石化成套裝置不停輸服役條件下無損檢測新技術的應用

宋耀民 陳 銘 李涌泉 種道聽

（中國特種設備檢測研究院 國家市場監管技術創新中心（煉油與化工裝備風險防控） 北京 100029）

近年來,隨著石化企業連續生產、不停機檢驗的需求上升,一些常規檢測技術已無法滿足要求,例如常規超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測等基本都受制于設備運行工況無法進行在線檢測。然而隨著科技的發展,很多針對承壓設備在線運行情況下的新技術、新方法應運而生,例如聲發射檢測、電磁超聲檢測、脈沖渦流檢測、超聲導波檢測、數字平板成像等,而且這些技術也在不斷改進,適用的工況越來越多,應用效果也越來越好。這些在線檢測新技術能夠滿足檢驗有效性要求,在設備開車階段提前預判存在的缺陷性質和缺陷位置,既可以為設備停機修復缺陷節省時間,又可以為裝置實現風險的動態控制建立一定的數據基礎。

1 在線檢測技術

目前,聲發射檢測、電磁超聲檢測、脈沖渦流檢測、平衡場渦流檢測、陣列渦流檢測、超聲導波檢測及數字平板成像這7 種技術被廣泛應用于在線檢測項目,比如吳建平等人對在線運行的工業管道進行了電磁超聲測厚、脈沖渦流測厚以及數字射線檢測,解決了化工裝置長周期運行與工業管道定期檢驗突出矛盾的關鍵問題[1]；譚清等人對工業管道進行了超聲導波、脈沖渦流和電磁超聲檢測,實現了對在役工業管道腐蝕缺陷的有效快速檢測[2]；王彥濤采用陣列渦流技術和超聲導波技術對石油管道進行檢測,可以發現裂紋、減薄等問題,降低管道在線運行的風險[3]；馬金足等人采用聲發射技術和超聲導波技術對原油儲罐進行了在線檢測,能有效降低儲罐長周期運行的風險隱患[4]。本文重點對上述7 種在線檢測技術的原理及特點進行介紹,歸納總結7 種在線檢測方法對石化成套裝置中不同失效模式的壓力容器、工業管道的適用性。

1.1 聲發射檢測技術

聲發射是指材料在內力或外力的作用下發生變形、斷裂時,以瞬態彈性波形式釋放出應變能的現象。聲發射檢測正是通過儀器采用傳感器將材料釋放的彈性波轉化為聲發射信號,然后把聲發射信號放大、處理,通過對觀察到的聲發射信號特征進行分析判斷,最終獲得聲發射源的產生部位,進而了解被檢設備的使用狀況。

相比其他無損檢測技術,聲發射檢測技術是一種在線的動態檢測方法,適用于被檢設備在線運行工況。聲發射檢測不但能夠給出缺陷隨著載荷、時間等參數變化的實時信息,而且對材料的表面裂紋、近表面裂紋等活性缺陷比較敏感。但是,聲發射檢測對環境的要求也較高,特別是噪聲的干擾影響信號的采集[5]。

白春動等人采用聲發射檢測技術對在用管道進行了腐蝕檢測試驗,結果表明聲發射技術可根據信號類型、頻譜特征、能量比例,檢測到在用管道初期腐蝕、加速腐蝕、平穩腐蝕3 個階段,可為在用輸氣管道腐蝕狀態的安全評估提供理論依據[6]；李曉朋等人對球罐進行聲發射檢測,檢測結果表明聲發射檢測技術在大型球罐無損檢測領域有獨特優勢,可以實現對球罐結構安全性能的整體評估[7]。

1.2 電磁超聲檢測技術

電磁超聲檢測技術是通過換能器激發和接收超聲波的技術,其基本過程是探頭放置于材料上,超聲波頻率的交流電進入探頭線圈,通電的線圈在被測材料內感應出渦流,在外加磁場的作用下渦流會產生一個與渦流頻率相同的洛倫茲力,然后引起被測材料的局部振動而形成超聲波。以上是非鐵磁性導電材料的電磁超聲檢測過程,對于鐵磁性導電材料的檢測,除了受到洛倫茲力的影響,同時還受到磁致伸縮效應的影響[8]。

相對于傳統的超聲波測厚技術,該技術的特點是不需要專用的耦合劑,同時也不需要對帶有漆層的被檢設備表面進行打磨清理,特別是對在高溫環境服役的設備進行檢測時,檢驗有效性也很高。

張鈺等人在催化重整裝置采用了電磁超聲測厚技術,結果表明電磁超聲測厚技術在高溫、在線、不停機檢測中有著廣闊的應用前景,并且可以提升檢驗的效率和質量,比傳統方法具有更強的精準性和使用價值[9]；張永濤采用電磁超聲技術對壓力容器進行測厚,測試表明電磁超聲測厚技術數據準確,檢測效率高,可以廣泛應用于承壓類特種設備領域的檢測工作[10]。

1.3 脈沖渦流檢測技術

脈沖渦流檢測技術是渦流檢測的一種,與其他渦流檢測的不同之處是其激勵信號中包含寬頻帶的脈沖或躍變波形。其基本原理是采用寬頻脈沖來激勵線圈,讓線圈產生一個急劇減小的磁場,由于電磁感應定律的作用,被檢工件表面感應出瞬時渦流,隨著時間的推移,瞬時渦流慢慢衰減擴散,由渦流衰減產生的磁場變化被線圈接收轉變為感應電壓的變化。然后可以通過感應電壓值的變化得出缺陷的位置和大小[11]。

脈沖渦流檢測可以不拆絕熱層,可用于不同的溫度工況,不需要耦合劑,特別是對于一些外表面是保冷材料的設備,可以大大節省檢驗費用。另外,該技術現在不只用于鐵磁性材料,也可以應用于一些不銹鋼材料的檢測。

郭宏亮等人對氨制冷系統壓力容器及壓力管道等承壓設備進行了脈沖渦流檢測,結果表明脈沖渦流檢測技術能夠實現對低壓側保溫設備的腐蝕檢測,可以為氨制冷系統承壓設備的在線檢測提供技術支持[12]；徐俊橋等人采用脈沖渦流檢測技術對工業管道進行了腐蝕檢測,通過實際的檢測案例證實了脈沖渦流檢測技術針對工業管道腐蝕缺陷具有非常良好的檢測能力,值得后續進行大力推廣[13]。

1.4 平衡場渦流檢測技術

平衡場渦流檢測技術也是渦流檢測技術之一,可用于承壓設備在線運行的情況下檢測其焊接接頭及母材的裂紋缺陷,而且可以定量給出裂紋的深度及長度。采用平衡場渦流檢測時同樣不需要耦合劑,不需要對設備表面的漆層或鍍層進行打磨,只需對檢測表面進行少許的清理,而且可以在操作溫度為300 ℃條件下,檢測出設備表面及內部12 mm 處的缺陷。另外,該技術對于檢測不銹鋼材料同樣適用。

1.5 陣列渦流檢測技術

陣列渦流檢測技術與傳統的渦流檢測技術相比,其工作原理基本是一樣的,主要的不同點在于陣列渦流的探頭是由多個獨立的線圈構成,包括激勵線圈和檢測線圈,這兩種線圈以一種特殊的陣列排布方式形成了方向相互垂直的電磁場,更有利于多方向線性缺陷的檢測。另外操作時不需要使用機械探頭,只需按照程序將陣列單元進行實時/分時切換,然后對獲取的信號進行處理即可。陣列渦流檢測技術適用于被檢設備表面缺陷的檢測,而且不需要打磨表面,掃查區域大,靈敏度高,檢測效率高,同時還可以測出一些裂紋的長度和深度[14]。

劉文鎖采用陣列渦流檢測技術對球罐進行了在線檢測,證明了陣列渦流檢測技術對球罐近表面缺陷檢測的有效性和可行性[15]；李軼名等人對工業管道進行了陣列渦流檢測,結果表明該檢測技術可以在工業管道高精度檢測中推廣應用[16]。

1.6 超聲導波檢測技術

超聲導波檢測與傳統的超聲波檢測技術不同,其工作原理是利用探頭激勵出低頻的導波,導波以一定速度在被檢設備中傳播,當傳播過程中遇到不連續部位（局部腐蝕坑、裂紋、變形部位）時,會產生大量的反射波,然后反射波被探頭接收,通過激勵和接收的時間差,給出被檢設備缺陷的位置。超聲導波檢測的特點是在高溫或者低溫的工況下,可以實現長距離的檢驗,只需拆除少量的絕熱層,特別是對被檢設備內外表面的局部腐蝕檢驗有效性較高[17]。

周默研究了超聲導波檢測在石化設備中的應用情況,發現超聲導波檢測技術對于石化設備的腐蝕缺陷可實現高效快速的掃查[18]；武建偉對管道采用了超聲導波檢測,對超聲導波在管道檢測中的技術特點進行分析,指導其在管道檢測中更好的應用[19]。

1.7 數字平板成像技術

數字平板成像技術主要就是將被檢測材料的內部質量情況轉化為數字信號,然后對數字信號進行儲存或還原顯示出來。其工作原理是射線機根據透照厚度選擇管電壓,然后在計算機上根據透照厚度選擇開窗時間、曝光量,待射線機高壓開啟后,通過路由器傳遞信號給數字平板探測器進行數字圖像采集,采集的圖像通過路由器傳輸給計算機編輯顯示出來[20]。

數字平板成像技術成像速度快、工作效率高,觀察方便,無須沖洗膠片,檢測結果現場即可評定,所成圖像的靈敏度高、清晰細膩、分辨率高。特別是對于在線運行的承壓設備,可以在不拆絕熱層的條件下對一些介質為氣體或液體的承壓設備均可以采用該技術。

劉書宏等人對某化工裝置的夾套內管進行了數字射線檢測,通過優化檢測工藝和應用圖像處理技術,實現對內管的厚度測量和缺陷檢測,檢測質量達到標準要求[21]；張國強等人采用數字射線技術對聚乙烯燃氣管道進行了檢測,結果顯示數字射線能夠對聚乙烯管道焊接缺陷進行有效識別[22]。

綜上所述,近幾年這幾種在線檢測技術已在不同石化裝置的壓力容器和壓力管道上得到了廣泛的應用,既可以有效地發現壓力容器和壓力管道常見的腐蝕減薄、表面缺陷、埋藏缺陷等問題,也可以采用不用的組合方法對發現的缺陷進行復驗確認。

2 承壓設備在線檢測新技術的選擇

GB/T 30579—2022《承壓設備損傷模式識別》將承壓設備的損傷模式分為五大類,包括腐蝕減薄、環境開裂、機械損傷、材質劣化和其他損傷,本文給出了腐蝕減薄、環境開裂兩種損傷類別下石化成套裝置中壓力容器和工業管道在線檢測技術的選擇建議,見表1。

表1 兩種損傷類別下壓力容器和工業管道在線檢測新技術的選擇建議

通過表1 可以看出,無論是壓力容器還是工業管道,在腐蝕減薄和環境開裂兩種損傷類別下都有多種在線檢測技術可以選擇,所以針對不同的服役工況選擇適當的在線檢測方法尤為關鍵,既能省時省力地完成檢測,又能有效地降低承壓設備的風險水平。

3 結束語

1）對聲發射檢測、電磁超聲檢測、脈沖渦流檢測、平衡場渦流檢測、陣列渦流檢測、超聲導波檢測及數字平板成像7 種在線檢測新技術的原理和特點進行了介紹,可以有效發現石化成套裝置中壓力容器和壓力管道常見的腐蝕減薄、表面缺陷、埋藏缺陷等問題,應用值得推廣。

2）結合承壓設備的實際服役工況,7 種在線檢測新技術在運用中也存在一些限制,給出了腐蝕減薄、環境開裂兩種損傷類別下石化成套裝置中壓力容器、工業管道在線檢測技術的選擇建議。

3）建議在線檢測技術和RBI（基于風險的檢驗）技術相結合,在滿足檢驗有效性的前提下,可以實現石化成套裝置中壓力容器、工業管道不停機檢驗代替停機檢驗。