石化設備小接管結構損傷模式分析及檢測方案

唐飛陽亮 王 波 張文澤

（中國石油獨山子石化分公司研究院）

小接管是石化設備中常見的結構形式之一。《煉化裝置小接管管理導則》規定：在設備本體或管道上直接開孔，采用焊接方式連接的DN 50 及以下的半管接頭、支管座、支管的結構，統稱為小接管。例如與容器本體或者管道連接的安全附件、儀表（熱電偶、壓力表、液位計和流量計）、排液導淋、蒸汽掃線、排氣閥及跨線等，一般是指在第一道閥門以內的管道。小接管具有徑小、壁薄、結構變化大及幾何形狀不連續等特點，所以在制造安裝過程中小接管焊縫更易產生未焊透、裂紋等缺陷；在使用過程中小接管結構內易形成流動死區、積液、湍流等現象，極易發生腐蝕穿孔或焊縫裂紋貫穿泄漏等問題，因此小接管已成為石化設備的高風險點。

目前，我國的法律、標準體系中，如《特種設備目錄》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》、GB 150.1—2011 《壓力容器 第1部分：通用要求》、TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監察規程——工業管道》及GB/T 20801.1—2020 《壓力管道規范 工業管道 第1部分：總則》等，均未對小接管提出設計、管理、監督要求。因此小接管成為壓力容器、壓力管道制造安裝及長周期安全運行中的薄弱環節，易發生腐蝕、開裂及泄漏等問題。筆者在分析小接管結構典型失效類型的基礎上，提出在役小接管的檢測方案，為石化設備小接管提出相應的管理對策。

1 石化設備小接管結構損傷模式分析及檢測技術

石化設備在役小接管結構的檢測，應根據可能發生的損傷模式特別是受腐蝕、沖刷而造成的壁厚減薄、腐蝕環境和應力作用下的焊縫開裂以及使用時產生的變形、振動等損傷形式選擇有效的檢測方法。

1.1 石化設備小接管結構損傷模式分析

煉化企業中石化設備小接管結構損傷模式分析依據的是GB/T 30579—2022《承壓設備損傷模式識別》，其中部分關鍵裝置的主要損傷模式見表1。

表1 關鍵裝置的主要損傷模式統計表

1.2 石化設備小接管結構檢測技術的適應性

檢測方法的原理不同，對于各類損傷模式造成損傷形式的敏感性也不同。在進行小接管檢測方案制定、方法選擇時可參考表2，必要時也可綜合應用多種檢測方法進行相互驗證。

表2 損傷模式與檢測方法適應性對照表

2 石化設備小接管結構在線檢測方案

利用RBI 技術有助于提升石化設備小接管結構在線檢測水平、消除潛在的安全隱患。全面進行小接管結構損傷情況調查，梳理和建立小接管結構臺賬，依據小接管運行狀況、損傷模式、風險可接受程度，對小接管結構進行風險分級評估，結合小接管結構損傷形式的特點、確定合理的檢測范圍和方法，指導現場在線檢測工作。

小接管結構在線檢測一般以高風險和中高風險小接管［1］為主，多采用宏觀檢查，對于腐蝕減薄類和盲腸死角類小接管、保溫層下腐蝕類小接管，應增加壁厚測定；對于腐蝕應力開裂類和不銹鋼類小接管以及介質無腐蝕性、振動類小接管，應增加振動測定；對于在使用過程中相同工況下出現過問題的同類型小接管、使用單位認為風險較高的小接管也應納入在線檢測范圍。

2.1 宏觀檢查

宏觀檢查內容包括檢查小接管是否存在變形、磨損、碰傷；檢查小接管支架布置是否合理，支撐剛度和強度是否足夠，主管線和相關支線是否存在振動，凡是運行中小接管發生明顯振動或強度不足時，應及時加固，以消除振動源或提供補強。必須檢查小接管與周界設備、建構筑物之間的間距，確認是否存在膨脹收縮位移受限，如有約束，應當予以解除；檢查小接管外保溫是否存在滲水和受潮現象［2］。

2.2 脈沖渦流測厚

脈沖渦流檢測可以在不拆除覆蓋層 （保溫層）的情況下，對大面積腐蝕等引起的壁厚減薄進行檢測，如圖1 所示。該方法適用于由碳鋼、低合金鋼等鐵磁性材料制成的厚度不小于3 mm、覆蓋層厚度不大于200 mm，溫度為-20～120 ℃以及直徑不小于25 mm 的小接管結構；不適用于點蝕、麻坑等壁厚減薄和裂紋類缺陷的檢測。

圖1 脈沖渦流檢測示意圖

為驗證脈沖渦流儀器和探頭檢測性能的可靠性和系統誤差，至少制作一個帶有不同厚度階梯的管道試件，推薦的試件尺寸見GB/T 28705—2012 《無損檢測 脈沖渦流檢測方法》，管道試件用于校準脈沖渦流檢測儀。

小接管表面應無大面積疏松的銹蝕層、焊疤及其他金屬連接結構等，管道材質應一致、覆蓋層應連續且厚度均勻。當由于覆蓋層的原因不能保證檢測的靈敏度和精度時，應去除部分或全部覆蓋層。對于帶有金屬保護層的小接管，應避免在有破損的保護層上進行檢測。對于選定好的參考點，當檢測點覆蓋層的厚度變化大于20%時，應重新設置參考點。對于含有金屬網結構的覆蓋層，不規則的金屬網會影響對檢測結果的判定。

當檢測區域與參考區域間存在較大的物理性差異（如材質不一致，公稱壁厚偏差大，曲率變化較大，溫差超過50 ℃，覆蓋層的種類和結構有差異，被檢小接管周圍環境存在電磁特性差異等）時，應重新選定參考區域。

檢測前按照網格模式對小接管檢測區域進行劃分，如圖2 所示（A、B、C、D 分別表示小接管周向按0-3-6-9-0 的順序進行檢測；1、2、3 分別表示小接管軸向按介質流動方向依次檢測，依次實現網格化軸向、周向連續檢測）。檢測時，要確保探頭垂直于小接管表面，并保持探頭勻速（通常在1～3 m/min）移動。檢測結果以B 掃成像顯示，能直觀顯示小接管被檢測區域壁厚的變化趨勢，可以對壁厚異常部位進行定位并完整展現壁厚的分布情況。

圖2 脈沖渦流檢測網格劃分示意圖

小接管的覆蓋層平整狀況、伴熱線、鋼帶及捆扎圈等鐵磁性物品均會影響脈沖渦流掃查結果。被檢測小接管過薄、過厚、曲率過大、內部結構不連續、溫度變化或振動大，均會影響脈沖渦流掃查結果。

脈沖渦流檢測結果是探頭磁場覆蓋區域下的剩余金屬綜合壁厚當量，由于腐蝕缺陷的大小和形狀與人工缺陷不同，且被檢件的實際部位與對比區域存在差異，檢測結果顯示的當量值與其真實情況會存在一定的差異，因此一旦發現10%以上壁厚減薄信號，應拆除全部覆蓋層，采用目視和小錘敲擊的方法進行驗證，用以分辨是外表面還是內表面的腐蝕；用超聲波測厚儀測量該部位的剩余壁厚，具體參照NB/T 47013.3—2015 第七條“承壓設備厚度的超聲測量方法”執行。

2.3 超聲波測厚

超聲波測厚需要拆除覆蓋層（保溫層），壓電超聲波測厚需要在小接管表面打磨出測厚點。壓電、電磁超聲波測厚適用于檢測碳鋼、低合金鋼、不銹鋼材質小接管，工作溫度分別為-20～200 ℃（壓電超聲）、-20～600 ℃（電磁超聲），可實現點蝕、麻坑等局部壁厚減薄的檢測。

壓電超聲波測厚采用A 掃描顯示數字式測厚儀或數字式測厚儀，測量精度通常應達到±（0.5%×厚度值+0.05）mm。測厚時可采用直接接觸式單晶直探頭，也可采用帶有延遲塊的單晶直探頭或雙晶直探頭，檢測高溫（不小于60 ℃）或低溫（低于-20 ℃）小接管時需要采用特殊探頭。電磁超聲波測厚儀和探頭應符合GB/T 34885—2017 附錄B 的要求。校準試塊應選用階梯平底試塊，在符合測量精度的條件下，也可采用其他試塊對儀器進行校準。

超聲波測厚時，應在探頭上施加一定的壓力（20～30 N），保證探頭與工件良好耦合，并去除多余的耦合劑，使接觸面形成極薄的耦合層。

超聲波測厚的測定位置應當具有代表性，并有足夠的壁厚測定點數（每個被抽查的小接管組成件，測定位置一般不得少于3 處；被抽查小接管組成件與直管段相連的焊接接頭直管段一側的測定位置一般不得少于3 處）。壁厚測定應當繪制測定點簡圖，并對異常測厚點做詳細標記。

對于重點部位可采用網格化測厚，測厚點的密度根據現場減薄程度、范圍大小確定。在小接管的軸向和環向，設置兩組正交的能完全覆蓋減薄區域的測厚網格線，在網格線交點處進行超聲波測厚，且每條網格線上測厚點不少于5 個，分別統計各軸向和環向的最小壁厚值，評價該檢測區域的壁厚情況，如圖3 所示。

圖3 超聲波測厚網格劃分示意圖

當測量區域的測厚數據出現異常時，如認為有必要，應使用超聲檢測儀對異常部位進行檢測和厚度測量，檢測方法及要求按照NB/T 47013.3—2015 執行；也可采用相控陣超聲檢測儀對異常部位進行壁厚成像，檢測方法及要求按照GB/T 32563—2016 執行。

2.4 振動測定

對于介質無腐蝕性的振動類小接管，例如容積式壓縮機、風機、泵本體及進出口閥以內的一次閥前的小接管，高頻振動壓縮機、風機、泵本體及進出口閥以內的一次閥前的小接管，此類小接管可能發生的損傷模式主要以疲勞裂紋為主，在線檢測時應對其進行振動測定。

振動測定可采用傳統接觸式加速度傳感器，對于高溫或無法接觸的小接管可采用基于激光多普勒測量原理的非接觸式光學振動測量方法。

振動測定主要從位移、速度、加速度3 個方面對小接管的振動情況進行評價，如圖4 所示（rms 代表有效值）。

圖4 振動測定評級方法

對于振動較大（位移不小于283 m、速度不小于17.8 mm/s 或加速度不小于27.9 mm/s2）的小接管，即按照圖4 振動分級評級為D 的小接管應進行減振干預，若無法采取減振措施，應加強巡檢，采用目視、聽覺、嗅覺或利用可燃氣報警儀、超聲波泄漏檢測儀、紅外熱成像儀等相關儀器對小接管進行監控，并縮短在線檢測周期。

2.5 在線檢測結果處理

在線檢測工作完成后，檢驗人員根據實際檢查情況出具在線檢測報告并作出以下結論：

a.符合使用要求。指未發現影響安全使用的缺陷或者只發現輕度的、不影響安全使用的缺陷，可以在允許的參數范圍內繼續使用。

b.基本符合使用要求。指發現一般缺陷，經過使用單位采取措施后能夠保證小接管安全運行的情況，可以在監控條件下使用，并且在檢查結論中應當注明監控條件、監控運行需要解決的問題及其完成期限。

c.不符合使用要求。指發現嚴重缺陷，不能保證小接管安全運行的情況，不允許繼續使用，必須停止運行或者停工由檢驗機構進一步檢驗。

在線檢測中發現的各類問題應及時通知使用單位進行處理。缺陷返修由使用單位負責處理，并向在線檢測單位提供一切必要的返修資料。對于返修結果，在線檢測單位應按照特種設備管理的相關規定要求，對返修質量進行控制。

3 石化設備小接管結構定期檢測方案

石化設備小接管結構的定期檢測主要指使用單位在周期性停工時或特種設備定檢周期內，委托具有國家特種設備安全監督管理部門核準的檢驗、檢測資質的單位，依據TSG D0001—2009 《壓力管道安全技術監察規程——工業管道》、TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》、TSG 21—2016 等的要求，對小接管結構進行的檢測。

定期檢測比例應參照風險評價制定，并遵循以下幾點原則：對于風險評價結果為高風險、中高風險的小接管，進行100%檢測；對于風險評價結果為中風險的小接管，進行10%～15%抽檢；盲腸死角部位的小接管按照50%比例進行抽檢（不包括帶隔離液的儀表小接管）；對于具有保溫層的小接管，100%拆除保溫層后進行外觀檢查；對于檢測人員或使用單位認為存在安全風險的小接管，應進行100%檢測。

對于存在以下4 種情況的小接管，應按照100%比例進行擴檢：第1 類，腐蝕性介質環境；第2 類，腐蝕性介質環境或有較大振動；第3 類，一般振動或操作溫度大于250 ℃；第4 類，發生過問題的相同工況小接管。

3.1 定期檢測內容和方法

檢測方案中檢測項目的選擇應遵循以下原則：

a.介質無腐蝕性、振動類小接管。容積式壓縮機、風機、泵本體及進出口閥以內的一次閥前的小接管，高頻振動壓縮機、風機、泵本體及進出口閥以內的一次閥前的小接管，各裝置小接管風險評價表中列出的一般振動和振動較大類小接管，此類小接管的檢測方法主要以檢測疲勞裂紋為主，檢測項目可選用滲透檢測、渦流檢測、射線檢測（X 射線數字成像）、相控陣超聲檢測及磁記憶檢測等。

b.腐蝕減薄類和盲腸死角類小接管。此類小接管的檢測方法以檢測全面減薄和局部減薄為主，檢測項目可選用超聲波測厚、漏磁檢測等。

c.腐蝕應力開裂類和不銹鋼類小接管。此類小接管的檢測方法主要以檢測環境開裂為主，檢測項目可選用滲透檢測、渦流檢測、射線檢測（X射線數字成像）及相控陣超聲檢測等。

d.保溫層下腐蝕類小接管。此類小接管的檢測方法以全面減薄和局部減薄為主，檢測項目可選用目測檢查、超聲波測厚等。

3.2 壁厚測定

壁厚測定的步驟如下：

a.采用超聲波測厚方法。

b.缺陷記錄。記錄減薄部位缺陷具體位置，選取可靠參照物確定具體相對距離、區域。

c.缺陷結果確認。采用原檢測方法或輔助檢測方法對缺陷部位進行確認，必要時需要采用可靠的檢測技術測定缺陷部位的剩余壁厚。

d.結果判定。當小接管結構中壁厚測定的最小值小于工件公稱厚度的20%，或者檢驗人員對小接管強度有懷疑時，應當進行耐壓強度校核，校核用壓力應當不低于小接管允許（監控）使用壓力，耐壓強度校核參照GB/T 20801.3—2020《壓力管道規范 工業管道 第3 部分：設計和計算》第6 部分執行。

3.3 表面缺陷檢測

表面缺陷檢測采用目視檢查、滲透檢測、渦流檢測等方法。若采用新技術、新方法時，相關單位應當提供有關研究、試驗的依據、數據、結果及檢測報告等技術資料。

目視檢查一般包括以下內容：a.小接管結構檢驗，包括補強、減振措施等。b.幾何尺寸檢查，包括小接管焊縫對口錯邊量、咬邊、焊縫余高等。

c.外觀檢查，包括焊縫及管道組成件的腐蝕、變形、機械接觸損傷、防腐層的破損等。

滲透檢測應用范圍：適用于非多孔性金屬材料制小接管結構在使用過程中外表面開口缺陷檢測。工藝要求及結果評定：執行NB/T 47013.5—2015 《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》的工藝要求，靈敏度等級為C，結果評定Ⅰ級合格。

渦流檢測應用范圍：鐵磁性材料、非鐵磁性材料制小接管結構外表面和近外表面平面型缺陷檢測。工藝要求及結果評定：執行NB/T 47013.6—2015《承壓設備無損檢測 第6 部分：渦流檢測》的工藝要求，采用放置式線圈法，當發現在正常信號顯示區域以外出現異常信號顯示時應采用其他檢測方法對該區域進一步檢查。

漏磁檢測應用范圍：鐵磁性材料制小接管內、外表面的體積性缺陷檢測。工藝要求及結果評定：執行GB/T 31212—2014《無損檢測 漏磁檢測 總則》的工藝要求，應對小接管90°交叉方向進行兩次掃查檢測。檢測時根據使用單位要求采用對比試件確定需要報警的缺陷當量，當出現報警信號時應采用其他檢測方法對該區域進一步檢查。

3.4 埋藏缺陷檢測

埋藏缺陷檢測采用NB/T 47013—2015 中的射線檢測（X 射線數字成像）、相控陣超聲檢測方法。若采用新技術、新方法時，相關單位應當提供有關研究、試驗的依據、數據、結果及檢測報告等技術資料。

3.4.1 射線檢測（X 射線數字成像）

射線檢測（X 射線數字成像）適用于小接管結構中對接焊縫的檢測。

工藝要求及結果評定：執行 NB/T 47013.2—2015 《承壓設備無損檢測 第2 部分：射線檢測》的工藝要求，技術等級AB 級，按照壓力管道環向焊接接頭進行檢測和評定。

3.4.2 相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測適用于小接管結構中工件厚度不小于6 mm 的焊接接頭的檢測。

工藝要求及結果評定：執行 NB/T 47013.15—2015 《承壓設備無損檢測 第15 部分：相控陣超聲檢測》的工藝要求，技術等級B級，檢測結果的評定可參照NB/T 47013.3—2015中常規超聲檢測方法。

3.5 金屬磁記憶檢測

金屬磁記憶檢測技術是一種利用金屬磁記憶效應來檢測部件應力集中部位的快速無損檢測方法，能夠對鐵磁性金屬構件內部的應力集中區（即微觀缺陷和早期失效、損傷等）進行診斷，防止突發性的疲勞損傷。

金屬磁記憶檢測執行GB/T 26641—2021《無損檢測 磁記憶檢測 總體要求》的工藝要求及結果評定方法。

3.6 小接管安全狀況評定

根據上述各項檢測結果，參考TSG D7005—2018 的規定對小接管進行綜合評價分析和安全狀況評定。

4 結束語

依據石化設備小接管結構損傷模式分析，總結了在線、定期檢測方案，可通過檢測方案的實施，減少絕大部分小接管結構出現泄漏的可能和概率，為石化設備長期、穩定、安全運行提供保證。隨著各種檢驗檢測新方法、新設備的進一步開發研究，不斷修訂、更新檢測方案，一定能夠有效保證小接管結構的安全性能，保障裝置的安全長周期運行。