無損檢測技術在城市燃氣管道的應用

林星佑, 劉 蓉

(北京建筑大學 環境與能源工程學院,北京 100044)

1 概述

目前,許多城市燃氣管道在役年限逾20 a,近年來由于燃氣管道泄漏導致的安全事故日益增多。2022年共收集到媒體報道的國內(不含港澳臺)燃氣事故802起,造成66人死亡,487人受傷,其中較大事故10起。2022年6月,國務院辦公廳發布了《城市燃氣管道等老舊更新改造實施方案(2022-2025年)》,各城市燃氣企業亟需對城市燃氣管道進行安全評估。主流的無損檢測技術有超聲相控陣檢測技術和射線檢測技術,射線檢測技術經過數字化改進,形成了數字射線檢測技術。同時,廣泛應用于長輸管道和廠站工藝管道檢測的超聲導波檢測技術,也具備檢測埋地城市燃氣管道的可行性。微波無損檢測技術的發展也有助于城市燃氣管道更加全面的檢測評估。

2 鋼質管道缺陷檢測

① 超聲相控陣檢測技術

超聲相控陣探頭是超聲相控陣檢測的重要部件,是由若干壓電晶片組成的陣列換能器,通過電子系統控制陣列中的各個晶片按照一定的延時法則發射和接收超聲波,從而實現聲束的掃描、偏轉與聚焦等功能。晶片由復合材料制成,超聲相控陣探頭比常規壓電陶瓷材料探頭的信噪比高10～30 dB。

超聲相控陣檢測技術可根據需要設置超聲波入射角度,應用于常規超聲波探傷難以檢測的復雜結構焊縫與掃查區域受限焊縫,缺陷檢出率高,定量、定位精度高。可以實現線性掃查、扇形掃查和動態深度聚焦,從而具備寬波束和多焦點的特性,因此檢測速度更快。回波與焊縫結構能夠圖像化顯示,可將俯視、正視和側視的視圖(見圖1～3)和脈沖視圖同時顯示,缺陷判斷更準確,降低誤判率,更易區分缺陷信號與非缺陷信號。

圖1 超聲相控陣檢測俯視圖

圖2 超聲相控陣檢測正視圖

圖3 超聲相控陣檢測側視圖

② 數字射線檢測技術

常規射線檢測技術是利用X射線在穿透物體過程中因吸收或散射產生衰減,并把膠片放在適當位置使其在透過射線的作用下感光,經過暗室處理后得到底片,通過觀察底片不同位置黑度差壓來識別缺陷的位置和性質。

數字射線檢測技術(Digital Radiography,簡稱DR)與常規射線檢測技術的本質區別在于,數字射線檢測技術采用探測器代替膠片完成射線信號的探測和轉換[1-2]。最重要的部件是平板探測器,通過探測器中的光電材料直接吸收射線,并轉化為數字化信息在計算機終端顯像,具有輻射小、實時數字化成像等優點[3]。

數字射線檢測技術得到的圖像灰度級動態范圍大,比膠片有更好的空間分辨率和對比度。數字化影像邊緣銳利清晰,能夠更清晰地體現細微結構,成像質量更高,而且可以實現豐富的圖像后處理功能,從而能夠獲得滿意的診斷效果[4]。

數字射線檢測中的噪聲主要是結構噪聲,數字射線檢測前需要對平板探測器進行暗場校正、增益校正和壞像素校正[5],有效消除大部分噪聲。相比之下,數字射線檢測技術的信噪比優于常規射線檢測技術。

③ 超聲導波檢測技術

在超聲導波檢測中,將含低頻率傳感器陣列的檢測環覆蓋管道的圓周,根據待檢管道管徑的不同,檢測環寬度約為15～30 cm,由傳感器陣列產生的軸向均勻的超聲導波沿著管道向傳感器陣列前后進行遠距離傳播,其傳播主要依賴于超聲導波的頻率和管道材料的厚度。超聲導波遇到管道壁厚發生變化的位置時,無論壁厚增加還是減小,均會有一定比例的超聲導波被反射回傳感器陣列。當反射的超聲導波曲線是對稱的,說明壁厚發生變化的位置不是缺陷,可能是正常的環焊縫;當反射的超聲導波曲線不對稱,說明壁厚發生變化的位置是缺陷。結合特定頻率下超聲導波的傳播速度,能準確地計算出該回波起源(缺陷位置)與傳感器陣列間的距離,從而實現管道缺陷的定位[6]。

超聲導波檢測技術常用于快速檢測內部和外部腐蝕及其他缺陷,可以快速檢測難以介入的長距離管道的腐蝕或缺陷,檢測范圍為:穿路套管、架空管道、低溫管道等。

超聲導波檢測技術最大的優勢是可以進行長距離檢測,對于架空燃氣管道檢測距離為100 m左右,對于埋地燃氣管道根據防腐層類型不同,檢測距離約為15～30 m,其中瀝青防腐層對超聲導波衰減影響較大,檢測距離最短。超聲導波可以檢測大面積腐蝕和局部腐蝕,可以檢測環向裂紋,但對軸向裂紋的檢出率較低。

④ 3種檢測技術對比

超聲相控陣檢測技術、數字射線檢測技術和超聲導波檢測技術的對比見表1。

表1 超聲相控陣檢測技術、數字射線檢測技術和超聲導波檢測技術的對比

由表1可知,3種檢測技術中,只有超聲導波檢測技術可以進行長距離管道本體檢測;數字射線檢測技術是唯一有輻射危害的檢測方法,因此無法適用于小區內管道的檢測;3種技術都具備圖像存儲功能;超聲相控陣檢測技術可以結合圖像直接給出檢測結果,數字射線檢測技術和超聲導波檢測技術則需要對圖像進行進一步處理后得出結果。

3 PE管道焊接接頭缺陷檢測

① 電熔接頭檢測技術

應用于PE管道電熔接頭缺陷檢測的方法主要有超聲相控陣檢測技術和數字射線檢測技術。委托某公司加工了過焊、冷焊、夾雜、氧化皮未刮4類缺陷試件,并采用這2種檢測技術分別進行檢測。

a.過焊

圖4為電熔接頭過焊試樣的檢測結果。超聲相控陣檢測圖像顯示特征線與電阻絲的距離過大,確定為過焊缺陷;數字射線檢測圖像未見異常。

圖4 電熔接頭過焊試樣檢測結果

b.冷焊

圖5為電熔接頭冷焊試樣的檢測結果。超聲相控陣檢測圖像顯示特征線與電阻絲的距離過小,確定為冷焊缺陷;數字射線檢測圖像未見異常。

圖5 電熔接頭冷焊試樣檢測結果

c.金屬物夾雜

圖6為電熔接頭銅片夾雜試樣檢測結果。超聲相控陣檢測圖像顯示有金屬物夾雜;數字射線檢測圖像有很直觀的金屬物夾雜。

圖6 電熔接頭銅片夾雜試樣檢測結果

d.氧化皮未刮

圖7為電熔接頭氧化皮未刮試樣檢測結果。超聲相控陣檢測圖像顯示電阻絲不連續,呈斷續現象;數字射線檢測圖像未見異常。

圖7 電熔接頭氧化皮未刮試樣檢測結果

綜上,超聲相控陣檢測技術和數字射線檢測技術對PE電熔接頭缺陷檢測結果見表2。

表2 PE電熔接頭缺陷檢測結果對比

② 熱熔接頭檢測技術

韓光明等[7]提出PE熱熔接頭的“未充分熔合”缺陷概念,未充分熔合缺陷主要成因是過焊和冷焊,并通過試驗證明A型超聲波、超聲波衍射時間差法(TOFD)、超聲相控陣等超聲波檢測技術,都不具備檢測PE管道熱熔接頭未充分熔合缺陷的條件。

微波檢測技術正逐漸進入HDPE(高密度聚乙烯)管道檢測的視野,微波能夠有效地穿透介電材料。介電材料中存在任何異常都會導致該處材料介電性能變化,而微波對介電性能的變化非常敏感,因此微波對微小的未充分熔合和夾雜等缺陷都有非常高的檢測靈敏度。車飛等[8]對某城市燃氣管道安裝現場的PE管熱熔接頭進行了微波檢測,并對其中1處焊縫微波檢測結果表征的異常位置進行了破壞性試驗,微波檢測結果與破壞性試驗結果吻合度較高。

目前國際上已有微波檢測應用于PE管道熱熔接頭的相關標準。國內方面,2023年初,北京市特種設備檢驗檢測研究院組織召開了北京市地方標準《聚乙烯管道熱熔對接接頭微波無損檢測質量控制要求》預審會,該地方標準針對北京市聚乙烯燃氣管道熱熔接頭的實際情況,首次提出了聚乙烯管道熱熔接頭的微波無損檢測質量控制標準,并為聚乙烯管道熱熔接頭的質量檢測與評判提供了方法與準則。相應的標準成熟后,微波檢測技術將能夠更廣泛地應用于PE燃氣管道的質量檢測中。

針對熱熔接頭夾雜缺陷,制作了銅片夾雜和紙片夾雜兩種缺陷試樣,分別用超聲相控陣檢測技術和數字射線檢測技術進行檢測和對比。

a.銅片夾雜

圖8為熱熔接頭銅片夾雜試樣檢測結果,超聲相控陣檢測圖像顯示有夾雜缺陷,數字射線檢測圖像有很直觀的夾雜顯示。

圖8 熱熔接頭銅片夾雜試樣檢測結果

b.紙片夾雜

圖9為熱熔接頭紙片夾雜試樣檢測結果,超聲相控陣檢測圖像顯示有夾雜缺陷,數字射線圖像未見異常。

圖9 熱熔接頭紙片夾雜試樣檢測結果

可見,對于金屬物和非金屬物夾雜,超聲相控陣檢測技術都具有良好的檢測效果,而數字射線檢測技術只能檢出金屬物夾雜缺陷。

4 結論

① 超聲相控陣檢測技術可以用于鋼質管道焊縫檢測和PE管道電熔接頭檢測,可有效檢測出鋼質管道焊縫和PE管道電熔接頭中各類缺陷,可以檢測出PE管道熱熔接頭中的金屬物和非金屬物夾雜缺陷。

② 數字射線檢測技術可以有效檢測出鋼質管道焊縫中各種缺陷,可以檢測出PE管道電熔接頭和熱熔接頭中金屬物夾雜缺陷。

③ 超聲導波檢測技術能夠進行快速、長距離鋼質管道管體缺陷檢測,但無法有效識別焊縫中的缺陷。

④ 微波技術能夠有效檢測出PE管道熱熔接頭中的未充分熔合、夾雜等缺陷,相關標準的制定將有效推進微波檢測技術的使用。