長輸管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的超聲波衍射時(shí)差法檢測(cè)

江雁山，鄧 進(jìn)，李 喆，劉禮良，4

(1.森松(江蘇)重工有限公司上海分公司，上海 201323；2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029；3.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043；4.國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

近年來，隨著我國油氣發(fā)展的需求擴(kuò)大，長輸管道鋪設(shè)量大幅增加[1]。長輸管道經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行后會(huì)發(fā)生多種損傷，管道內(nèi)壁腐蝕是長輸管道運(yùn)行中的一種常見損傷模式[2]。目前，長輸管道內(nèi)壁腐蝕的檢測(cè)技術(shù)主要為內(nèi)檢測(cè)技術(shù)等[3]，其通過測(cè)量管道壁厚損失百分比來評(píng)價(jià)腐蝕程度，在發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁腐蝕缺陷后，還需采用常規(guī)超聲檢測(cè)或射線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)。常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果不直觀，缺陷特征評(píng)價(jià)提供的信息量不足；射線檢測(cè)在在役管道中的檢測(cè)采用雙壁單影透照方式，檢測(cè)靈敏度較低。管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的精確測(cè)量對(duì)管道的安全運(yùn)行有著重要意義。

筆者采用超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)來測(cè)定內(nèi)壁腐蝕缺陷，通過仿真分析TOFD檢測(cè)工藝的可行性，對(duì)實(shí)際工程中已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)壁腐蝕缺陷進(jìn)行測(cè)量，并與常規(guī)超聲脈沖反射法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了TOFD檢測(cè)的可行性。

1 TOFD檢測(cè)的基本原理

TOFD檢測(cè)是一種利用缺陷端點(diǎn)的聲波衍射傳播時(shí)間差來進(jìn)行缺陷檢測(cè)與定量的技術(shù)[4]，其檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 TOFD檢測(cè)原理示意

TOFD檢測(cè)較常規(guī)超聲檢測(cè)方法而言，除可顯示A型脈沖波形外，還可以得到D掃描圖像，檢測(cè)結(jié)果更為直觀；TOFD檢測(cè)還可對(duì)缺陷的深度、高度及長度進(jìn)行精確測(cè)量。TOFD檢測(cè)底面盲區(qū)分為焊縫中心底面盲區(qū)和軸偏離盲區(qū)[5]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，焊縫中心底面盲區(qū)高度一般要求不大于1 mm。對(duì)管體本體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可通過不同位置、多次掃查來解決軸偏離盲區(qū)的問題?；赥OFD檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)長輸管道內(nèi)壁腐蝕檢測(cè)工藝進(jìn)行仿真分析。

2 TOFD檢測(cè)的仿真分析

NB/T 47013.10-2015 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了焊縫TOFD檢測(cè)的相關(guān)要求[6]，而對(duì)管道本體部分無相關(guān)檢測(cè)要求，筆者根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的焊縫TOFD檢測(cè)工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

2.1 TOFD聲場(chǎng)仿真分析

工件規(guī)格為914 mm×16 mm(外徑×壁厚)，在CIVA軟件中對(duì)其進(jìn)行建模，模型如圖2所示。

圖2 工件模型

仿真選用頻率為5 MHz，直徑為6 mm的探頭，楔塊角度為70°，PCS(探頭中心間距)為58.6 mm，計(jì)算分析聲場(chǎng)在工件中的分布(見圖3)。

圖3 聲場(chǎng)分析計(jì)算結(jié)果

由圖3可知，-12 dB聲束底面覆蓋區(qū)域?yàn)?1 mm，聲場(chǎng)在工件底面能量較為集中，更有利于檢測(cè)內(nèi)壁腐蝕缺陷。

2.2 TOFD缺陷響應(yīng)仿真分析

在建立好的工件模型中，沿著管道周向與軸向內(nèi)壁分別預(yù)設(shè)1個(gè)長為15 mm，高為1 mm的缺陷，并分別沿著管道周向與軸向掃查，掃查示意如圖4所示。

圖4 周向與軸向掃查示意

圖4中紅色十字標(biāo)志為預(yù)設(shè)的缺陷，紫色線條為TOFD檢測(cè)掃查方向。將聲場(chǎng)仿真參數(shù)應(yīng)用到建立好的缺陷模型中，分別沿著設(shè)置的周向與軸向掃查路徑進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 TOFD檢測(cè)缺陷仿真圖譜

由圖5可知，采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的工藝參數(shù)可檢測(cè)出周向與軸向的根部缺陷，且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，初步驗(yàn)證TOFD檢測(cè)管道母材是可行的。

3 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

某公司長輸管道規(guī)格為914 mm×16 mm(外徑×壁厚)，材料為X70鋼，運(yùn)行3 a后首次進(jìn)行定期檢測(cè)，在管道內(nèi)壁某一位置發(fā)現(xiàn)1處缺陷。針對(duì)該處缺陷，選用DA5P14FS15型探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)。檢測(cè)得到缺陷最小深度為13.8 mm，長為20 mm，寬為15 mm，但無法對(duì)缺陷進(jìn)行直觀顯示，不利于缺陷評(píng)定。射線檢測(cè)時(shí)，采用雙壁單影透照，但檢測(cè)靈敏度較低。

針對(duì)上述情況，采用TOFD檢測(cè)該處缺陷。檢測(cè)設(shè)備為中科創(chuàng)新HSPA20型檢測(cè)儀，探頭頻率為5 MHz，直徑為6 mm，楔塊角度為70°，PCS為58.6 mm，檢測(cè)結(jié)果如圖6，7所示。

圖6 TOFD檢測(cè)周向缺陷圖譜

圖7 TOFD檢測(cè)軸向缺陷圖譜

由圖6，7可知，該圖譜特征較符合NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)中附錄E的圖譜特征。檢測(cè)位置為管道本體，對(duì)該處缺陷進(jìn)行精確測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

將表1中的TOFD檢測(cè)結(jié)果與常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析可知，缺陷最小深度均為13.8 mm，TOFD檢測(cè)結(jié)果精度不低于常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果的精度，檢測(cè)結(jié)果更為直觀，更有利于缺陷的評(píng)定。

表1 管道缺陷TOFD檢測(cè)結(jié)果 mm

4 結(jié)語

(1) 采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的焊縫檢測(cè)工藝參數(shù)對(duì)管道內(nèi)壁腐蝕缺陷進(jìn)行TOFD檢測(cè)，可有效檢出內(nèi)壁腐蝕缺陷及對(duì)缺陷進(jìn)行定量。

(2) TOFD檢測(cè)精度不低于常規(guī)超聲檢測(cè)精度。

(3) TOFD檢測(cè)結(jié)果更為直觀，對(duì)管道安全運(yùn)行維護(hù)具有重要意義。

(4) 給管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的測(cè)量提供了一種新的檢測(cè)方法。