工業(yè)管道無損檢測和安全評價(jià)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

金斌戈* 趙哲明 汪蓉梅 陳 濤 陳靜相 申川川 劉延雷

（1.杭州市特種設(shè)備檢測研究院 2. 杭州市鍋爐壓力容器技術(shù)協(xié)會 3. 浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所）

0 前言

工業(yè)管道廣泛應(yīng)用于石化、電力、環(huán)保、公用工程系統(tǒng)等領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著舉足輕重的影響作用。由于工業(yè)管道通常用于輸送具有一定壓力的易燃、易爆或具有腐蝕性等特點(diǎn)的氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)，一旦管道中存在裂紋、腐蝕等缺陷，其發(fā)生泄漏或爆炸的概率將會大大提高，甚至可能引發(fā)災(zāi)難性事故，對人民的生命及財(cái)產(chǎn)造成危害，因此工業(yè)管道的檢測與安全評價(jià)受到了相關(guān)從業(yè)人員的高度關(guān)注。我國工業(yè)管道的整體質(zhì)量因管理、技術(shù)以及歷史等原因較為堪憂，常常存在著不同類型的缺陷。此外，工業(yè)管道承受的載荷也很復(fù)雜，除承受內(nèi)壓外，還承受著包括自重、附件引起的附加彎矩以及環(huán)境引起的意外荷載等，因此工業(yè)管道失效案例時有發(fā)生，其檢測和安全評價(jià)工作面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)[1-2]。

工業(yè)管道大多采用現(xiàn)場焊接組裝，由于焊接工藝控制不嚴(yán)或現(xiàn)場操作不當(dāng)，管道在焊接過程中往往會形成不同形式的缺陷。焊接缺陷是指焊接接頭部位在焊接過程中形成的缺陷，主要包括氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、凹坑、咬邊、焊瘤等。這些缺陷一方面降低了管道的實(shí)際承載能力，另一方面，管道在使用過程中還會因載荷、介質(zhì)等因素萌生出更加危險(xiǎn)的裂紋類缺陷，對管道的運(yùn)行安全產(chǎn)生巨大的危脅。 例如，大量的老舊液氨制冷系統(tǒng)管道由于焊接時未開設(shè)坡口，焊縫處存在未焊透缺陷，在彎曲應(yīng)力及疲勞應(yīng)力的作用下，極易造成管道焊縫處泄漏或斷裂[3]。定期檢驗(yàn)過程中如何精準(zhǔn)檢測管道缺陷并評價(jià)和處理這些檢出的缺陷一直是困擾工業(yè)管道管理部門和使用單位的難題。本文在詳細(xì)論述工業(yè)管道的檢測與安全評價(jià)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，給出了工業(yè)管道檢測與評價(jià)的未來發(fā)展方向。

1 工業(yè)管道檢測現(xiàn)狀

用于工業(yè)管道的常用無損檢測方法包括磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測及超聲檢測等。磁粉檢測和滲透檢測常用于檢測表面缺陷。對于鐵磁性材料的表面缺陷檢測，磁粉檢測具有較高的靈敏度，TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》中規(guī)定優(yōu)先采用磁粉檢測；而滲透檢測對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面開口缺陷檢測起著重要作用。劉順勤[4]對某彎管焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢測時采用了滲透檢測，曾向宏[5]對某天然氣場站內(nèi)管道焊縫和三通焊縫進(jìn)行了磁粉檢測，兩人均發(fā)現(xiàn)焊縫存在不同程度的表面裂紋，進(jìn)而對裂紋進(jìn)行滲透檢測時未發(fā)現(xiàn)開口缺陷。

射線檢測技術(shù)是利用射線的穿透性來檢查管道缺陷，主要包括射線照相法和X 射線檢測法[6]。鄒文超等[7]對某化工廠電站鍋爐內(nèi)正在運(yùn)行的管道開展了宏觀檢查，并對管道焊接接頭開展射線和磁粉檢測，抽查檢測未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。程文虎等[8]對某天然氣長輸管道工程中5 685 道焊接接頭開展射線檢測，其中未熔合缺陷占比為0.35%。射線檢測具有對面積型缺陷的檢出率不高，試驗(yàn)條件要求較高，且射線本身對人體有一定程度的傷害等缺點(diǎn)。因此，超聲無損檢測仍是管道焊縫質(zhì)量檢測的重要手段。

超聲檢測是利用超聲波在被檢結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播時的變化情況來探測缺陷的檢測技術(shù)[10]。隨著超聲檢測裝置不斷進(jìn)步，大多設(shè)備已可完成對管道缺陷的檢測與分析工作。如德國研發(fā)的720 型超聲波檢測器、德國NDT Global 公司研發(fā)的超聲檢測設(shè)備以及美國GE 公司研發(fā)的壓電腐蝕超聲檢測器相繼實(shí)現(xiàn)管道焊接缺陷、管道裂紋缺陷以及管道內(nèi)部腐蝕缺陷的檢測[11-12]。在信號數(shù)據(jù)處理方面，Abbasi 等[13]提出了基于多掃描模式的焊縫成像數(shù)據(jù)處理方法，利用體積重建技術(shù)對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了不同方位缺陷的全面檢測；在管道缺陷識別方面，Song 等[14]提出利用反褶積方法來識別管道試樣上不同形狀缺陷的超聲信號，建立了缺陷相似性函數(shù)，可對其進(jìn)行分類。

隨著我國管道工業(yè)不斷發(fā)展，國內(nèi)很多學(xué)者對管道焊接缺陷的超聲檢測進(jìn)行了研究?；诔暡ǚ瓷浞ǎ⑸车萚15]提出了一種新型的管道三維成像方法，通過獲取回波信息和空間位置信息即可得到缺陷的形狀、大小以及空間坐標(biāo)等信息；侯懷書等[16]針對管道焊縫缺陷識別困難問題，利用傅里葉變換方法對超聲檢測得到的缺陷信號進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)了管道對接焊縫四種缺陷的類型識別；王向宇等[17]及肖會芳等[18]通過建立缺陷模型，利用數(shù)值仿真模擬方法分析超聲波傳播特性，進(jìn)而對管道焊縫缺陷進(jìn)行識別和定位。

與傳統(tǒng)超聲無損檢測方法相比，超聲相控陣是一項(xiàng)具有發(fā)展前景的新興技術(shù)。超聲波相控陣技術(shù)在信號顯示方面以不同維度和方式進(jìn)行成像顯示，與傳統(tǒng)超聲波的單一波形顯示方式相比，其缺陷顯示方式不斷進(jìn)步，可以觀察到缺陷相對焊縫的位置以及長度大小等二維形貌，如圖1 所示。

圖1 不同掃描方式觀測到的缺陷形貌

相控陣檢測技術(shù)采用多晶片組合而成的探頭陣列來進(jìn)行超聲波的發(fā)射與接收，通過計(jì)算機(jī)軟件控制晶片陣列中每個晶片的延遲時間，控制脈沖發(fā)射使波束聚焦到特定的深度，并以一定的角度傳播。超聲相控陣可實(shí)現(xiàn)包括線性掃查、扇形掃查和動態(tài)深度聚焦等，因此在探頭不動的情況下，該方法具有更大的覆蓋范圍。相控陣超聲波檢測技術(shù)具有檢測精度高、檢測速度快、可重復(fù)性強(qiáng)、缺陷檢出率高、檢測成本低等優(yōu)點(diǎn)[19]，適用于各種坡口形式焊縫檢測，逐漸成為焊縫檢測的首選技術(shù)。

2 安全評價(jià)現(xiàn)狀

除了進(jìn)行管道缺陷檢測之外，給出含缺陷管道承壓性能的適應(yīng)性評價(jià)也越來越重要。與無損檢測技術(shù)相適應(yīng)，從20 世紀(jì)80 年代開始，國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了大量針對在役含缺陷壓力管道安全評定技術(shù)的研究，如英國衛(wèi)生與安全管理局對荷蘭Rijnmuncl 地區(qū)工業(yè)設(shè)施進(jìn)行了評價(jià)，美國ASME 協(xié)會對壓力容器的可靠性與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，美國核管理委員會提出了“退化管研究計(jì)劃”，日本原子能研究所的“管道可靠性實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃”，德國Stuttgart 大學(xué)國立材料研究所的“德國壓力管道研究計(jì)劃”，我國設(shè)立了“九五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)專題“在役含缺陷壓力管道安全評定技術(shù)研究”等。并在此基礎(chǔ)上形成了一系列含缺陷管道安全評定標(biāo)準(zhǔn)，包括美國ASME 規(guī)范第XI 篇的 IWB-3640 及附錄C“奧氏體鋼管道缺陷評定規(guī)程及驗(yàn)收準(zhǔn)則”、IWB-3650 及附錄H“鐵素體鋼管道缺陷評定規(guī)程及驗(yàn)收準(zhǔn)則”和ASME B31G《腐蝕管道剩余強(qiáng)度測定手冊》，英國中央電力局的CEGB R6《含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評定》以及我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》等等。

上述國內(nèi)外管道適用性評價(jià)體系大多是基于標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范給出了相應(yīng)的評定方法，其具有一定的局限性。由于現(xiàn)有的管道評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范涉及到材料、力學(xué)、失效分析學(xué)等多方面綜合的理論知識，并且很大程度上依賴于檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)水平，評定過程比較復(fù)雜，一般工程技術(shù)人員難以掌握，因此開發(fā)檢測與評價(jià)一體化的分析工具意義重大。

3 發(fā)展趨勢

超聲相控陣檢測技術(shù)是一種先進(jìn)的具有發(fā)展前景的無損檢測新技術(shù)，其在管道焊縫檢測中逐步得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的相控陣成像技術(shù)是對探頭角度、探頭延遲等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置后，通過采集對接焊縫的實(shí)時多通道高頻信號來獲得檢測數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)單個通道B 掃描圖譜和多個通道疊加合成S 掃描圖譜，然而這些二維圖譜存在缺陷的反映不夠直觀、缺陷評判的干擾因素較多等問題。隨著檢測要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高，為了完整和準(zhǔn)確地呈現(xiàn)缺陷形態(tài)，分析缺陷特征，實(shí)現(xiàn)三維成像是相控陣超聲檢測技術(shù)的新要求。在超聲相控陣檢測基礎(chǔ)上，將超聲相控陣技術(shù)與三維可視化成像技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,開展針對焊接結(jié)構(gòu)的超聲相控陣三維成像檢測研究，該技術(shù)能夠較好地反映出真實(shí)缺陷的長度、深度、位置、走向等信息，從而提高檢測結(jié)果的可靠性和可識別性，使檢測人員能夠?qū)θS模型進(jìn)行全方位觀測,極大地提高了檢測的效率和準(zhǔn)確性。

在安全評價(jià)方面，通過獲得缺陷三維形貌數(shù)據(jù)并在有限元軟件二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，開發(fā)參數(shù)化建模工具和自動化應(yīng)力計(jì)算工具，分析預(yù)測缺陷對壓力管道服役性能的影響，自動結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)分析知識對含缺陷的管道進(jìn)行“合于使用”安全評定，自動形成評價(jià)報(bào)告，為一線檢測的工程技術(shù)人員提供智能化評價(jià)工具，可有效提高我國在役壓力管道安全狀況和科學(xué)管理水平。

4 結(jié)語

為了保障工業(yè)管道的安全運(yùn)行，在當(dāng)前檢測技術(shù)與安全評價(jià)方法現(xiàn)已得到長足發(fā)展的背景下，無損檢測技術(shù)將逐漸過渡為無損評價(jià)技術(shù)。針對管道焊縫，將超聲相控陣技術(shù)與三維可視化成像技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)焊接缺陷的全方位觀測，并有助于提高檢測效率和準(zhǔn)確性。此外，在管道缺陷的檢測基礎(chǔ)上，通過缺陷模型的數(shù)字化、應(yīng)力分析的自動化，將缺陷檢測與安全評價(jià)相結(jié)合，使評價(jià)方法智能化，可進(jìn)一步提高我國壓力管道的安全檢測與管理水平。