基于數字射線的保溫層下腐蝕深度測量技術

浦定艷* 華羅懿 劉書宏

（1.上海化學工業公共管廊有限公司 2.上海市特種設備監督檢驗技術研究院）

0 引言

在化工企業中，保溫層常應用于管道、容器和設備表面，不僅可以降低散熱損失，同時還能確保設備及管道的生產安全，有效節約能源，提高經濟效益[1]。

保溫層下腐蝕（CUI） 一直是煉油廠發生頻率較高和難以避免的腐蝕事件[2]。在工藝環境下，氯離子和硫化物在金屬表面聚集，無論是碳鋼、低合金鋼，還是不銹鋼，都會產生嚴重腐蝕[3]。在石化行業，每年因CUI 引發泄漏、停工等造成的損失可達上百億元。

數字射線(DR)檢測不同于常規射線檢測。DR 檢測將常規射線檢測使用的膠片替換為成像板，將X射線經過成像板轉換成為電信號傳輸至電腦生成數字圖像[4]，最終實現了以數字圖像替代膠片成像的目標，如圖1 所示。

圖1 數字射線檢測原理

DR 檢測與常規射線檢測相比具有明顯的優勢。DR 檢測具有更高的對比度，可以發現檢測對象中的微小缺陷；其次，DR 檢測可以使不同厚度的檢測對象同時成像，因此可以帶物料、帶保溫進行檢測[5-6]。本文提出了一種基于數字射線的他比式管道壁厚測量方法，可以更加直觀、精確地測量管道壁厚，及時發現CUI，避免管道出現泄漏和失效等嚴重后果。

1 他比式壁厚測量方法

根據DR 檢測特點可知，該技術可以在不拆除保溫和停輸物料的情況下進行他比式管道壁厚測量。具體步驟如下：

（1）采用已知尺寸的物體作為標定物，緊挨著被檢測管道并放置在側面，且要確保與管道軸線在同一平面上；

（2）采用較低能量的X 射線檢測拍攝被檢測管道圖像，低能量的X 射線要求能清晰觀測到管道外壁輪廓；

（3）在射線影像上選中標定物，統計該區域內的像素數量。將標定物的實際尺寸除以像素數量，得到圖像的單個像素尺寸；

（4）采用較高能量的X 射線檢測拍攝被檢測管道圖像；

（5）將步驟3 和步驟4 拍攝的圖像進行合并。統計圖像中管道側壁的壁厚方向上的像素數量，乘以單個像素尺寸，從而得到管道2 個側壁的壁厚絕對值；

（6）分別重復步驟（3）～步驟（5），測量管道不同部位的壁厚絕對值。

2 試驗

此次檢測對象為在役高溫蒸汽管道，采用直徑為10 mm 的鋼球進行標定。射線機型號為YXLON 300 DS，數字射線成像板型號為DeReO UP 2530。采用低能量的X 射線檢測拍攝，X 射線電壓為50 kV，電流為0.5 mA，時間為30 s，得到如圖2 所示管道圖像，其中可以清晰觀測到標定物。采用高能量的X 射線檢測拍攝被檢測管道圖像，X 射線電壓為200 kV，電流為1.5 mA，時間為30 s，得到如圖3 所示的管道圖像。二者合并后的圖像如圖4 所示，可以清晰觀測到管壁輪廓。

圖2 低能量檢測

圖3 高能量檢測

圖4 圖像合并

在本次測量中，選用鋼制圓球作為標定物，圓球直徑為10 mm。對壁厚進行測量前，需要對圓球進行標定。通過上述3 個圖像可知，在低能模式下，在管道檢測圖像中，標定物的外輪廓清晰，因此在低能模式下對圖像單個像素尺寸進行標定，建立單個像素尺寸與實際被檢管道尺寸的關系。在數字射線編輯軟件中選定標定圓球進行標定，如圖5 所示。

圖5 圓球進行標定

在圖像中，測量工具穿過圓心，生成一維的圖像灰度曲線，分別將灰度突變的波峰和波谷平均值處作為起點和終點，如圖6 所示 。在標定圓球左邊邊界測得位置為2 593，右側邊界位置為5 877，因此圓球直徑方向上的像素數量為3 284。由于已知圓球直徑為10 mm，因此計算得到單個像素尺寸約為0.003 mm。

圖6 標定圓球的圖像灰度曲線

在標定完成后進行管道壁厚測量，最終測量管道左側邊緣壁厚為4.63 mm，右側邊緣壁厚為4.53 mm，管道壁厚無減薄。超聲測厚儀測量數據顯示，左側邊緣壁厚為4.80 mm，右側邊緣壁厚為4.68 mm。他比式數字射線壁厚測量技術與超聲測厚方法2 種方法測量得到的數據較為接近，測量最大誤差為3.5%。

根據上述檢測設備和檢測方法，再次測量不同尺寸的管道。此次測量管道直徑為60.3 mm，標稱壁厚為3.91 mm，選用10 mm 鋼制圓球為標定物。采用型號為YXLON 300 DS 的射線機，數字射線成像板型號為DeReO UP 3543。采用較低能量的X 射線檢測拍攝被檢測管道圖像，X 射線電壓為50 kV，電流為0.5 mA，時間為30 s；采用高能量的X 射線檢測拍攝被檢測管道圖像，X 射線電壓為170 kV，電流為1.5 mA，時間為30 s。最終測量管道左側邊緣壁厚為3.86 mm，右側邊緣壁厚為3.84 mm，管道壁厚無減薄。超聲測厚儀測量數據顯示，左側邊緣壁厚為4.02 mm，右側邊緣壁厚為3.95 mm。他比式數字射線壁厚測量技術與超聲測厚方法2 種方法測量得到的數據接近，測量最大誤差為4%。

3 現場應用

在現場應用中，針對某化工企業在役壓力管道進行保溫層下腐蝕壁厚測量。此次試驗的檢測對象規格為DN 100 mm ×6.02 mm，該管道設計工作溫度為120 ℃，材料為碳鋼。檢測時不拆除管道外保溫層，檢測設備參數可見表1。

表1 數字射線檢測參數

通過上述檢測方法對管道壁厚進行測量，檢測結果如圖7 所示。由圖7 可見，管道保溫層和管道本體圖像清晰，還可以觀察到保溫中纏繞的金屬鐵絲。

圖7 在役壓力管道保溫層下腐蝕檢測

根據他比式數字射線方法，對管道內彎和外彎進行測量，測得管道內彎處的最小壁厚為6.22 mm，管道外彎處的最小壁厚為5.88 mm。在制造管道彎頭時，其內彎受到的擠壓程度大于外彎，所以測量結果顯示外彎壁厚小于內彎，測量結果在誤差范圍內。由圖7可知，管道本體壁厚均勻，不存在壁厚減薄部位。

采用數字射線檢測的他比式方法測量結果顯示管道內沒有發生腐蝕，為了驗證結果的準確性，拆除了該彎頭處的保溫，如圖8 所示。該管道正在運行，根據紅外測溫顯示，管道壁溫為113.6 ℃，管道外部殘留外保溫材料附著在管道表面，如圖9 所示。傳統超聲測厚儀的測厚方式通常一次只能測量單點壁厚，不能透過保溫層進行測厚。當保溫層下存在嚴重腐蝕時，表面出現大量凹坑，超聲耦合難度增大，測量精度也降低。對于高溫管道，聲速發生改變，檢測人員容易燙傷，操作難度增大。采用高溫測厚儀對管道進行測厚，未發現管道腐蝕，測厚數據顯示管道內彎處的壁厚為6.18 mm，外彎處的壁厚為6.03 mm。超聲測厚結果比試驗結果更厚，這是因為超聲測厚還受到管道外表面油漆的影響，而采用數字射線可以避免管道外表面狀況的影響。

圖8 現場拆除管道保溫進行驗證

圖9 采用紅外線進行檢測

本文提出的數字射線測量方法通過圖像測量的方式得到壁厚測量數據，可以更加直觀地觀測到管道本體狀況。當發現管道存在腐蝕減薄情況時，通過數字射線檢測圖像更容易測量減薄程度，并得到管道腐蝕最嚴重部位的壁厚最小值。因此，數字射線壁厚測量技術相比傳統單點超聲壁厚測量更容易發現腐蝕減薄情況。

該方法基于數字射線檢測技術，測量在役管道側壁部位的壁厚絕對值，現階段其他無損檢測方法目前還無法實現這一功能。將已知尺寸的物體作為標定物，可以實現在不知道管道尺寸的情況下，直接測量管道壁厚絕對值。該方法可以與數字射線缺陷檢測合并進行，從而降低檢測次數，提高檢測效率。在測量管道側面外部邊緣線性區域內的壁厚，與傳統超聲檢測的單點測厚相比，測量區域更大。另外，該方法在測量過程中，可以根據灰度發現管道是否存在腐蝕，并能精確對腐蝕最嚴重區域進行壁厚測量。相比超聲測厚，只能測量超聲探頭部位下的管道厚度，常常無法精準發現壁厚最小部位。

4 結語

綜上所述，本文采用數字射線對管道保溫層下腐蝕深度進行測量，相比傳統超聲測厚方法，數字射線壁厚測量的結果更加直觀，測厚精度更高。

通過選定標定物來標定圖像中的像素尺寸，計算單個像素與已知尺寸的比例關系，得到圖像中管道壁厚的尺寸。他比式的管道壁厚數字射線在役測量方法可以對保溫層下管道進行壁厚測量，測量最大誤差為4%，測量精度能滿足現場應用需求。

在實際應用過程中，數字射線在檢測時需要搭設專用腳手架用于放置射線機和成像板，檢測效率相對較低。因此該方法主要用于在役管道不停車狀況下的壁厚測量。