工業(yè)管道設(shè)備無損檢測及評估的現(xiàn)狀與趨勢分析

◎劉楊楊 周傳健 陳帥

工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道現(xiàn)已廣泛用于石油化工、電力設(shè)施、環(huán)境保護(hù)、公共領(lǐng)域各類工程等行業(yè)中，對于目前宏觀經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的關(guān)鍵作用。因為工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道經(jīng)常用在運(yùn)送帶有特定壓力值的易燃易爆及腐蝕特性的氣體或者液體狀態(tài)的物質(zhì)，如果管道裝置中有裂紋或者金屬材料發(fā)生腐蝕之類的缺陷，其出現(xiàn)泄漏或者爆炸事故的幾率將會顯著提升，更有甚者，有可能引起規(guī)模巨大災(zāi)難性事故，會對廣大人民群眾的生命和財產(chǎn)造成巨大的危害，為此工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道裝置的檢測和評估工作受到該領(lǐng)域工作人員的重點關(guān)注。國內(nèi)的管道系統(tǒng)，其綜合質(zhì)量由于技術(shù)及歷史等方面的原因相對堪憂，存在各種不同種類的問題。并且管道裝置系統(tǒng)所需要承受的各類載荷也相對比較復(fù)雜，除了要承受內(nèi)部的壓強(qiáng)之外，還需要承受自身重量、附件造成的附加彎矩及環(huán)境因素帶來不確定荷載等等，因此工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道系統(tǒng)出現(xiàn)失效的案例出現(xiàn)的頻率比較高，其無損檢測以及運(yùn)行安全方面的評估工作面臨了非常嚴(yán)峻的考驗。

一、工業(yè)領(lǐng)域中管道設(shè)施中存在的重要問題

工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道，其主體部分多數(shù)情況下是采取現(xiàn)場焊接的工藝方法進(jìn)行組裝的，因為焊接工藝執(zhí)行的過程控制不夠嚴(yán)謹(jǐn)或者現(xiàn)場工作的過程中操作不得當(dāng)，很有可能造成管道設(shè)施在焊接中生成不同類型的缺陷和瑕疵。焊接操作的缺陷指的是焊接接頭的位置出現(xiàn)的各類問題和缺陷，通常情況下包含夾渣、氣孔、未能焊透、未能熔合、凹坑、裂紋以及出現(xiàn)焊瘤等等。上述問題和缺陷不但降低了管道裝置的承載能力，并且造成工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道在使用的進(jìn)程中因為載荷以及介質(zhì)等原因產(chǎn)生出更為嚴(yán)重的裂紋型缺陷，這樣的情況對于管道裝置的運(yùn)行過程的安全性帶來了巨大的潛在風(fēng)險。比如相對老舊的液氨制冷裝置的管道因為焊接過程中沒有設(shè)置坡口，造成焊縫位置出現(xiàn)了未能焊透的問題和缺陷，此時在彎曲類型的應(yīng)力和疲勞類型的應(yīng)力的影響之下，容易出現(xiàn)管道裝置的焊縫處發(fā)生泄漏甚至斷裂的情況。因此，定期的檢驗工作中，怎樣精確地檢測出工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道裝置中存在的缺陷并合理評估，及時處理相應(yīng)的缺陷，長久以來一直是困擾工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道的相關(guān)管理部門及產(chǎn)權(quán)單位面臨的難題。本文通過對于工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道的無損檢測以及安全生產(chǎn)評估工作的現(xiàn)狀進(jìn)行詳盡的論述，在此基礎(chǔ)上，提出了工業(yè)領(lǐng)域管道無損檢測以及安全評估工作后期的發(fā)展方向。工業(yè)管道如圖1 所示：

圖1 工業(yè)管道

二、工業(yè)領(lǐng)域中管道設(shè)施檢測工作現(xiàn)狀

工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道的常規(guī)無損檢測的方法主要有滲透檢測法、磁粉檢測法、射線檢測法和超聲波檢測法等等。磁粉檢測法以及滲透檢測法一般用在管道部位表面相關(guān)缺陷的檢測工作中。如果管道裝置的材質(zhì)屬于鐵磁性材料，其表面缺陷的檢測工作，適合使用磁粉檢測法，這是因為其對于鐵磁性材料具有相對比較高的靈敏度，《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》（TSGD7005—2016）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了此類情況下優(yōu)先使用磁粉檢測的方法；滲透檢測法主要用于針對結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的表面開口位置處缺陷和問題檢測場合。某彎曲類型的管道焊縫處的缺陷檢測過程中應(yīng)用了滲透檢測法，某天然氣場站的內(nèi)部管道焊縫以及三通部位焊縫處檢測的過程中也采用了磁粉檢測法，上述2 個案例中均檢測到焊縫部位存在程度不同的表面裂紋，對裂紋部位實施滲透檢測法以后沒有發(fā)現(xiàn)開口類型的問題和缺陷。

射線檢測法相關(guān)的技術(shù)指的是采用射線具有的穿透性來發(fā)現(xiàn)管道裝置的相關(guān)缺陷，一般包含有射線照相方法以及X 射線的檢測方法。針對某化工廠的電站鍋爐系統(tǒng)中實際工作的管道裝置進(jìn)行了射線檢測法，并且針對管道焊接部位的接頭進(jìn)行了射線法以及磁粉方法的檢測工作，通過檢測沒有找到超標(biāo)的問題和缺陷。針對某天然氣管道系統(tǒng)工程中的5855 處管道焊接接頭部位進(jìn)行射線法檢測操作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)中未熔合的缺陷所占的比例為0.36%左右。射線檢測法的特點是對于面積類型的缺陷，檢出的比例較低，試驗過程的外部條件要求比較苛刻，而且相關(guān)的射線自身對于工作人員具有一定的傷害等等缺陷。所以超聲波無損檢測法依舊是工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道焊縫質(zhì)量檢測過程的主要手段。

超聲波檢測法是應(yīng)用超聲波在被檢裝置的內(nèi)部傳播時出現(xiàn)的變化來判斷缺陷的一種檢測方法。伴隨著超聲波檢測相關(guān)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，多數(shù)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對于管道部位缺陷的檢測以及分析的操作。例如德國出品的730 型超聲檢測裝置、美國通用電氣公司開發(fā)的壓電類型腐蝕超聲波檢測儀器已經(jīng)實現(xiàn)了管道裝置部位的焊接缺陷、裂紋缺陷及內(nèi)部腐蝕問題缺陷的無損檢測功能。

伴隨著國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步，很多專家和學(xué)者針對管道裝置焊接方面的缺陷的超聲波檢測也進(jìn)行了相關(guān)的研究。采用超聲波反射的方法，盛沙人等提出了一類創(chuàng)新的管道裝置系統(tǒng)3D 立體成像的方法，借助捕捉回波中攜帶的相關(guān)信息及空間位置信息就能夠檢測出管道內(nèi)部缺陷位置的大小、形狀及空間位置處的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息；王向宇等人借助缺陷模型的創(chuàng)建，通過數(shù)值模擬仿真的方法研究超聲波的傳播特征，實現(xiàn)了針對工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道焊縫缺陷識別及定位的目的；侯懷書等人應(yīng)用傅里葉函數(shù)變換的方法通過超聲波檢測，捕捉到的缺陷部位信號實施相應(yīng)操作，達(dá)成了管道裝置系統(tǒng)對接焊縫的4 類主要缺陷的類型的準(zhǔn)確識別。

與常規(guī)的超聲波檢測方法相比較，超聲波相控矩陣法是一類具有關(guān)闊發(fā)展前景的新技術(shù)。超聲相控矩陣相關(guān)技術(shù)在信號信息顯示領(lǐng)域中可以通過不同的維度以及方法來成像和顯示，這和常規(guī)的超聲技術(shù)的單一類型的波形顯示相比，顯示模式持續(xù)進(jìn)步，能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷相對焊縫區(qū)域位置及尺寸大小等等二維形貌的觀測，如圖2 所示。

圖2 焊接缺陷形貌圖

三、工業(yè)領(lǐng)域中管道設(shè)施安全評估工作現(xiàn)狀

除去工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道裝置系統(tǒng)的缺陷檢測外，能夠探查到含有缺陷管道的承壓性能的適應(yīng)性評估工作也非常重要。其與無損檢測相關(guān)技術(shù)相互匹配，自從上世紀(jì)80 年代初開始，國內(nèi)以及國際上的相關(guān)學(xué)者陸續(xù)進(jìn)行了大量針對含有缺陷的壓力管道運(yùn)行安全的評估技術(shù)領(lǐng)域的研究和探索，如針對荷蘭某地區(qū)相關(guān)工業(yè)管道設(shè)施實施了安全領(lǐng)域的評估，美國某行業(yè)協(xié)會針對相關(guān)壓力容器工作的可靠性和潛在隱患實施了研究和評估，美國某協(xié)會提出了退化管道研究計劃，日本某研究所也提出了工業(yè)管道可靠性研究的相關(guān)計劃，德國某大學(xué)材料研究所提出了國家壓力管道研究開發(fā)計劃，國內(nèi)也建立了九五工程重點技術(shù)攻關(guān)項目：服役缺陷工業(yè)壓力管道安全評估的技術(shù)研究。并且在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上設(shè)立了一整套包含缺陷管道裝置系統(tǒng)安全評估的標(biāo)準(zhǔn)，其中收錄和包含了美國“奧氏體鋼管道缺陷評估規(guī)程和驗收標(biāo)準(zhǔn)”、“鐵素體鋼管道缺陷評估規(guī)程和驗收標(biāo)準(zhǔn)”以及《腐蝕管道強(qiáng)度測定》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，英國《含缺陷管道結(jié)構(gòu)完整性評估》的相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。

上述的國內(nèi)、國際上執(zhí)行的工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道適用性和安全性的評估體系基本上是根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范指出了適當(dāng)?shù)脑u定辦法，在一定程度上具有局限性。因為工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道評估標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的內(nèi)容可能涉及到工程材料、理論力學(xué)、材料力學(xué)、失效分析等多學(xué)科多方面相對綜合的理論和技術(shù)，并且對于從事檢驗工作的相關(guān)人員的實踐經(jīng)驗與水平的依賴程度比較高，評估的過程相對復(fù)雜，普通的工程技術(shù)人員很難熟練掌握其技能，為此研究無損檢測和評估一體化技術(shù)的分析方法的實踐意義非常重大。

四、工業(yè)領(lǐng)域中管道設(shè)施無損檢測和安全評估工作的發(fā)展趨勢

超聲波相控矩陣檢測技術(shù)是一項具有廣闊發(fā)展前景的先進(jìn)無損檢測類技術(shù)，其在工業(yè)領(lǐng)域中使用的管道焊縫缺陷的檢測工作中已經(jīng)獲得了普遍的實際應(yīng)用。常規(guī)的相控矩陣成像相關(guān)技術(shù)指的是對于探頭裝置的角度、動作延遲等等參數(shù)數(shù)值實施相應(yīng)的設(shè)置以后，借助采集管道對接位置處焊縫的多通道的高頻信號數(shù)據(jù)來捕捉相應(yīng)的檢測信息，并通過相關(guān)信息數(shù)據(jù)來生成單通道B 型掃描圖像以及多通道疊加生成S 型掃描圖像，不過此類二維的圖像普遍的特點就是對于焊接的缺陷反映直觀性較差、缺陷評估工作的干擾信號相對比較多。伴隨著檢測工作的標(biāo)準(zhǔn)的逐步提升，實現(xiàn)3D 立體成像是相控矩陣超聲波檢測工作的新需求。把超聲波相控矩陣技術(shù)和3D 成像技術(shù)實施有效的結(jié)合，進(jìn)行針對管道焊接部位的超聲波相控矩陣3D立體成像檢測工作的研究能夠保證相關(guān)檢測工作人員可以對立體模型實施全面的觀測，大幅度提升了檢測工作的執(zhí)行效率和準(zhǔn)確程度。

圖3 超聲波相控矩陣檢測焊縫缺陷數(shù)據(jù)圖譜

在安全評估領(lǐng)域，借助含有缺陷的3D 立體圖形數(shù)據(jù)，在相應(yīng)的有限元數(shù)值軟件中進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩伍_發(fā)，開發(fā)出相應(yīng)的參數(shù)化建模以及自動工作的應(yīng)力計算工具模塊，研究和預(yù)測相關(guān)缺陷對于工業(yè)領(lǐng)域壓力管道各項性能指標(biāo)的影響和制約，結(jié)合本領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及專業(yè)知識對于含有缺陷的工業(yè)管道實施相應(yīng)的安全性能評估工作，自動生成評估報告，為從事檢測工作的相關(guān)工程技術(shù)人員供應(yīng)智能化的操作方法，顯著提升我國在役的工業(yè)壓力管道裝置的安全水平及管理能力。

五、結(jié)語

無損檢測技術(shù)過渡為無損評估。對于管道的焊縫，超聲波相控矩陣和3D 可視化技術(shù)進(jìn)行合理融合，能夠進(jìn)行焊接缺陷的全面觀測，可提升檢測工作的執(zhí)行效率及準(zhǔn)確程度。經(jīng)過對缺陷模型進(jìn)行數(shù)字化、自動化應(yīng)力分析，把缺陷的無損檢測和評估結(jié)合，確保評估工作智能化，提升國內(nèi)工業(yè)壓力管道的無損檢測及管理能力。