含未焊透缺陷管道不停機(jī)檢驗(yàn)與合于使用評價

周海彥 竺哲明 趙星波 商瑜烽 陸水龍 郭 濤

（紹興市特種設(shè)備檢測院 紹興市特種設(shè)備智能檢測與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

導(dǎo)熱油管道是導(dǎo)熱油在鍋爐和工藝設(shè)備之間循環(huán)的載體， 一般有出油和回油兩個回路，采用循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)， 將熱量傳遞給工藝用熱設(shè)備，同時返回鍋爐繼續(xù)加熱，在較低的壓力下，可以獲得較高的溫度［1］，因此導(dǎo)熱油管道在印染、生物醫(yī)藥及化工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 導(dǎo)熱油管道一般選用20#鋼，參照GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》或GB 3087—2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》，外面一般有保溫層（主要材料為巖棉或玻璃棉） 和保護(hù)層 （一般為0.45 mm不銹鋼鋼板）。運(yùn)行中壓力不高，溫度一般在250～300 ℃，一旦發(fā)生泄漏，極易發(fā)生火災(zāi)危險，因?yàn)楸砻鏈囟容^高，有灼傷的風(fēng)險，有一定危險性［2］，所以開展導(dǎo)熱油管道定期檢驗(yàn)意義重大。

1 工業(yè)管道的檢測

TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》（簡稱工業(yè)管道定檢規(guī)） 中規(guī)定，定期檢驗(yàn)一般在管道停止運(yùn)行期間進(jìn)行。 由于導(dǎo)熱油管道長周期運(yùn)行，使用單位停機(jī)較為困難， 而且停止運(yùn)行后導(dǎo)熱油清空排放也相當(dāng)困難，如果不清空，考慮到導(dǎo)熱油介質(zhì)密度較大，常規(guī)射線檢測黑度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，無法對埋藏缺陷進(jìn)行有效判斷。 筆者基于X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)（Digital Radiography，DR）對在用導(dǎo)熱油管道進(jìn)行不停機(jī)檢驗(yàn)，可以避免使用單位因停機(jī)導(dǎo)致停產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失，而且使用單位也可以節(jié)省保溫層拆除、物料清空及保溫層再恢復(fù)等成本。

對于檢測過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷（如未焊透等），大量的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明， 此類管道已使用多年，在使用過程中并未出現(xiàn)過失效問題，說明工業(yè)管道定檢規(guī)的定級方法存在一定的保守性［3～5］，而且很多管道存在因工藝特點(diǎn)無法停機(jī)、檢修工期限制及返修困難等問題，使用單位無法及時對缺陷部位進(jìn)行返修。 一般可以采用合于使用評價的方法進(jìn)行安全評定，判斷管道在運(yùn)行工況下的安全性［6～10］，檢驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 工業(yè)管道全流程檢驗(yàn)示意圖

合于使用評價是在對缺陷或損傷進(jìn)行定量檢測的基礎(chǔ)上， 通過嚴(yán)格的理論分析與計算，確定缺陷或損傷是否危害設(shè)備的安全可靠性，并基于缺陷或損傷的動力學(xué)發(fā)展規(guī)律確定設(shè)備的安全服役壽命。 通過X射線數(shù)字檢測技術(shù)，解決在線檢驗(yàn)不停機(jī)的問題， 對于X射線數(shù)字檢測發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷開展合于使用評價工作，可以讓使用單位在滿足一定條件時不必立即進(jìn)行返修處理，減少使用單位因非正常停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失，滿足特殊行業(yè)長周期運(yùn)行的需求。

筆者以導(dǎo)熱油管道定期檢驗(yàn)為例， 利用X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)對工業(yè)管道進(jìn)行埋藏缺陷檢測，針對超標(biāo)缺陷，基于合于使用評價技術(shù)判斷能否繼續(xù)安全運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)管道不停機(jī)檢驗(yàn)全流程貫通。

2 不停機(jī)檢驗(yàn)和管道缺陷情況

2.1 射線數(shù)字成像技術(shù)

射線數(shù)字成像技術(shù)［11］是由X射線機(jī)產(chǎn)生X射線，將射線照射在被檢工件上，由平板探測器接收含有被檢工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的X射線影像，平板探測器將X射線能量轉(zhuǎn)換成電信號， 由數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，可以直接存儲、 顯示和記錄數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 數(shù)字射線成像系統(tǒng)組成框圖

X射線數(shù)字成像技術(shù)在繼承常規(guī)膠片照相優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 借助于計算機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，由數(shù)字探測器代替膠片，利用計算機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)代替洗片過程，顯示器代替觀片燈作為圖像顯示和缺陷評定的載體，大幅提高了檢測效率，對氨制冷管道、高溫管道有較好的缺陷檢出效果［12，13］。

文中導(dǎo)熱油定期檢驗(yàn)使用的是以色列維迪斯科 （VIDISCO）V-RX型號的數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)，成像面積222 mm×222 mm，圖像板尺寸60 mm×330 mm×13 mm，動態(tài)范圍14 bit（16 384灰度等級），解析度3.5 lp/mm，像素間距143 μm，射線機(jī)電壓最高300 kV，可便攜、全電池、無線操作，基本能滿足現(xiàn)場檢測需要。

2.2 缺陷檢測情況

導(dǎo)熱油管道參數(shù)如下：

管道級別 GC2

設(shè)計壓力 0.5 MPa

設(shè)計溫度 290 ℃

材料 20#鋼

介質(zhì) 導(dǎo)熱油

管徑壁厚 φ76 mm×4.0mm

定期檢驗(yàn)中無損檢測參照NB/T 47013.11—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》，但是帶介質(zhì)、帶保溫層的管道的數(shù)字成像檢測無相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，筆者參考由北京市特種設(shè)備檢測中心牽頭制定的北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1699—2019《在用氨制冷壓力管道X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)要求》， 含液態(tài)介質(zhì)管道線型像質(zhì)計宜放置在探測器側(cè)的工件上，管道帶保溫層時，應(yīng)放置于靠近探測器的保溫層外側(cè)，電壓225 kV，電流0.5 mA，數(shù)字射線檢測圖像如圖3所示，利用DR軟件均衡化（圖4）、極性處理（圖5）功能，觀察圖像更直觀，避免人為的缺陷誤判、漏判。從圖5中可以明顯看出， 焊縫處缺陷為整圈未焊透， 借助NB/T 47013.2附錄L未焊透深度測量對比試塊，測到未焊透缺陷深度1.5 mm。 根據(jù)工業(yè)管道定檢規(guī)，管道安全狀況綜合評定為4級，應(yīng)當(dāng)對缺陷進(jìn)行處理， 缺陷處理的方式包括采用修理的方法消除缺陷或者進(jìn)行合于使用評價。 由于特種設(shè)備使用單位生產(chǎn)等原因， 無法在短時間內(nèi)進(jìn)行停機(jī)修理，因此開展未焊透缺陷的合于使用評價。

圖3 導(dǎo)熱油管道數(shù)字射線檢測圖像

圖4 數(shù)字圖像均衡化處理效果圖

圖5 數(shù)字圖像極性處理效果圖

3 合于使用評價

3.1 合于使用評價方法選擇

管道材料為20#鋼， 在設(shè)計和運(yùn)行工況下有良好的延展性，且無脆化傾向。 經(jīng)電磁高溫測厚儀測定，管道壁厚為4.0～4.1 mm，幾乎未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，選取計算壁厚T=4.0 mm。缺陷深度C即未焊透深度，取C=1.5 mm，故體積缺陷的深度C小于計算壁厚T的70%，且缺陷底部最小壁厚（T-C）不小于2 mm。 綜上所述，管道滿足GB/T 19624—2019中附錄I的評定適用范圍，可以按該方法進(jìn)行評定。

3.2 合于使用評價流程

通過對管道設(shè)計、安裝、竣工資料的收集和參考，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的勘察和測繪情況，利用CAESARⅡ軟件對管道評估處附近管系進(jìn)行建模。 本管道起自車間外部導(dǎo)熱油主管道，并通過支管連接各個設(shè)備，因遠(yuǎn)離評估處的管道對評估點(diǎn)的影響較小，故作簡化處理，如圖6所示。 此管道投入使用時間長，期間已經(jīng)過多次改造，因此需對管系整體進(jìn)行應(yīng)力分析，在確認(rèn)管道整體的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，再對缺陷截面處的應(yīng)力進(jìn)行提取， 最后進(jìn)行合于使用評價。合于使用評價的步驟如圖7所示。

圖6 導(dǎo)熱油管道幾何建模

圖7 管道合于使用評價流程圖

3.3 管道應(yīng)力分析

建模完成后，進(jìn)行管系的應(yīng)力分析，計算一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，并得到管道特定部位的約束反力和彎矩。 將管系支吊架約束和現(xiàn)場閥門約束施加在管系模型上，對支吊架和閥門等約束進(jìn)行現(xiàn)場查勘，核對其型號、類型和重量，力爭在管系模型中施加的各類約束與現(xiàn)場實(shí)際條件一致，從而保證計算結(jié)果與實(shí)際真實(shí)情況無限接近。

利用CAESAR Ⅱ軟件推薦的工況進(jìn)行計算。計算工況主要有3種：OPE（運(yùn)行）工況，即管道正常運(yùn)行時的工況， 包括了管道的自重、 溫度、壓力、保溫層的重量等，并能提取管道各個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、彎矩值；SUS（安裝）工況，包括管道的自重、壓力、保溫層的重量等，用于校核一次應(yīng)力是否達(dá)標(biāo)；EXP（純熱脹）工況，用來進(jìn)行二次應(yīng)力校核。 得到的結(jié)果為：一次應(yīng)力89.6 MPa，一次應(yīng)力許用應(yīng)力108 MPa，二次應(yīng)力60.6 MPa，二次應(yīng)力許用應(yīng)力255.6 MPa。 由此可知，管道一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均滿足要求，應(yīng)力校核結(jié)果合格。

3.4 管道缺陷合于使用評價

3.4.1 缺陷的規(guī)則化及無量綱化

圖8 未焊透缺陷表征示意圖

3.4.2 確定材料性能

3.4.3 含缺陷管道在純內(nèi)壓和純彎矩下的塑性極限載荷

按照GB/T 19624—2019附錄I的方法先計算得到無缺陷彎頭在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓pLB和無缺陷彎頭在純彎矩下的塑性極限彎矩MLB；再通過pLB和MLB計算得到含缺陷彎頭在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓pLBP和含缺陷彎頭在純彎矩下的塑性極限彎矩MLBP（即pLBP=23.28 MPa，MLBP=1658807 N·mm）。

3.4.4 缺陷處彎矩的確定

管道安全性分析的內(nèi)壓可取最大工作內(nèi)壓p=0.4 MPa， 采用CAESAR Ⅱ軟件對管道運(yùn)行狀態(tài)的彎矩進(jìn)行應(yīng)力計算，得到在各個缺陷節(jié)點(diǎn)的彎矩，選取各個缺陷節(jié)點(diǎn)中OPE運(yùn)行工況（即實(shí)際運(yùn)行工況） 下最大彎矩M應(yīng)用于此次合于使用評價，本次評價得到的最大彎矩M=718000 N·mm。

3.4.5 安全性評價

4 結(jié)論

4.1 借助數(shù)字射線檢測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)管道在帶介質(zhì)、帶保溫層工況下的不停機(jī)檢驗(yàn)，可以有效檢出未焊透等缺陷。 數(shù)字射線檢測技術(shù)在帶介質(zhì)、 帶保溫層下的檢測尚無相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，建議進(jìn)一步研究完善。

4.2 對于評定為4級的超標(biāo)缺陷，可以按照GB/T 19624—2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合于使用評價，滿足“合于使用”要求后，將其定級放寬，滿足在正常工況下下繼續(xù)運(yùn)行到下一個檢驗(yàn)周期的要求。

4.3 以導(dǎo)熱油管道利用數(shù)字射線檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)檢驗(yàn)，部分缺陷經(jīng)合于使用評價可以繼續(xù)運(yùn)行， 從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)管道不停機(jī)檢驗(yàn)全流程貫通，對其他介質(zhì)工業(yè)管道同樣適用，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。