化工碼頭壓力管道在線檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

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(1.寧波舟山港股份有限公司油港輪駁分公司，寧波 315200；2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048；3.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)公司，寧波 315048)

傳統(tǒng)的壓力管道定期檢驗(yàn)需要企業(yè)停車檢測(cè)，并且需將管道清空并拆除保溫層。而作為碼頭輸油管道，停車和清管所產(chǎn)生的費(fèi)用是巨大的，若恰逢油輪卸油，停車狀態(tài)的管道將無法進(jìn)行輸油操作，一艘油輪?？看a頭一天的費(fèi)用要以百萬計(jì)算；其次清管和拆除保溫層等輔助工作本身也需較大花費(fèi)。若對(duì)管道進(jìn)行射線檢測(cè)則需要特殊的輻射防護(hù)設(shè)備及輻射檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)射線檢測(cè)過程繁瑣，工作量較大，故傳統(tǒng)的定期檢驗(yàn)方案具有其本身的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的問題。而采用在線檢驗(yàn)技術(shù)可以較好地解決該問題，目前在化工碼頭壓力管道在線檢測(cè)中應(yīng)用較為廣泛的檢測(cè)技術(shù)有超聲導(dǎo)波、管道漏磁檢測(cè)技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的研究，主要包括以下幾方面：①導(dǎo)波的頻散特性和傳播規(guī)律研究，F(xiàn)URUHASHI[1]等采用半解析法繪制了導(dǎo)波在管道中的頻散曲線，發(fā)現(xiàn)了彎曲會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)波產(chǎn)生模態(tài)轉(zhuǎn)換;王秀彥等[2]發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波探頭的布置方式和數(shù)量會(huì)對(duì)導(dǎo)波模態(tài)起決定性作用。②對(duì)比試樣的導(dǎo)波檢測(cè)和模態(tài)轉(zhuǎn)換研究，有學(xué)者采用有限元分析發(fā)現(xiàn)L(0,1)模態(tài)檢測(cè)小缺陷比L(0,2)模態(tài)回波幅值要高，為檢測(cè)小缺陷提供了新的思路[3]。王悅民等[4]采用不同類型管道進(jìn)行了導(dǎo)波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波對(duì)刻痕缺陷和通孔缺陷較為敏感。③彎管的研究，HIDEO[5]研究發(fā)現(xiàn)彎管的彎曲角度會(huì)大幅影響模態(tài)L(0,1)向F(1,2)轉(zhuǎn)換時(shí)的波幅。④各類缺陷的導(dǎo)波信號(hào)識(shí)別研究，鐘豐平等[6]采用自制的長(zhǎng)距離導(dǎo)波樣管進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波對(duì)窄深缺陷檢測(cè)靈敏度較高。

針對(duì)化工碼頭傳統(tǒng)定期檢驗(yàn)存在的問題，筆者采用超聲導(dǎo)波、管道漏磁等在線檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)對(duì)碼頭管道進(jìn)行了不清管檢測(cè)，為碼頭化工企業(yè)開展在線檢測(cè)提供一定的技術(shù)支持與數(shù)據(jù)積累。

1 在線檢測(cè)技術(shù)介紹

1.1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)

超聲導(dǎo)波是在有限介質(zhì)的邊界內(nèi)進(jìn)行平面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，管道長(zhǎng)距離檢測(cè)采用的是低頻導(dǎo)波，文章研究的是壓電式晶片激發(fā)的低頻超聲導(dǎo)波，頻率范圍一般20 kHz～100 kHz，波長(zhǎng)為10 cm～100 cm。在管道傳播的超聲導(dǎo)波包含縱向?qū)Р↙(0,m)，扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波T(0,m)，彎曲導(dǎo)波F(n,m)?？v向?qū)Р▊鞑r(shí)質(zhì)點(diǎn)沿軸向振動(dòng)，波形沿軸向傳播；扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)沿周向振動(dòng)，波形沿軸向傳播；彎曲導(dǎo)波傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)在柱坐標(biāo)三個(gè)方向都存在振動(dòng)位移，且相互之間存在耦合關(guān)系[7-8]。這三種導(dǎo)波模態(tài)的傳播示意如圖1所示。

圖1 三種導(dǎo)波模態(tài)傳播示意

低頻超聲導(dǎo)波在傳播過程中的一個(gè)重要特點(diǎn)是具有頻散現(xiàn)象，即導(dǎo)波的速度隨頻率的不同而改變。超聲導(dǎo)波具有較多模態(tài)，且在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，但實(shí)際檢測(cè)中常用的模態(tài)就是T(0,1)和L(0,2)波兩種[9]。導(dǎo)波檢測(cè)的靈敏度一般用管道橫截面積損失率來評(píng)價(jià)，低頻導(dǎo)波檢測(cè)儀器能達(dá)到的靈敏度一般為3%，即最小可以檢測(cè)的金屬腐蝕面積占橫截面積的3%，超聲導(dǎo)波的DAC(距離-波幅曲線)一般由3%，6%，9%橫截面積損失率的反射體回波曲線繪制。

1.2 管道漏磁檢測(cè)技術(shù)

管道漏磁檢測(cè)與普通磁粉檢測(cè)原理相同，都是建立在鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率這一特性上的，其可以檢測(cè)出鐵磁性構(gòu)件表面和近表面缺陷信息，且不需要耦合劑。管道外壁漏磁的檢測(cè)原理為：采用兩端帶有S極和N極的磁鐵將管道外壁均勻磁化，使管道、磁化結(jié)構(gòu)和空氣形成一個(gè)完整的閉合回路，同時(shí)在S極和N極中間配有磁敏感傳感器，該傳感器可以采集磁場(chǎng)信息，進(jìn)而判斷磁力線的變化情況。

當(dāng)管道外壁表面和近表面無缺陷時(shí)，磁力線從S極發(fā)出到達(dá)N極，在管壁中均勻通過，無磁力線外溢或畸形，傳感器處的磁通量極其微弱，因此信號(hào)幅值也無數(shù)據(jù)波動(dòng)。當(dāng)管道表面存在缺陷，即隨著缺陷處及其附近磁阻的增加，缺陷附近的磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生畸變，并有一部分磁力線擴(kuò)散泄漏出材料表面。磁敏感傳感器采集到漏磁場(chǎng)信息，依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將漏磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為缺陷信號(hào)(感應(yīng)電壓)，再對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行處理和分析，從而判斷缺陷是否存在及缺陷的形狀與尺寸[10-11]。

文章采用一種特制可變徑的管道外漏磁掃描檢測(cè)儀，其可適應(yīng)不同管徑的管道檢測(cè)需求，同時(shí)保證有效的掃描寬度和檢測(cè)效率。該漏磁檢測(cè)儀具有3個(gè)分離的磁化結(jié)構(gòu)，霍爾元件均布在傳感器盒內(nèi)，同時(shí)配備了調(diào)節(jié)螺母等傳感器升降裝置，以調(diào)節(jié)傳感器距離管壁的高度，使其處于最佳的信號(hào)采集位置，檢測(cè)儀器實(shí)物及其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 管道外壁漏磁檢測(cè)儀實(shí)物及其結(jié)構(gòu)框圖

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)應(yīng)用

低頻導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)可以用來檢測(cè)常規(guī)無損檢測(cè)方法比較難檢測(cè)的管道，比如埋地管道、架空管道、帶保溫層的管道、帶料作業(yè)的管道。低頻導(dǎo)波一次檢測(cè)長(zhǎng)度在50～80 m，內(nèi)外部腐蝕可以同時(shí)檢測(cè)，可檢測(cè)管道的整個(gè)圓周方向(360°)，可以帶料檢測(cè)，僅需拆除一小部分保溫層供安裝卡具。低頻導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)已成功運(yùn)用于石油、天然氣和化學(xué)工業(yè)中，筆者針對(duì)化工碼頭輸油管道的低頻導(dǎo)波在線檢測(cè)進(jìn)行了研究，采用的設(shè)備是英國(guó)焊接研究所研發(fā)的長(zhǎng)距離管道腐蝕超聲導(dǎo)波聚焦檢測(cè)系統(tǒng)(Teletset Focus系統(tǒng))，該系統(tǒng)主要由主機(jī)、卡具、筆記本電腦、連接導(dǎo)線等組成，如圖3所示。

圖3 Teletest Focus超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)組成示意

此次檢測(cè)的是碼頭庫區(qū)的一段長(zhǎng)為150 m，φ273 mm×10 mm(通徑×壁厚)的壓力管道，該管道材料為L(zhǎng)245,管內(nèi)介質(zhì)為原油，無管道保濕層，涂層為防腐漆，等級(jí)為GC2。在150 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)無法蘭、閥門、彎頭、三通等結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片如圖4所示。

圖4 低頻導(dǎo)波檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

該管道存在一段長(zhǎng)為150m左右的直管段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選取在兩條環(huán)焊縫之間1/3或者2/3的位置處安裝導(dǎo)波卡具。根據(jù)管道的基本參數(shù)，選取的儀器參數(shù)如下：10英寸(1英寸=25.4 mm)卡具，32個(gè)多模式模塊，檢測(cè)波形為L(zhǎng)波和T波，160個(gè)傳感器，氣泵壓力為0.4 MPa，探頭環(huán)間距為30 mm，檢測(cè)頻率為20～90 kHz。由于低頻超聲導(dǎo)波穿過彎頭、閥門等復(fù)雜部件時(shí)，能量會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)已無實(shí)際價(jià)值，因此此次檢測(cè)采集的有效數(shù)據(jù)為導(dǎo)波經(jīng)過直管段的數(shù)據(jù)。根據(jù)Teletest系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，從中分別選取信噪比較高的曲線，由于是在線檢測(cè)，L波信噪比較低，T波較為適合檢測(cè)帶料運(yùn)行的管道，因此選取T(0,1),36 kHz波形進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的波形如圖5所示。

圖5 T(0,1)導(dǎo)波檢測(cè)某直管段的波形圖(頻率為36 kHz，環(huán)間距為30 mm)

從波形圖可以看出一共存在11個(gè)特征點(diǎn)，均來自環(huán)焊縫的反射，其中焊縫M距離卡具安裝位置為150 m，從焊縫A到焊縫M波峰連接所形成的曲線即為超聲導(dǎo)波DAC曲線中的-14 dB曲線。由于該段管道均為直管段，波形較為典型，軟件可自動(dòng)生成DAC曲線，圖5中綠色的線為-26 dB線，黑色虛線為-32 dB噪聲線，因此該段直管段無異常腐蝕信號(hào)，運(yùn)行狀況良好。

對(duì)于存在較長(zhǎng)直管段的管道，可根據(jù)多道焊縫反射信號(hào)形成的DAC曲線來判斷腐蝕情況，但是對(duì)于化工設(shè)備管道來講，直管段長(zhǎng)度一般很難達(dá)到100 m左右，通常為5～10 m，無法形成完整的DAC曲線，因此需要人工在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行特征點(diǎn)與缺陷點(diǎn)判別。下面以一段長(zhǎng)為8 m的管道為例進(jìn)行說明。

該段管道直管段長(zhǎng)度為8 m，管道尺寸(通徑×壁厚)為250 mm×9 mm，采用Teletest 10寸卡具，32個(gè)模塊組，進(jìn)行T波、L波檢測(cè)，環(huán)間距為30 mm，檢測(cè)波形如圖6所示。

圖6 L(0,2)導(dǎo)波檢測(cè)某直管段的波形圖(頻率為61 kHz，環(huán)間距為30 mm)

對(duì)導(dǎo)波采集波形信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 L(0,2)導(dǎo)波檢測(cè)特征點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)檢測(cè)可知，在無法自動(dòng)生成DAC曲線的管道檢測(cè)中，需要人工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)結(jié)果中的異常波形進(jìn)行逐一確認(rèn)，例如特征波A正方向和負(fù)方向的波形，可以判斷為彎頭前焊縫以及后焊縫的波形。根據(jù)導(dǎo)波性質(zhì)可知，導(dǎo)波穿過彎頭后，波形會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模紊亂，給實(shí)際分析帶來較大難度，因此只分析直管段，同理可得異常信號(hào)C，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，特征信號(hào)C的顯示位置與彎頭距離卡具位置相吻合，所以可以排除異常點(diǎn)，定義為特征點(diǎn)。但對(duì)于異常點(diǎn)B而言，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況無任何對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)，因此根據(jù)信號(hào)位置，對(duì)+1.53 m處進(jìn)行圓周方向密集型測(cè)厚，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管道圓周方向正上方的原來壁厚為9 mm的地方實(shí)測(cè)壁厚為7.8 mm，減薄了1.2 mm，即出現(xiàn)了局部?jī)?nèi)腐蝕凹坑。

2.2 管道外壁漏磁檢測(cè)應(yīng)用

管道外壁漏磁檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用案例較多，下面以某化工碼頭113#管線為例進(jìn)行說明。113#管線原始數(shù)據(jù)如下：管道尺寸(通徑×壁厚)為300 mm×6.35 mm，長(zhǎng)度為11 m，管道級(jí)別為GC1，材料為碳鋼+PE，管內(nèi)介質(zhì)為鹽酸。

檢測(cè)參數(shù)設(shè)置如下：檢測(cè)速度為0.1 m/s，驅(qū)動(dòng)方式為人工推動(dòng)，標(biāo)定試板為10 mm厚人工試板，檢測(cè)儀器為10通道，設(shè)置板長(zhǎng)為500 mm，板寬為600 mm，門檻值為20%，提離值設(shè)置為1 mm?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖片如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)人工推動(dòng)檢測(cè)

檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 某化工碼頭113#管線漏磁檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)掃查結(jié)果可以看出：沿管道圓周方向共進(jìn)行了11次掃查，并確保每次掃查覆蓋前一次的20%寬度，圖中灰色部位為管端法蘭位置，漏磁儀器無法進(jìn)行檢測(cè)，為盲區(qū)部位。對(duì)圖中缺陷位置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量并進(jìn)行腐蝕深度判斷，結(jié)果顯示該位置存在40%～80%的腐蝕缺陷，但現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行宏觀檢查后，未發(fā)現(xiàn)外表面存在明顯腐蝕減薄，隨后采用27MG型超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行密集測(cè)厚，也未發(fā)現(xiàn)明顯內(nèi)表面腐蝕減薄，但管道表面存在防腐漆顆粒凸起，因此綜合判斷該信號(hào)為儀器通過該油漆凸起后產(chǎn)生的偽缺陷信號(hào)，可以予以排除。

其他現(xiàn)場(chǎng)典型檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 管線漏磁檢測(cè)典型檢測(cè)結(jié)果

管道漏磁檢測(cè)與缺陷判斷要點(diǎn)總結(jié)如下：①檢測(cè)前應(yīng)采用相同板厚的試板進(jìn)行標(biāo)定，確定檢測(cè)靈敏度；②檢測(cè)時(shí)要?jiǎng)蛩偻苿?dòng)，盡量避免產(chǎn)生振動(dòng)；③隨著提離值的增大，檢測(cè)儀的靈敏度會(huì)隨之下降，因此要合理設(shè)計(jì)傳感器的提離值以保證檢測(cè)靈敏度；④現(xiàn)場(chǎng)注意管道周向的定位設(shè)置；⑤采用宏觀檢查和超聲密集型測(cè)厚排除偽缺陷；⑥采用其他無損檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)驗(yàn)；⑦缺陷的圖譜一般存在腐蝕當(dāng)量代表色單一出現(xiàn)，并出現(xiàn)多次重疊的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

超聲導(dǎo)波和管道外壁漏磁兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合使用，可以在碼頭壓力管道在線檢驗(yàn)檢測(cè)過程中發(fā)揮出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以快速大面積檢測(cè)管道母材缺陷，能為企業(yè)解決兩大難題，一是不停車、不清管檢測(cè)；二是不用大面積拆除保溫層進(jìn)行檢測(cè)，為企業(yè)減少了相關(guān)輔助工作經(jīng)濟(jì)花費(fèi)的開支。該兩項(xiàng)技術(shù)在運(yùn)用過程中，主要還存在以下幾方面的難題：低頻導(dǎo)波波形復(fù)雜、轉(zhuǎn)換波形的有效分析，缺陷波的準(zhǔn)確識(shí)別，螺旋焊縫的波形分析，漏磁偽缺陷的判別等。解決的主要方法有：一是采用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，為現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)提供一定的支持；二是積累現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)。