數取值、磁渦流效應等，這也對檢測人員的知識儲備和業務能力提出了更高的要求。

3.3 管道內脈沖渦流檢測方法

管道內脈沖渦流檢測法的原理，將渦流探頭緩慢接近待測材料，產生的感應渦流與原渦流重疊，并以電信號的形式在顯示器上呈現渦流信號的強度變化，以此判斷材料表面的缺陷和對管道壁變薄程度的依據。與漏磁技術類似，管道渦流檢測技術的理論基礎也是利用麥克斯韋方程對電磁信號進行解析，脈沖渦流檢測的模型主要是渦流解析模型和有限元分析模型。壓力管道渦流檢測方法則是圍繞磁電流在管道內的電導率和滲透率的分布形式展開研究，同時將圖像處理技術、神經網絡理論與電磁感應數據結合研究的方法，也逐漸被重視起來。對于不同形式的電磁波，在渦流檢測中的應用也不盡相同。采用諧波為發射源的渦流技術主要用作管道近表面的檢測，采用方波形式為發射源的渦流技術主要用于檢測壓力管件內部。

常規脈沖渦流檢測技術不能用于較厚的管道，因為渦流的穿透能力有限，采用低頻率的脈沖遠程渦流可以有效地解決上述問題。總體而言，脈沖渦流檢測技術存在近表面檢測靈敏度高、自動化程度高、不采用耦合劑等優點，其缺點是單獨依靠渦流檢測不能有效區分缺陷種類和形狀，對高壓管件的缺陷檢測效率有待提高。

4 結語

壓力管道在我國大宗物料輸送中占有重要地位，長期與高溫、高壓、易腐蝕性介質接觸，極易造成管道裂紋以及輸送介質泄露。本文從介紹壓力管道裂紋的概念和其危害入手，詳細介紹了無損檢測的概念、原理和特點。詳細介紹了三種常見的壓力管道檢測技術，分別是管道超聲檢測法、管道漏磁內檢測法和管道內脈沖渦流檢測法，從檢測原理、檢測設備、場景應用和技術優缺點的角度分別作了論述。因此，必須牢固樹立安全生產意識，科學制定壓力管道應檢巡檢方案，采取無損檢測手段，落實壓力管道缺陷管理工作，為我國管道安全運輸事業保駕護航。