無損檢測(cè)技術(shù)在城市燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用

林星佑, 劉 蓉

(北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院,北京 100044)

1 概述

目前,許多城市燃?xì)夤艿涝谝勰晗抻?0 a,近年來由于燃?xì)夤艿佬孤?dǎo)致的安全事故日益增多。2022年共收集到媒體報(bào)道的國內(nèi)(不含港澳臺(tái))燃?xì)馐鹿?02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(wù)院辦公廳發(fā)布了《城市燃?xì)夤艿赖壤吓f更新改造實(shí)施方案(2022-2025年)》,各城市燃?xì)馄髽I(yè)亟需對(duì)城市燃?xì)夤艿肋M(jìn)行安全評(píng)估。主流的無損檢測(cè)技術(shù)有超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)和射線檢測(cè)技術(shù),射線檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過數(shù)字化改進(jìn),形成了數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)。同時(shí),廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道和廠站工藝管道檢測(cè)的超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù),也具備檢測(cè)埋地城市燃?xì)夤艿赖目尚行浴Ｎ⒉o損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也有助于城市燃?xì)夤艿栏尤娴臋z測(cè)評(píng)估。

2 鋼質(zhì)管道缺陷檢測(cè)

① 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

超聲相控陣探頭是超聲相控陣檢測(cè)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(tǒng)控制陣列中的各個(gè)晶片按照一定的延時(shí)法則發(fā)射和接收超聲波,從而實(shí)現(xiàn)聲束的掃描、偏轉(zhuǎn)與聚焦等功能。晶片由復(fù)合材料制成,超聲相控陣探頭比常規(guī)壓電陶瓷材料探頭的信噪比高10～30 dB。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可根據(jù)需要設(shè)置超聲波入射角度,應(yīng)用于常規(guī)超聲波探傷難以檢測(cè)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫與掃查區(qū)域受限焊縫,缺陷檢出率高,定量、定位精度高。可以實(shí)現(xiàn)線性掃查、扇形掃查和動(dòng)態(tài)深度聚焦,從而具備寬波束和多焦點(diǎn)的特性,因此檢測(cè)速度更快。回波與焊縫結(jié)構(gòu)能夠圖像化顯示,可將俯視、正視和側(cè)視的視圖(見圖1～3)和脈沖視圖同時(shí)顯示,缺陷判斷更準(zhǔn)確,降低誤判率,更易區(qū)分缺陷信號(hào)與非缺陷信號(hào)。

圖1 超聲相控陣檢測(cè)俯視圖

圖2 超聲相控陣檢測(cè)正視圖

圖3 超聲相控陣檢測(cè)側(cè)視圖

② 數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)

常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)是利用X射線在穿透物體過程中因吸收或散射產(chǎn)生衰減,并把膠片放在適當(dāng)位置使其在透過射線的作用下感光,經(jīng)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(shí)別缺陷的位置和性質(zhì)。

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)(Digital Radiography,簡(jiǎn)稱DR)與常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別在于,數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)采用探測(cè)器代替膠片完成射線信號(hào)的探測(cè)和轉(zhuǎn)換[1-2]。最重要的部件是平板探測(cè)器,通過探測(cè)器中的光電材料直接吸收射線,并轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信息在計(jì)算機(jī)終端顯像,具有輻射小、實(shí)時(shí)數(shù)字化成像等優(yōu)點(diǎn)[3]。

數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)得到的圖像灰度級(jí)動(dòng)態(tài)范圍大,比膠片有更好的空間分辨率和對(duì)比度。數(shù)字化影像邊緣銳利清晰,能夠更清晰地體現(xiàn)細(xì)微結(jié)構(gòu),成像質(zhì)量更高,而且可以實(shí)現(xiàn)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(shù)字射線檢測(cè)中的噪聲主要是結(jié)構(gòu)噪聲,數(shù)字射線檢測(cè)前需要對(duì)平板探測(cè)器進(jìn)行暗場(chǎng)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(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)的信噪比優(yōu)于常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)。

③ 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

在超聲導(dǎo)波檢測(cè)中,將含低頻率傳感器陣列的檢測(cè)環(huán)覆蓋管道的圓周,根據(jù)待檢管道管徑的不同,檢測(cè)環(huán)寬度約為15～30 cm,由傳感器陣列產(chǎn)生的軸向均勻的超聲導(dǎo)波沿著管道向傳感器陣列前后進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播,其傳播主要依賴于超聲導(dǎo)波的頻率和管道材料的厚度。超聲導(dǎo)波遇到管道壁厚發(fā)生變化的位置時(shí),無論壁厚增加還是減小,均會(huì)有一定比例的超聲導(dǎo)波被反射回傳感器陣列。當(dāng)反射的超聲導(dǎo)波曲線是對(duì)稱的,說明壁厚發(fā)生變化的位置不是缺陷,可能是正常的環(huán)焊縫;當(dāng)反射的超聲導(dǎo)波曲線不對(duì)稱,說明壁厚發(fā)生變化的位置是缺陷。結(jié)合特定頻率下超聲導(dǎo)波的傳播速度,能準(zhǔn)確地計(jì)算出該回波起源(缺陷位置)與傳感器陣列間的距離,從而實(shí)現(xiàn)管道缺陷的定位[6]。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)常用于快速檢測(cè)內(nèi)部和外部腐蝕及其他缺陷,可以快速檢測(cè)難以介入的長(zhǎng)距離管道的腐蝕或缺陷,檢測(cè)范圍為:穿路套管、架空管道、低溫管道等。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行長(zhǎng)距離檢測(cè),對(duì)于架空燃?xì)夤艿罊z測(cè)距離為100 m左右,對(duì)于埋地燃?xì)夤艿栏鶕?jù)防腐層類型不同,檢測(cè)距離約為15～30 m,其中瀝青防腐層對(duì)超聲導(dǎo)波衰減影響較大,檢測(cè)距離最短。超聲導(dǎo)波可以檢測(cè)大面積腐蝕和局部腐蝕,可以檢測(cè)環(huán)向裂紋,但對(duì)軸向裂紋的檢出率較低。

④ 3種檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)和超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比見表1。

表1 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)和超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比

由表1可知,3種檢測(cè)技術(shù)中,只有超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)可以進(jìn)行長(zhǎng)距離管道本體檢測(cè);數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)是唯一有輻射危害的檢測(cè)方法,因此無法適用于小區(qū)內(nèi)管道的檢測(cè);3種技術(shù)都具備圖像存儲(chǔ)功能;超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以結(jié)合圖像直接給出檢測(cè)結(jié)果,數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)和超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)則需要對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理后得出結(jié)果。

3 PE管道焊接接頭缺陷檢測(cè)

① 電熔接頭檢測(cè)技術(shù)

應(yīng)用于PE管道電熔接頭缺陷檢測(cè)的方法主要有超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)和數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)。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(cè)技術(shù)分別進(jìn)行檢測(cè)。

a.過焊

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

圖4 電熔接頭過焊試樣檢測(cè)結(jié)果

b.冷焊

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

圖5 電熔接頭冷焊試樣檢測(cè)結(jié)果

c.金屬物夾雜

圖6為電熔接頭銅片夾雜試樣檢測(cè)結(jié)果。超聲相控陣檢測(cè)圖像顯示有金屬物夾雜;數(shù)字射線檢測(cè)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(cè)結(jié)果

d.氧化皮未刮

圖7為電熔接頭氧化皮未刮試樣檢測(cè)結(jié)果。超聲相控陣檢測(cè)圖像顯示電阻絲不連續(xù),呈斷續(xù)現(xiàn)象;數(shù)字射線檢測(cè)圖像未見異常。

圖7 電熔接頭氧化皮未刮試樣檢測(cè)結(jié)果

綜上,超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)和數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)PE電熔接頭缺陷檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 PE電熔接頭缺陷檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

② 熱熔接頭檢測(cè)技術(shù)

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(yàn)證明A型超聲波、超聲波衍射時(shí)間差法(TOFD)、超聲相控陣等超聲波檢測(cè)技術(shù),都不具備檢測(cè)PE管道熱熔接頭未充分熔合缺陷的條件。

微波檢測(cè)技術(shù)正逐漸進(jìn)入HDPE(高密度聚乙烯)管道檢測(cè)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(huì)導(dǎo)致該處材料介電性能變化,而微波對(duì)介電性能的變化非常敏感,因此微波對(duì)微小的未充分熔合和夾雜等缺陷都有非常高的檢測(cè)靈敏度。車飛等[8]對(duì)某城市燃?xì)夤艿腊惭b現(xiàn)場(chǎng)的PE管熱熔接頭進(jìn)行了微波檢測(cè),并對(duì)其中1處焊縫微波檢測(cè)結(jié)果表征的異常位置進(jìn)行了破壞性試驗(yàn),微波檢測(cè)結(jié)果與破壞性試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

目前國際上已有微波檢測(cè)應(yīng)用于PE管道熱熔接頭的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)方面,2023年初,北京市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院組織召開了北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《聚乙烯管道熱熔對(duì)接接頭微波無損檢測(cè)質(zhì)量控制要求》預(yù)審會(huì),該地方標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)北京市聚乙烯燃?xì)夤艿罒崛劢宇^的實(shí)際情況,首次提出了聚乙烯管道熱熔接頭的微波無損檢測(cè)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),并為聚乙烯管道熱熔接頭的質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)判提供了方法與準(zhǔn)則。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)成熟后,微波檢測(cè)技術(shù)將能夠更廣泛地應(yīng)用于PE燃?xì)夤艿赖馁|(zhì)量檢測(cè)中。

針對(duì)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(cè)技術(shù)和數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)比。

a.銅片夾雜

圖8為熱熔接頭銅片夾雜試樣檢測(cè)結(jié)果,超聲相控陣檢測(cè)圖像顯示有夾雜缺陷,數(shù)字射線檢測(cè)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(cè)結(jié)果

b.紙片夾雜

圖9為熱熔接頭紙片夾雜試樣檢測(cè)結(jié)果,超聲相控陣檢測(cè)圖像顯示有夾雜缺陷,數(shù)字射線圖像未見異常。

圖9 熱熔接頭紙片夾雜試樣檢測(cè)結(jié)果

可見,對(duì)于金屬物和非金屬物夾雜,超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)都具有良好的檢測(cè)效果,而數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)只能檢出金屬物夾雜缺陷。

4 結(jié)論

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

② 數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)可以有效檢測(cè)出鋼質(zhì)管道焊縫中各種缺陷,可以檢測(cè)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(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)能夠進(jìn)行快速、長(zhǎng)距離鋼質(zhì)管道管體缺陷檢測(cè),但無法有效識(shí)別焊縫中的缺陷。

④ 微波技術(shù)能夠有效檢測(cè)出PE管道熱熔接頭中的未充分熔合、夾雜等缺陷,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定將有效推進(jìn)微波檢測(cè)技術(shù)的使用。