基于Lyft 脈沖渦流檢測系統(tǒng)的帶隔熱層在用球罐金屬損失檢測技術

蔡剛毅 陳浩禹 鄭宏偉 杜志遙 郭 穎

（1.浙江省特種設備科學研究院 浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室；2.湖北特種設備檢驗檢測研究院黃石分院）

帶隔熱層壓力容器廣泛應用于石油化工行業(yè)［1］，隔熱層通常由保溫層和防雨罩組成。保溫層一般為非導電材料，主要作用是盡量減少設備內部介質的熱量損失，通常由巖棉、聚氨酯及硅酸鋁等組成。保溫層外通常包有一層厚0.3～1.0 mm的防雨罩，常見的防雨罩材料主要有白鐵皮、不銹鋼和鋁皮3種形式。 金屬壁厚減薄是引起帶隔熱層鐵磁性設備失效破壞最主要的原因之一，在設備內部介質均勻腐蝕和隔熱層下金屬外壁局部腐蝕的雙重作用下，部分設備在運行中會因腐蝕過量發(fā)生失效，而大部分設備則在停機檢修時才能發(fā)現(xiàn)容器金屬損失率超過預期。 現(xiàn)有比較成熟的檢驗檢測技術一般要求停機拆除保溫層才能對壓力容器金屬損失情況進行全面檢測［2］，然而臨時停機往往會影響企業(yè)的正常生產，同時部分隔熱層的大面拆除也會給企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟損失。

目前，脈沖渦流檢測技術［3］已逐步在帶隔熱層壓力管道的檢測中開展應用，取得了較好的效果。 壓力容器一般本身壁厚和隔熱層厚度均較壓力管道更大，特別是球罐、反應器等，金屬壁厚一般在30 mm以上， 隔熱層厚度一般在100 mm以上，脈沖渦流因受穿透能力限制，檢測效果有所下降。 因此，研究厚壁、厚隔熱層壓力容器脈沖渦流檢測技術具有一定的科研和實際意義。

1 脈沖渦流檢測

1.1 脈沖渦流技術特點

脈沖渦流檢測技術的主要優(yōu)點是：可直接接觸表面，無需表面準備與處理即可檢測［4］；對近表面與遠表面缺陷靈敏；可以通過隔熱層、涂層、油漆、 混凝土防護層及滋生海生物等進行檢測；可以透過鋁、不銹鋼、鍍鋅白鐵皮防雨罩進行檢測；可以檢測具有鋼絲網(wǎng)或鋼筋的結構，不受水或冰等物質影響；無需拆除昂貴的隔熱層即可對設備進行檢測；檢測期間沒有輻射等安全隱患。

脈沖渦流檢測技術也有一定的劣勢， 主要是：檢測期間受金屬結構的邊緣影響較大；檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷無法分辨是近側缺陷還是遠側缺陷；無法檢測較小的點蝕缺陷；無法精確測量小于探頭覆蓋平均區(qū)域的缺陷尺寸； 難以在直徑小于200 mm的管道彎頭上使用；難以應用在磁場變化快的材料上。

1.2 脈沖渦流技術簡介

脈沖渦流技術是分析經(jīng)快速磁場變化后組件內部渦流場變化情況的技術， 一般分為3個階段［5］。第一階段是釋放階段，探頭釋放可以穿透元件厚度的磁場，磁化內部待檢測組件，組件內部最終達到飽和狀態(tài)，形成穩(wěn)定的磁場；第二階段是終止階段，當磁場發(fā)射突然終止時，基于電磁感應原理，組件中會感應出強大的渦流信號；第三階段是接收階段， 探頭內筒的磁性傳感器檢測攻堅內部渦流信號的衰減情況， 由此達到檢測壁厚變化的目的。 3個階段即為一個循環(huán)，如圖1所示，一個循環(huán)的總長度取決于材料的時間常數(shù)， 因此待檢設備壁厚越大、磁導率越高、電導率越高，材料磁場到達穩(wěn)定的時間越長，磁場衰減越慢。

圖1 脈沖渦流檢測循環(huán)示意圖

1.3 Lyft脈沖渦流檢測系統(tǒng)

Lyft脈沖渦流檢測系統(tǒng)是一種脈沖渦流檢測設備，該設備可以對厚壁或具有絕緣材料的工件表面的腐蝕情況進行動態(tài)掃描，并使用先進的尺寸算法和智能過濾技術顯著提高數(shù)據(jù)采集質量，通過對脈沖渦流信號進行高速率采集和分析，得到高分辨率的圖像， 有利于缺陷尺寸的精準定量。

Lyft脈沖渦流檢測系統(tǒng)與常規(guī)渦流檢測應用的Log-Log比例曲線（圖2）的區(qū)別在于：設備掃描前端位置受材料表面的渦流信號控制［6］，Log-Log比例曲線中顯示直線形式，Log-Lin比例曲線快速下降；設備掃描的后期渦流信號在材料體積中的衰減起主導作用，Log-Log比例曲線中快速下降，Log-Lin比例曲線顯示直線形式。 因此，在Log-Lin比例曲線中，組件壁厚越薄，曲線衰減越陡峭，因為這種曲線分析方法分析的是信號的斜率，所以對提離變化不敏感， 提離信號會改變信號的幅值，但不會改變曲線的斜率，對帶隔熱層設備的檢測結果也會更穩(wěn)定［7］。

圖2 Log-Log與Log-Lin比例曲線對比

2 球罐在線檢測實施

2.1 設備情況

本次檢驗的對象為某氣站裝置中的490 m3液態(tài)二氧化碳球罐V-102。 該球罐主體結構為單層焊制，詳細設計操作參數(shù)如下：

設計壓力 2.3 MPa

操作壓力 不大于2.2 MPa

設計溫度 -30/-14 ℃

操作溫度 -30/-14 ℃

主體材料 16MnDR

介質 液態(tài)二氧化碳

公稱厚度 40 mm

腐蝕裕量 1.0 mm

保溫材料 聚氨酯泡沫

保溫材料厚度 120 mm

球罐直徑 9 900 mm

設備總高 12 310 mm

該球罐自投用后未進行開罐檢測和相應的設備檢測，由于球罐長周期運行，企業(yè)管理人員對球罐本體的運行情況并不了解，同時，球罐使用位置毗鄰造船廠和大型冷庫，這兩種企業(yè)均屬于勞動密集型企業(yè)， 運行期間周圍人數(shù)較多，一旦發(fā)生事故，會造成較大影響。 因此，設備管理人員委托檢驗人員對設備本體進行相應安全性能檢測。 該球罐內部介質為液態(tài)二氧化碳，有別于一般儲存類球罐， 內部介質充裝和釋放比較頻繁，罐體內部介質波動較頻繁。 考慮到金屬在潮濕的二氧化碳環(huán)境中可能會產生腐蝕減薄現(xiàn)象。本次檢測主要針對金屬壁厚進行測定，重點檢查液位波動處的金屬壁厚。

球罐保溫層采用聚氨酯泡沫， 造價較高，全部或大面積拆除后檢測金屬壁厚是不現(xiàn)實的。 針對特殊工況和實際情況，本次主要采用脈沖渦流的方法對球罐帶隔熱層金屬壁厚進行測定，根據(jù)測定的結果分析金屬壁厚損失。

2.2 檢測前準備

通過前期的資料審查與現(xiàn)場勘察，制定了針對性檢驗研究方案，具體如下：

a. 宏觀檢查。對球罐的結構、變形、腐蝕及基礎等情況進行全面勘察和實地了解。

b. 確定檢測部位。 根據(jù)制造與安裝資料，找出制造成型時和運行期間可能造成壁厚減薄的部位；現(xiàn)場宏觀檢查找出使用中易產生變形和磨損的部位，綜合考慮球罐充裝記錄中液位波動位置，根據(jù)分析，選擇上、下極板（物料進出口）及筒體上環(huán)靠銘牌柱側作為主要檢測部位。

c. 選擇檢測探頭。 由于設備壁厚和隔熱層厚度均較大，探頭所需能量隨之增加，因此選擇型號為PEC-152-G2的大型探頭。 脈沖渦流在檢測時探頭存在振動現(xiàn)象，而鍍鋅鐵皮（設備保護層材料）的存在更加擴大了探頭的振動效應，使脈沖渦流激勵機理紊亂， 無法得到有效的計算結果。因此，創(chuàng)造性提出襯墊減振法，在探頭與鍍鋅鐵皮之間裝設襯墊，以減輕探頭振動效應，襯墊厚度的選擇也是經(jīng)驗性的選擇，選擇太厚則影響能量傳播， 會造成檢測結果取得困難或偏差較大；選擇太薄，則不能消除探頭振動效應。 表1為通過多次現(xiàn)場試驗得出的經(jīng)驗性總結結果。

表1 脈沖渦流球罐掃查襯墊選擇經(jīng)驗表

2.3 檢測實施

標記檢測位置。 對檢驗方案確定的3處部位（上、下極板，球罐上環(huán)縫）的檢測點進行逐一位置標記，如圖3所示，上極板掃描檢測25個位置，下極板掃描檢測100個位置， 球罐上環(huán)縫部位掃描檢測44個位置。

圖3 上、下極板和球罐上環(huán)縫檢測部位標記圖

現(xiàn)場實施檢測。 確定球罐可能壁厚變化較小、隔熱層較平整區(qū)域為探頭標定對象，一般情況下標定點應遵循的原則是：優(yōu)先使用壁厚最厚的位置或者保溫層最薄的位置做校準；避免存在缺陷；遠離特殊結構，避免邊緣影響；避免防雨罩重疊或者綁帶的區(qū)域；遠離振動源。 標定完成后系統(tǒng)在該標定區(qū)測定的壁厚將被作為工件的標準壁厚，隨機按順序對3個部位進行檢測。

檢測注意事項。 現(xiàn)場勘察后方可進行脈沖渦流檢測； 被檢工件表面無大面積疏松的銹蝕層、焊疤及其他金屬連接結構等；被檢工件材質電磁特性應基本一致、 相鄰部位的溫差不宜過大、無較大振動、探頭背側兩倍提離距離范圍內（不小于200 mm）應無其他金屬物體；覆蓋層應連續(xù)、厚度均勻、沒有污染，當由于覆蓋層的原因無法檢測時，應去除部分或全部覆蓋層；檢測人員對缺陷信號有懷疑時，應進行復探。

2.4 檢測結果

進行數(shù)據(jù)分析時，脈沖渦流檢測實際的信號信息=平均標稱壁厚信息+缺陷信息。

根據(jù)圖4的檢測結果分析， 脈沖渦流檢測結果最小值為39.8 mm，金屬保有率為99.5%，檢測位置為赤道位置的A-2點，除了赤道位置的A-2點和B-11點較公稱壁厚略小外，其他位置的檢測點金屬保有率均在100%以上，該球罐檢測位置金屬未發(fā)現(xiàn)損失情況。

圖4 脈沖渦流檢測結果

3 檢測技術分析

3.1 停機開罐內表面壁厚檢測

在球罐法定檢驗到期后開罐進行全面檢驗期間，采用經(jīng)校驗合格的超聲波測厚儀，在球罐內表面進行超聲波全面測厚［8］，測厚部位分布如圖5所示。

圖5 球罐內表面超聲波測厚檢測部位

檢測儀器型號為TIME2110，儀器精度±（T%+0.1） mm， 檢測表面狀況為砂輪打磨， 實測點數(shù)152點，檢測最小壁厚為39.6 mm，位于45#檢測點上環(huán)縫與C4縱縫交叉點附近。

3.2 在線檢測與停機開罐檢測綜合對比

對脈沖渦流檢測結果與球罐內部超聲波測厚結果進行分析。 采用脈沖渦流檢測方式在隔熱層外測得的壁厚數(shù)據(jù)為最小39.8 mm，最大41.9 mm；采用超聲波測厚儀在球殼板上直接測厚得到的數(shù)據(jù)為最小39.6 mm，最大42.0 mm。 對比兩種情況下檢測得到的數(shù)據(jù)和相關部位，檢測結果和壁厚變化趨勢基本吻合，誤差在±2.5%以內，誤差對球罐的強度要求和計算方面的影響可忽略不計，對設備的安全運行也完全可以忽略。 由此認為，基于Lyft系統(tǒng)的脈沖渦流檢測技術在厚壁、 厚隔熱層的金屬損失檢測應用方面是可靠、可行的。

4 結論

4.1 Lyft脈沖渦流檢測系統(tǒng)顯示，Log-Lin比例曲線對帶隔熱層設備的檢測結果更穩(wěn)定。

4.2 介紹了厚壁、厚隔熱層金屬損失檢測應用脈沖渦流檢測技術的步驟和過程，為減輕探頭振動效應，通過多次試驗總結出了球罐掃查襯墊選擇經(jīng)驗表，并對球罐金屬損失情況進行評價。

4.3 結合球罐全面檢驗周期，通過內表面超聲波測厚與脈沖渦流檢測數(shù)據(jù)進行比對，檢測結果基本一致，Lyft系統(tǒng)脈沖渦流檢測技術可應用在球罐金屬損失檢測上。