漏磁檢測(cè)技術(shù)在石化行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)展

齊洪洋 陳 阮 林 楠

廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院茂名檢測(cè)院, 廣東 茂名 525000

0 前言

漏磁檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過多年研究和發(fā)展,已經(jīng)在檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上,有了非常廣泛的應(yīng)用。尤其近10年國(guó)內(nèi)漏磁檢測(cè)技術(shù)的大量應(yīng)用,推動(dòng)了漏磁檢測(cè)技術(shù)的縱深發(fā)展,為此,本文將對(duì)漏磁檢測(cè)技術(shù)在承壓類特種設(shè)備無損檢測(cè)方面做詳細(xì)研究論述。

1 漏磁檢測(cè)技術(shù)原理

漏磁檢測(cè)技術(shù)原理是通過給鐵磁性材料勵(lì)磁,使材料內(nèi)部磁通量達(dá)到飽和狀態(tài),如果材料內(nèi)部存在切割磁力線的缺陷,會(huì)導(dǎo)致缺陷部位的磁場(chǎng)發(fā)生畸變,磁力線漏出材料表面,形成漏磁場(chǎng),采用霍爾元件等磁感應(yīng)傳感器捕捉該漏磁場(chǎng)信息,通過分析多個(gè)傳感器所捕捉到漏磁場(chǎng)信息,確定缺陷的三維尺寸,并進(jìn)行定位。

2 漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

漏磁檢測(cè)技術(shù)原理簡(jiǎn)單,但屬于綜合性科學(xué)研究,其研究方向主要有以下三方面。

1)對(duì)磁場(chǎng)特性的研究。ANSYS等數(shù)值模擬軟件具有性能優(yōu)良的磁場(chǎng)模擬能力,可以為科研人員提供高度接近現(xiàn)實(shí)的模擬磁場(chǎng),多用于對(duì)復(fù)雜工件磁場(chǎng)的研究,從而在研究新型漏磁檢測(cè)設(shè)備過程中,節(jié)省人力、物力、時(shí)間等資源。

2)數(shù)據(jù)處理方式的優(yōu)化。對(duì)缺陷信號(hào)的數(shù)學(xué)模型,科研人員提出了多種分析方法,適用不同的研究方向,如:基于場(chǎng)點(diǎn)的磁場(chǎng)采用簡(jiǎn)單模型b=Am;處理信號(hào)采用小波降噪法去除高頻噪聲,保留可用的低頻部分;采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法識(shí)別缺陷類型等。

3)增加可檢測(cè)部位。漏磁檢測(cè)技術(shù)存在天然的檢測(cè)弊端,如:在焊縫部位信號(hào)不穩(wěn);由于信號(hào)紊亂,工件端部存在檢測(cè)盲區(qū)、不能進(jìn)行缺陷深度方向的定位等?？蒲腥藛T正在對(duì)這些課題進(jìn)行攻關(guān),并取得一定進(jìn)展。

3 漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

由于漏磁檢測(cè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯,在石化行業(yè)中應(yīng)用廣泛。下面介紹漏磁檢測(cè)技術(shù)在壓力容器、壓力管道、鍋爐、常壓儲(chǔ)罐缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用情況。

3.1 壓力容器漏磁檢測(cè)

檢測(cè)方式的選擇和工裝制造是壓力容器漏磁檢測(cè)的重點(diǎn)問題:為適應(yīng)壓力容器表面的曲度,改變極靴的形狀,采用內(nèi)壁檢測(cè)或外壁檢測(cè)的方式對(duì)壓力容器進(jìn)行漏磁檢測(cè);對(duì)于不能吹掃、不便開罐、不能打磨表面漆皮的壓力容器(如容器未經(jīng)吹掃或介質(zhì)未排出等情況),采用外表面漏磁檢測(cè)的方式對(duì)罐壁進(jìn)行全壁厚缺陷檢測(cè);對(duì)于埋地容器、拆除和恢復(fù)保溫層成本過高的壓力容器,可以采用內(nèi)壁檢測(cè)的方式進(jìn)行檢測(cè)[1-2]。圖1所示的壓力容器漏磁內(nèi)壁檢測(cè)技術(shù),優(yōu)勢(shì)是降低停車和配合作業(yè)帶來的檢測(cè)成本,減輕檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度,提高缺陷檢出率;在無人進(jìn)入的情況下,對(duì)壓力容器內(nèi)表面狀態(tài)和缺陷的分布情況有較清晰了解。

圖1 壓力容器漏磁內(nèi)壁檢測(cè)技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal magnetic flux leakagetesting technology for pressure vessels

海上平臺(tái)壓力容器的工況復(fù)雜,同時(shí)面臨內(nèi)外腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。磁粉和滲透檢測(cè)只能對(duì)容器表面和近表面缺陷起作用;超聲直探頭可以對(duì)缺陷進(jìn)行判定,但只能對(duì)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),工作效率低;由于海上平臺(tái)噪聲大,聲發(fā)射等其他檢測(cè)手段均有一定局限性。漏磁檢測(cè)不僅可以克服以上困難,而且能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè),成為海上平臺(tái)壓力容器檢驗(yàn)的首選。采用漏磁檢測(cè)技術(shù),可以在外側(cè)檢驗(yàn)壓力容器罐體及封頭的腐蝕情況,彌補(bǔ)超聲波測(cè)厚只是點(diǎn)測(cè)、不能覆蓋的不足[3]。

3.2 壓力管道漏磁檢測(cè)

根據(jù)2014版《特種設(shè)備目錄》,壓力管道分為工業(yè)管道、長(zhǎng)輸管道和公用管道。目前,漏磁檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)管道和長(zhǎng)輸管道,其中工業(yè)管道主要采用漏磁外檢測(cè)技術(shù),輔以漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù),而長(zhǎng)輸管道幾乎完全采用漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。

3.2.1 工業(yè)管道漏磁檢測(cè)

工業(yè)管道的傳統(tǒng)檢測(cè)方法需要拆保溫層、打磨油漆等輔助工作,停車周期長(zhǎng),配合人員多,造成較大經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此,工業(yè)管道用戶急需一種新的檢測(cè)手段,滿足在有能力檢測(cè)缺陷的同時(shí),減少配合工作的工程量,減少停車時(shí)間。漏磁檢測(cè)技術(shù)在一定程度上解決了這些問題[4-6],由于工業(yè)管道結(jié)構(gòu)原因,現(xiàn)場(chǎng)多采用管道漏磁外檢測(cè)技術(shù)，如帶保溫層管道的漏磁檢測(cè)技術(shù)見圖2。另外,目前工程使用的防銹漆和防腐材料對(duì)磁場(chǎng)無影響,且厚度一般<6 mm,而業(yè)內(nèi)多數(shù)品牌的管道漏磁外檢測(cè)設(shè)備的可接受提離值均≥6 mm,因此,漏磁外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)管道檢測(cè),可免打磨油漆。

圖2 帶保溫層管道的漏磁檢測(cè)技術(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of magnetic flux leakage testingtechnology for pipeline with insulating layer

在工裝方面,由于工業(yè)管道的特殊性,通用管道漏磁設(shè)備難以滿足所有檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的要求,為此,科研人員做了大量工作。為解決小管徑內(nèi)表面缺陷檢出率低的問題,研發(fā)了小管徑管道漏磁檢測(cè)裝置,可檢測(cè)到φ27×3.5 mm小管徑管道內(nèi)壁的人工缺陷,檢測(cè)效率高,檢測(cè)效果可靠[7];通過改進(jìn)“三簧探頭機(jī)構(gòu)”,使得改進(jìn)后的探頭機(jī)構(gòu)不僅能夠適應(yīng)大管徑管道,同時(shí)可以適應(yīng)小管徑管道,極限壓縮尺寸為30 mm,適用范圍更廣泛[8];另外,管道外壁漏磁檢測(cè)儀也在反復(fù)研究和應(yīng)用中得到改進(jìn),如根據(jù)不同工況選取磁化方式、變徑方式[9]、減輕作業(yè)人員體力消耗[10]等問題,在不影響檢測(cè)結(jié)果的前提下,也已經(jīng)得到解決。

3.2.2 長(zhǎng)輸管道的漏磁檢測(cè)技術(shù)

長(zhǎng)輸管道是重要的油氣運(yùn)輸通道,是國(guó)家戰(zhàn)略工程,但在很長(zhǎng)一段時(shí)間里,缺乏有效的無損檢測(cè)手段。隨著對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的深入研究,解決了軸向勵(lì)磁[11]、特定缺陷漏磁信號(hào)識(shí)別[12-13]、盜油孔漏磁信號(hào)識(shí)別[14]、缺陷定位和缺陷增長(zhǎng)率識(shí)別[15]等重點(diǎn)和難點(diǎn)問題,使得漏磁檢測(cè)技術(shù)優(yōu)于其他檢測(cè)方法,成為長(zhǎng)輸管道最常用的檢測(cè)方法,尤其是針對(duì)西氣東輸?shù)却笮陀蜌鈨?chǔ)運(yùn)項(xiàng)目管道的腐蝕缺陷,漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)是最有效的檢測(cè)手段[16-19],長(zhǎng)輸管道的漏磁檢測(cè)設(shè)備見圖3。

圖3 長(zhǎng)輸管道的漏磁檢測(cè)設(shè)備圖Fig.3 Magnetic flux leakage testing equipmentsfor long distance pipeline

漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道檢測(cè),優(yōu)點(diǎn)是不停車作業(yè),對(duì)油氣輸送工作幾乎沒有影響,正常清管作業(yè)流程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道缺陷的檢測(cè)，見圖4;檢測(cè)結(jié)果清晰,可精確采集缺陷信息,以曲線或云圖[20-21]形式呈現(xiàn),定位精準(zhǔn);檢測(cè)效率高,檢測(cè)速度可根據(jù)管道內(nèi)介質(zhì)流速?zèng)Q定;開挖結(jié)果顯示,漏磁檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

圖4 長(zhǎng)輸管道的漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of magnetic flux leakage testingtechnology for long distance pipeline

然而,海底管道作為特殊的長(zhǎng)輸管道,沒有開挖取出卡堵的漏磁檢測(cè)儀或驗(yàn)證結(jié)果的條件,因此不允許檢測(cè)儀器發(fā)生卡堵現(xiàn)象,對(duì)檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性、可靠性提出了更高要求[22]?？蒲腥藛T通過整合及簡(jiǎn)化信號(hào)采集單元,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,滿足海底管道缺陷漏磁檢測(cè)工程應(yīng)用的技術(shù)要求。目前,已有漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于海底管道,并獲得了較高的檢測(cè)精度[23]。

3.3 鍋爐漏磁檢測(cè)

漏磁檢測(cè)技術(shù)在鍋爐上的應(yīng)用主要是對(duì)水冷壁管檢測(cè),由于水冷壁管直徑較小(一般

對(duì)于較大管徑的爐管(如DN150),可采用漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù),借助介質(zhì)的壓力推動(dòng)檢測(cè)器在管道內(nèi)部運(yùn)動(dòng),達(dá)到檢測(cè)目的。漏磁內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)φ6 mm通孔信號(hào),為爐管檢測(cè)提供了一種有效方法[26]。

3.4 立式儲(chǔ)罐檢測(cè)

立式儲(chǔ)罐底板最常見的失效形式是坑狀腐蝕,并且在鋼板上下表面均有可能發(fā)生[27],引發(fā)泄漏事故,見圖5。對(duì)底板的檢測(cè)方法有漏磁檢測(cè)、超聲波測(cè)厚、聲發(fā)射檢測(cè)、真空檢漏等檢測(cè)手段。超聲波測(cè)厚僅能對(duì)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),對(duì)均勻腐蝕有效,但不易發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀腐蝕(特別是底板外表面點(diǎn)狀腐蝕);聲發(fā)射檢測(cè)條件是高液位、無干擾,且僅對(duì)檢測(cè)過程中發(fā)出聲發(fā)射信號(hào)的缺陷有效,對(duì)于未激發(fā)的缺陷無效;真空檢漏僅對(duì)泄漏的底板效果明顯,不能檢出未泄漏的外表面腐蝕;而漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼板上下表面體積型缺陷(包括穿孔)具有優(yōu)良的檢測(cè)能力,尤其是對(duì)底板下表面點(diǎn)狀腐蝕的檢測(cè)能力突出[28],使得漏磁檢測(cè)技術(shù)可以在儲(chǔ)罐底板眾多檢測(cè)方法中有較大優(yōu)勢(shì)。

圖5 立式儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)照片F(xiàn)ig.5 Photo of leakage detection of vertical storage tankbottom plate by MFL

為了增強(qiáng)漏磁檢測(cè)可操作性,提高工作效率,科研人員對(duì)常規(guī)底板漏磁檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了較多改進(jìn),如:采用電力驅(qū)動(dòng)取代手動(dòng)掃查[29];給底板漏磁自動(dòng)檢測(cè)車搭載定位系統(tǒng),設(shè)計(jì)運(yùn)行軌跡,定位誤差±4 mm,滿足儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)要求[30]。

當(dāng)然,底板漏磁檢測(cè)也有其局限性,如掃查盲區(qū)、補(bǔ)板漏磁場(chǎng)空間分布畸變等,科研人員采用多種檢測(cè)方法疊加[31]和深入研究漏磁場(chǎng)分布[32]的方法彌補(bǔ)不足,為儲(chǔ)罐底板漏磁檢測(cè)補(bǔ)足短板,使其應(yīng)用程度更加廣泛。

與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)相比,由于聲發(fā)射檢測(cè)中評(píng)級(jí)參數(shù)C值的選取需要基于儲(chǔ)罐實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行確定,因此對(duì)缺陷的定量需要較多經(jīng)驗(yàn)積累。漏磁檢測(cè)以其更加精確的缺陷定位及尺寸等信息,可以作為聲發(fā)射檢測(cè)的對(duì)比值,為其結(jié)果的評(píng)定提供參考[33]。

此外,儲(chǔ)罐罐壁內(nèi)表面的腐蝕可以通過漏磁檢測(cè)技術(shù)在外表面進(jìn)行檢測(cè),因此,漏磁檢測(cè)技術(shù)在儲(chǔ)罐罐壁檢測(cè)方面也有了較多應(yīng)用[34-35]。由于漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鋼板缺陷的檢測(cè)理論、方法、檢測(cè)儀器等已經(jīng)比較成熟,其研究的主要方向是罐壁爬行機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)、路徑規(guī)劃[36-37]、磁特性研究[38]等。

4 結(jié)論

漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用相輔相成,共同進(jìn)步。從對(duì)近10年漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的研究及工程實(shí)際的需求出發(fā),漏磁檢測(cè)技術(shù)有四個(gè)發(fā)展方向。

1)在理論研究方面,深入研究漏磁檢測(cè)原理及相關(guān)理論,如脈沖漏磁、交流漏磁集膚效應(yīng)等,從中尋求有利于漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的新方向。

2)在儀器研究方面,注意多學(xué)科交叉,如材料學(xué)可提供耐高溫、耐磨損的元件,電子科學(xué)提供更強(qiáng)大的信號(hào)采集、存儲(chǔ)、處理等元件,數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)提供更合理的數(shù)據(jù)處理方式。

3)在工程使用方面,設(shè)計(jì)合適的工裝,適應(yīng)不同的工作條件,如針對(duì)焊縫、彎頭等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的漏磁檢測(cè)設(shè)備。

4)與自動(dòng)化控制結(jié)合,搭配行走、定位、無線傳輸?shù)饶K,實(shí)現(xiàn)漏磁檢測(cè)工作的“人機(jī)分離”,應(yīng)用于檢測(cè)人員無法到達(dá)的管道,或在線檢測(cè)常壓儲(chǔ)油罐等更現(xiàn)實(shí)、更復(fù)雜的工況。