在用壓力管道裂紋檢驗(yàn)中無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分析

強(qiáng)敏娜，張 良，王永樂(lè)，程 鵬

（1.陜西省石化壓力容器檢驗(yàn)站，陜西 西安 710003）

（2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)引信研究院有限公司，陜西 西安 710065）

1 壓力管道裂紋

壓力管道作為石油和天然氣等介質(zhì)儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)闹饕d體，在國(guó)家工業(yè)化發(fā)展過(guò)程中具有重要地位。壓力管道運(yùn)輸被認(rèn)為是繼公路、鐵路、航空、船舶之后出現(xiàn)的第五種大宗原料的重要運(yùn)輸方式。作為目前世界上管道建成里程最長(zhǎng)的國(guó)家，美國(guó)已經(jīng)將油氣管道建設(shè)視為一項(xiàng)重要的能源工程[1]。中國(guó)同樣將發(fā)展油氣管網(wǎng)當(dāng)作一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程，將其看作是鏈接油氣運(yùn)輸上下游的重要紐帶[2]，并大力發(fā)展一系列關(guān)乎民生的重大項(xiàng)目，例如：“西氣東輸”工程、中緬油氣管道、中俄天然氣項(xiàng)目等多條油氣管線。

壓力管道裂紋，是指壓力管道長(zhǎng)期處于復(fù)雜環(huán)境條件下，由于金屬應(yīng)力及經(jīng)年累月的化學(xué)腐蝕，而在其表面產(chǎn)生橫向、縱向的紋形裂痕。就裂痕產(chǎn)生的位置不同，可以將管道裂痕劃分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕；就管道裂痕產(chǎn)生的原因而言，管道裂痕又可以分為化學(xué)腐蝕、電偶腐蝕和生物腐蝕[3]，這其中以化學(xué)腐蝕最為常見(jiàn)。

壓力管道裂紋的危害，通常會(huì)改變管道金屬的力學(xué)性質(zhì)，具體包括強(qiáng)度、韌性、可塑性及穩(wěn)定性等。根據(jù)《石油天然氣管道安全監(jiān)督和管理暫行規(guī)定》，管道在運(yùn)行狀態(tài)下需要每個(gè)月至少檢測(cè)一次，而在停產(chǎn)檢修狀態(tài)下需要按照規(guī)定的檢測(cè)周期進(jìn)行全面的檢測(cè)方可再次投入使用[4]。如果管道裂紋不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并得到有效處理，裂紋很有可能在油氣管道內(nèi)部壓力作用下繼續(xù)擴(kuò)大，嚴(yán)重的會(huì)造成管道斷裂，甚至發(fā)生爆炸。因此，要開展對(duì)壓力管道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究，保證金屬壓力管道的安全高效運(yùn)行。

2 壓力管道的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

無(wú)損檢測(cè)，簡(jiǎn)稱NDT，是指在不影響檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部組織、不破壞檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，采用物理或化學(xué)的手段來(lái)探測(cè)待檢測(cè)材料的生、光、電、磁等信號(hào)的變化，并根據(jù)所收集到的信號(hào)對(duì)檢測(cè)材料是否存在缺陷，以及缺陷的大小、種類、數(shù)量、位置及分布情況做出定性和定量判斷的綜合分析測(cè)試手段。無(wú)損檢驗(yàn)的本質(zhì)是振動(dòng)的波再金屬介質(zhì)和非金屬介質(zhì)表面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)出現(xiàn)不同的特征，在金屬表面主要發(fā)生博得傳遞和穿透性，而在非金屬表面會(huì)發(fā)生折射和波的吸收現(xiàn)象，這也是無(wú)損檢測(cè)區(qū)別與其他表面裂紋檢測(cè)方法的最大不同。

無(wú)損檢測(cè)方法的特點(diǎn)：非破壞性。即無(wú)損檢測(cè)過(guò)程不會(huì)損害壓力管道；互容性。無(wú)論在相同的壓力管道采用不同檢測(cè)方法，或者相同的檢測(cè)手段分別測(cè)量同種管道的不同部分，都能得到管道裂紋的結(jié)論；動(dòng)態(tài)性。無(wú)損檢測(cè)可以檢測(cè)管道裂紋的結(jié)果，又能對(duì)管道尚未正式形成裂紋的薄弱環(huán)節(jié)做出持續(xù)性的預(yù)判；廣泛性。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)目前在石化、電力、冶金、船舶等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。

3 壓力管道裂紋的常見(jiàn)無(wú)損檢驗(yàn)方法

3.1 管道超聲波檢測(cè)方法

超聲波檢測(cè)的過(guò)程是利用超聲波換能器將交流電震蕩信號(hào)變成機(jī)械波振動(dòng)，引導(dǎo)超聲波在材料內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到缺陷時(shí)會(huì)形成波的反射，同時(shí)穿透能量會(huì)出現(xiàn)遞減，反射的波被信號(hào)處理器接后又能將機(jī)械波振動(dòng)轉(zhuǎn)化成交流電的震蕩信號(hào)，通過(guò)對(duì)比超聲波的波形變化判斷管件是否存在異常。通常，由脈沖波的波形是否均勻可以判斷管件對(duì)接接頭是否存在裂紋，通過(guò)異常反射的回波位置可以確定缺陷的位置，通過(guò)異常波動(dòng)的振幅大小可以判斷管件對(duì)接接頭內(nèi)缺口的當(dāng)量大小。

根據(jù)超聲波的來(lái)源不同，出現(xiàn)了兩種管道用超聲傳感器，即壓電超聲和電磁超聲。前者采用壓電晶體提供超聲波，后者采用電磁耦合的機(jī)理觸發(fā)超聲波，產(chǎn)生超聲波以后在材料內(nèi)部進(jìn)行波的反射、折射和衰減等變化[5]，從而判斷壓力管道對(duì)接接頭內(nèi)部是否存在裂紋。壓電超聲的傳感器的探頭，根據(jù)其形狀不同，可分為直形探頭、斜形探頭和梳狀探頭。它們之間的區(qū)別是，直形探頭由于能夠在一種激發(fā)頻率產(chǎn)生兩種以上的模態(tài)；斜探頭在單一頻率下產(chǎn)生一種波的模態(tài)，但是可以更容易控制由于波的反射、干涉及衍射形成的復(fù)雜導(dǎo)波的模態(tài)；梳狀探頭采用固定間隔排列，一般能控制導(dǎo)波的波長(zhǎng)、相速度和觸發(fā)頻率值相同，得到相對(duì)更加穩(wěn)定的軸對(duì)稱的波的模態(tài)。電磁超聲主要利用了電流的磁效應(yīng)和洛倫磁力原理，實(shí)現(xiàn)了電磁與力的可逆轉(zhuǎn)化，因此電磁傳感器也可以用來(lái)接收回波信號(hào)[6]。相較于壓電超聲技術(shù)，電磁超聲技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是，避免了壓電超聲檢測(cè)器上的耦合劑干擾聲波信號(hào)問(wèn)題。就應(yīng)用場(chǎng)景而言，壓電超聲探頭主要用在輸送流體介質(zhì)的管道；對(duì)于氣體介質(zhì)輸送，需要先考慮壓電介質(zhì)的探頭耦合劑是否會(huì)產(chǎn)生雜波干擾，然后再應(yīng)用于氣體管道檢測(cè)。這也是近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大力研究開發(fā)基于電磁超聲原理的壓力管道超聲波檢測(cè)方法。

總體而言，超聲檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是超聲穿透力強(qiáng)、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作安全等。當(dāng)前超聲檢測(cè)的不足也很明顯，超聲檢測(cè)信號(hào)易受干擾，存在檢測(cè)盲區(qū)，對(duì)于含有晶體材料的管件檢測(cè)效果不佳。

3.2 管道漏磁內(nèi)檢測(cè)方法

管道漏磁內(nèi)檢法的原理[7]，利用磁源將待測(cè)金屬管件磁化，達(dá)到均勻的磁飽和狀態(tài)，而管道存在缺陷處會(huì)發(fā)生磁泄露，此處的磁感線從空氣中溢出再折回，對(duì)原來(lái)的磁感線分布形成擾動(dòng)，將采集的磁信號(hào)經(jīng)過(guò)變換轉(zhuǎn)化，就能夠?qū)崿F(xiàn)管道無(wú)損檢測(cè)的一種方法。

管道漏磁技術(shù)包括漏磁檢測(cè)原理、漏磁檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)與優(yōu)化、漏磁信號(hào)處理和漏磁模型解析。漏磁檢測(cè)的理論依據(jù)是磁偶極子模型和數(shù)理分析方法。磁偶極子模型包含了點(diǎn)、線、面的偶極子，雖然與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較好，但是缺乏對(duì)磁荷分布的復(fù)雜性和鐵磁材料的非線性問(wèn)題的解析。黃筱名等建立基于典型的錐形、球形和矩形的凹凸形狀，建立缺陷漏磁檢驗(yàn)三維數(shù)學(xué)模型，揭示了凹凸缺陷與三維漏磁的磁分布之間的聯(lián)系。有限元分析模型是一種典型的針對(duì)復(fù)雜漏磁情況的數(shù)學(xué)分析方法。按照漏磁檢測(cè)的過(guò)程，可將有限元分析模型分為靜態(tài)型和動(dòng)態(tài)型兩種，其中靜態(tài)型用于一般的壓力管道測(cè)漏磁并求出磁場(chǎng)的解；動(dòng)態(tài)型引入了檢測(cè)速度，能夠提供壓力管道漏磁的瞬時(shí)分析。

就漏磁檢測(cè)設(shè)備而言，目前開放應(yīng)用比較成熟的有兩種。一種是GE PII 公司主導(dǎo)研制的三軸實(shí)時(shí)管道側(cè)漏檢測(cè)裝置，該裝置需要利用油氣管道的壓力驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，可檢測(cè)管道的管徑區(qū)間為76 mm～1 422 mm，探測(cè)的壁厚大于5%，行進(jìn)速度0 m/s～5 m/s，測(cè)繪精度達(dá)到-1.5 m～+1.5 m（3 km AGMs），最長(zhǎng)工作里程高達(dá)800 km，具有高精度、高速度、可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。另一種是Pipetel 公司研制的能在管道內(nèi)雙向移動(dòng)漏磁檢測(cè)裝置，由于采用獨(dú)立機(jī)器人牽引漏磁檢測(cè)設(shè)備，具備較好的靈活性。

管道漏磁檢測(cè)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效率高、不需要耦合劑等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)也很明顯：對(duì)管道裂紋的深度的量化診斷不準(zhǔn)確，只能適用于鐵磁性材料也存在一定的局限性。在實(shí)際操作過(guò)程中，通常存在管道漏磁檢測(cè)的精度降低，可能的原因包括：磁場(chǎng)化參數(shù)取值、磁渦流效應(yīng)等，這也對(duì)檢測(cè)人員的知識(shí)儲(chǔ)備和業(yè)務(wù)能力提出了更高的要求。

3.3 管道內(nèi)脈沖渦流檢測(cè)方法

管道內(nèi)脈沖渦流檢測(cè)法的原理，將渦流探頭緩慢接近待測(cè)材料，產(chǎn)生的感應(yīng)渦流與原渦流重疊，并以電信號(hào)的形式在顯示器上呈現(xiàn)渦流信號(hào)的強(qiáng)度變化，以此判斷材料表面的缺陷和對(duì)管道壁變薄程度的依據(jù)。與漏磁技術(shù)類似，管道渦流檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)也是利用麥克斯韋方程對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行解析，脈沖渦流檢測(cè)的模型主要是渦流解析模型和有限元分析模型。壓力管道渦流檢測(cè)方法則是圍繞磁電流在管道內(nèi)的電導(dǎo)率和滲透率的分布形式展開研究，同時(shí)將圖像處理技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)合研究的方法，也逐漸被重視起來(lái)。對(duì)于不同形式的電磁波，在渦流檢測(cè)中的應(yīng)用也不盡相同。采用諧波為發(fā)射源的渦流技術(shù)主要用作管道近表面的檢測(cè)，采用方波形式為發(fā)射源的渦流技術(shù)主要用于檢測(cè)壓力管件內(nèi)部。

常規(guī)脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)不能用于較厚的管道，因?yàn)闇u流的穿透能力有限，采用低頻率的脈沖遠(yuǎn)程渦流可以有效地解決上述問(wèn)題?？傮w而言，脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)存在近表面檢測(cè)靈敏度高、自動(dòng)化程度高、不采用耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是單獨(dú)依靠渦流檢測(cè)不能有效區(qū)分缺陷種類和形狀，對(duì)高壓管件的缺陷檢測(cè)效率有待提高。

4 結(jié)語(yǔ)

壓力管道在我國(guó)大宗物料輸送中占有重要地位，長(zhǎng)期與高溫、高壓、易腐蝕性介質(zhì)接觸，極易造成管道裂紋以及輸送介質(zhì)泄露。本文從介紹壓力管道裂紋的概念和其危害入手，詳細(xì)介紹了無(wú)損檢測(cè)的概念、原理和特點(diǎn)。詳細(xì)介紹了三種常見(jiàn)的壓力管道檢測(cè)技術(shù)，分別是管道超聲檢測(cè)法、管道漏磁內(nèi)檢測(cè)法和管道內(nèi)脈沖渦流檢測(cè)法，從檢測(cè)原理、檢測(cè)設(shè)備、場(chǎng)景應(yīng)用和技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的角度分別作了論述。因此，必須牢固樹立安全生產(chǎn)意識(shí)，科學(xué)制定壓力管道應(yīng)檢巡檢方案，采取無(wú)損檢測(cè)手段，落實(shí)壓力管道缺陷管理工作，為我國(guó)管道安全運(yùn)輸事業(yè)保駕護(hù)航。