場(chǎng)站立式分離器下封頭內(nèi)腐蝕高頻導(dǎo)波檢測(cè)

楊茂森，梅 陽(yáng)，楊 挺，干 兵，王平杰

（1.四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，四川 成都 610061；2.西藏自治區(qū)特種設(shè)備檢測(cè)所，西藏 拉薩 850000）

四川省內(nèi)天然氣資源豐富，建設(shè)有大量的天然氣開采場(chǎng)站，采集的天然氣經(jīng)過(guò)立式分離器脫水等工藝處理后匯入集輸管網(wǎng)。天然氣介質(zhì)組分復(fù)雜，除大量的天然氣外還含有硫化氫、二氧化碳、氯離子以及水等物質(zhì)[1]。這些介質(zhì)共同作用，容易對(duì)場(chǎng)站分離器等設(shè)備造成以電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕等為主要機(jī)理的腐蝕破壞[2]，且以內(nèi)表面局部腐蝕最為突出，危害性也最大。典型的場(chǎng)站立式分離器裙座與下封頭結(jié)構(gòu)見圖1。這類設(shè)備多采用裙式支座，裙座上僅設(shè)置較小的檢查孔，下部封頭完全被裙座結(jié)構(gòu)包圍、覆蓋。且筒體內(nèi)徑較小，一般不設(shè)置人孔[3-4]。在進(jìn)行壓力容器定期檢驗(yàn)時(shí)，檢驗(yàn)人員不能進(jìn)入分離器內(nèi)部采用直觀的宏觀檢驗(yàn)來(lái)判斷設(shè)備內(nèi)部腐蝕情況，對(duì)受結(jié)構(gòu)限制的下部封頭，也無(wú)法采用諸如超聲測(cè)厚、相控陣C掃描等壁厚檢測(cè)方法進(jìn)行外壁直接耦合接觸檢測(cè)。因此，立式分離器下部封頭長(zhǎng)期處于未檢測(cè)狀態(tài)，安全風(fēng)險(xiǎn)極大[5]。

圖1 立式分離器裙座與下封頭結(jié)構(gòu)示圖

高頻導(dǎo)波，即蘭姆（Lamb）波，具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測(cè)范圍大的優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)一定距離外母材進(jìn)行非直接接觸檢測(cè)。其聲場(chǎng)遍布檢測(cè)工件的整個(gè)壁厚范圍，在工件各個(gè)部位都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，用于檢測(cè)容器的內(nèi)壁腐蝕效果良好[6]，目前被廣泛應(yīng)用于在役常壓儲(chǔ)罐底板的腐蝕檢測(cè)、壓力容器的內(nèi)壁腐蝕缺陷檢測(cè)等方面。

1 高頻導(dǎo)波技術(shù)原理及下封頭檢測(cè)有效性分析

1.1 高頻導(dǎo)波檢測(cè)原理

高頻導(dǎo)波是超聲波被局限在板狀邊界內(nèi)，聲波在板上、下界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射，由縱波、橫波耦合而成的一種特殊形式的應(yīng)力波[7]。當(dāng)導(dǎo)波在板中傳播遇到缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生反射、散射，波形會(huì)產(chǎn)生頻散并有一定程度的衰減[8-9]。通過(guò)對(duì)回波信號(hào)分析，排除異型結(jié)構(gòu)引起的信號(hào)外，如果始波信號(hào)之后有新的反射波包出現(xiàn)，即可判斷檢測(cè)位置存在缺陷，根據(jù)反射信號(hào)的回波大小可以判斷缺陷的當(dāng)量大小，根據(jù)回波的傳輸時(shí)間可確定缺陷的位置[10]。

1.2 高頻導(dǎo)波頻散方程

根據(jù)聲波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特點(diǎn)，高頻導(dǎo)波可分為對(duì)稱型（S型）和反對(duì)稱型（A型），每種類型又可根據(jù)不同的相速度分為若干模態(tài)，如S0、S1、S2和A0、A1、A2等。高頻導(dǎo)波在傳播過(guò)程中，在不同的板厚、不同的激發(fā)頻率下會(huì)有不同的傳播模式，其相速度和群速度會(huì)隨著頻率和板厚的變化而改變，這就是高頻導(dǎo)波的頻散和多模態(tài)特性，它可由瑞利-蘭姆方程決定[11-12]。

對(duì)稱模態(tài)：

反對(duì)稱模態(tài)：

式（1）～式（4）中，h 為試件厚度，mm；k 為導(dǎo)波波矢，rad/m；ω 為圓頻率，rad/s；cl、ct分別為試件中縱波和橫波的波速，m/s。

高頻導(dǎo)波的相速度與群速度可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，cq、cp分別為高頻導(dǎo)波的群速度和相速度，m/s。

1.3 下封頭導(dǎo)波檢測(cè)有效性分析

受結(jié)構(gòu)影響，立式分離器的下封頭腐蝕導(dǎo)波檢測(cè)較為復(fù)雜。下封頭導(dǎo)波檢測(cè)示意見圖2。由于裙座結(jié)構(gòu)的限制，下封頭被完全封閉在裙座內(nèi)部，導(dǎo)波探頭無(wú)法直接耦合接觸下封頭外表面，只能置于靠近封頭的筒體母材上，通過(guò)波的傳導(dǎo)，導(dǎo)波經(jīng)過(guò)筒體、筒體與封頭連接焊縫、裙座與封頭搭接結(jié)構(gòu)及封頭變徑段后傳播至封頭區(qū)域。當(dāng)遇到封頭內(nèi)壁腐蝕等截面變化時(shí)，波束經(jīng)反射返回到探頭，從而判斷內(nèi)壁腐蝕情況。

圖2 下封頭導(dǎo)波檢測(cè)示圖

由于導(dǎo)波是在邊界內(nèi)部傳播的一種應(yīng)力波，因此當(dāng)邊界位置變化、存在異型結(jié)構(gòu)時(shí)，導(dǎo)波會(huì)沿著新的邊界傳播并在截面變化處反射、散射，造成頻散和模態(tài)轉(zhuǎn)換。圖2中區(qū)域②為裙座與封頭搭接焊縫的連接部位，傳播中的一部分導(dǎo)波會(huì)沿著搭接焊縫進(jìn)入到裙座中，造成封頭中導(dǎo)波能量衰減，缺陷檢測(cè)靈敏度下降。該處急劇變化的結(jié)構(gòu)截面也會(huì)引起導(dǎo)波反射、模態(tài)轉(zhuǎn)換等問(wèn)題，探頭回波信號(hào)成分復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)難以分析、辨認(rèn)。此外，區(qū)域①中焊縫余高、區(qū)域③中橢圓形封頭變徑段等異型結(jié)構(gòu)，也都會(huì)引起導(dǎo)波產(chǎn)生反射、散射等。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及分離器腐蝕情況的分析發(fā)現(xiàn)，立式分離器的腐蝕主要發(fā)生在封頭下部易積液部位，即圖2中區(qū)域③之后的部分。因此，只要有足夠能量的導(dǎo)波傳播至封頭下部易腐蝕區(qū)域，就能保證缺陷檢測(cè)的靈敏度。

下封頭模擬試件高頻導(dǎo)波圖像見圖3。由圖3可見，導(dǎo)波經(jīng)探頭發(fā)出后會(huì)有一定寬度的始波信號(hào)，之后在裙座處產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)回波，而需重點(diǎn)關(guān)注的下部封頭區(qū)域回波信號(hào)良好，并在排污管截面產(chǎn)生特征反射回波，且回波幅度較高。說(shuō)明該方法能夠使導(dǎo)波有效覆蓋被裙座結(jié)構(gòu)限制的封頭區(qū)域，檢測(cè)效果良好?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)以排污管截面反射波為特征信號(hào)，探頭沿筒體周向環(huán)繞一周，只需關(guān)注結(jié)構(gòu)信號(hào)之后、排污管特征信號(hào)之前的區(qū)域有無(wú)異常反射信號(hào)，即可判斷整個(gè)下封頭的腐蝕情況。

圖3 下封頭模擬試件高頻導(dǎo)波圖像

2 高頻導(dǎo)波檢測(cè)參數(shù)確定

為獲得良好的檢測(cè)效果，必須選擇合適的頻厚積和導(dǎo)波模態(tài)[13]。而導(dǎo)波模態(tài)與入射角相關(guān)，因此對(duì)于特定厚度的母材，可通過(guò)瑞利-蘭姆方程繪制出頻散曲線，根據(jù)頻散曲線確定適宜的檢測(cè)頻率和探頭角度。

導(dǎo)波在缺陷或異型結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生反射，引起頻散[14]，使接收到的回波信號(hào)成分復(fù)雜，不能準(zhǔn)確識(shí)別和定位。同時(shí)導(dǎo)波能量減小，反射回波幅度降低，影響缺陷檢測(cè)靈敏度。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中一般選擇頻散小、群速度大、回波能量高的導(dǎo)波模態(tài)[15-16]。隨著母材厚度增加，導(dǎo)波頻率應(yīng)逐漸減小，使頻厚積保持在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)減小折射角，以獲得模態(tài)單一、群速度大的導(dǎo)波。

現(xiàn)場(chǎng)壓力容器數(shù)量多、壁厚范圍廣，當(dāng)采用固定入射角壓電晶片探頭檢測(cè)時(shí)，無(wú)法針對(duì)每一種壁厚規(guī)格制定相應(yīng)的檢測(cè)參數(shù)。結(jié)合上述分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的高頻導(dǎo)波檢測(cè)參數(shù)見表1。

表1 高頻導(dǎo)波檢測(cè)參數(shù)

3 人工對(duì)比試塊的制作

高頻導(dǎo)波對(duì)缺陷大小的判斷是基于反射回波波幅。導(dǎo)波在傳播時(shí)伴隨著能量的衰減，大小相同、位置不同的缺陷回波幅值會(huì)不一樣，通過(guò)制作不同距離的能量衰減曲線，即距離-波幅（DAC）曲線，可以消除距離對(duì)反射回波幅值的影響。通過(guò)與同一板厚下多個(gè)不同反射面積人工缺陷的反射波幅進(jìn)行對(duì)比，即可大致判斷距離探頭不同位置處腐蝕缺陷的當(dāng)量大小。

本文制作材料為Q245R，尺寸為 （長(zhǎng)度×寬度）1 200 mm×400 mm， 板厚 t分別為 8 mm、16 mm、28 mm的3塊人工對(duì)比試塊，每塊人工對(duì)比試塊上加工 3 個(gè)深度分別為 0.2t、0.4t、0.6t，直徑為 10 mm的平底孔。

人工對(duì)比試塊示意圖見圖4，試塊缺陷尺寸參數(shù)見表2。

表2 人工對(duì)比試塊缺陷尺寸 mm

制作DAC曲線時(shí)，首先在人工對(duì)比試塊上位置1～位置5找到0.2t平底孔的最大反射波并記錄，連接各點(diǎn)便形成0.2t孔的DAC曲線，之后按相同方法依次制作0.4t、0.6t孔的DAC曲線。組合上述3條曲線便形成了該板厚下導(dǎo)波檢測(cè)的DAC曲線。

4 高頻導(dǎo)波現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及分析

采用ISONIC 2010超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某公司天然氣場(chǎng)站服役時(shí)間較長(zhǎng)的多臺(tái)立式分離器下封頭進(jìn)行了高頻導(dǎo)波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了大量腐蝕缺陷。

壁厚20 mm的下封頭導(dǎo)波檢測(cè)圖像見圖5。

圖5 壁厚20 mm下封頭大面積腐蝕導(dǎo)波檢測(cè)圖像

從圖5可以看出，始波和裙座導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)反射回波強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)信號(hào)之后的下封頭部分有大量密集的腐蝕信號(hào)，結(jié)合DAC曲線，判斷該處腐蝕深度大約為0.2倍的壁厚。由于腐蝕區(qū)域?qū)?dǎo)波的衰減，接管信號(hào)反射幅度時(shí)高時(shí)低，局部位置甚至消失。

采用圖5中同一探頭參數(shù)對(duì)壁厚為28 mm的下封頭進(jìn)行高頻導(dǎo)波檢測(cè)，得到的檢測(cè)圖像見圖6。圖6中下封頭局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)大面積的點(diǎn)腐蝕信號(hào)。

圖6 壁厚28 mm下封頭大面積腐蝕導(dǎo)波檢測(cè)圖像

對(duì)比圖5、圖6可以看出，盡管采用同一探頭參數(shù)對(duì)不同壁厚的封頭進(jìn)行檢測(cè)，但缺陷回波幅度都較高，靈敏度較好。接管截面的特征反射信號(hào)回波幅度較高，導(dǎo)波能量衰減小，能夠有效顯示。采用上述同一種探頭參數(shù)均能對(duì)不同壁厚的下封頭區(qū)域進(jìn)行有效檢測(cè)。因此，在保證檢測(cè)靈敏度的情況下，對(duì)一定壁厚范圍的母材采用同一種探頭參數(shù)，能夠極大提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率，節(jié)約檢測(cè)成本。

壁厚16 mm下封頭的嚴(yán)重局部腐蝕導(dǎo)波圖像見圖7。圖7中腐蝕分布面積較大，深色部分回波幅值很高，表明腐蝕深度較大，截面變化明顯。檢測(cè)區(qū)域后部未見接管截面特征反射信號(hào)，表明導(dǎo)波在經(jīng)過(guò)腐蝕區(qū)域嚴(yán)重的截面變化后，導(dǎo)波反射、散射嚴(yán)重，能量衰減劇烈，檢測(cè)靈敏度降低。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注接管特征反射信號(hào)，保證檢測(cè)靈敏度要求。

圖7 壁厚16 mm下封頭嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)波檢測(cè)圖像

當(dāng)探頭沿筒體周向進(jìn)行掃查時(shí)，配合使用探頭編碼器可以得到缺陷在探頭移動(dòng)方向上的具體位置以及周向的尺寸參數(shù)。結(jié)合始波、缺陷波、接管反射波這3個(gè)特征信號(hào)的相對(duì)位置，并通過(guò)計(jì)算導(dǎo)波群速度與缺陷反射波傳播時(shí)間的乘積，可以得到缺陷在導(dǎo)波傳播方向上的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷定位和尺寸參數(shù)的測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析立式裙式支座分離器下封頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確立了高頻導(dǎo)波檢測(cè)方法及其檢測(cè)參數(shù)。通過(guò)制作人工對(duì)比試塊得到DAC曲線，可大致確定腐蝕缺陷的當(dāng)量大小?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，利用高頻導(dǎo)波技術(shù)非直接耦合接觸檢測(cè)的特點(diǎn)，可以對(duì)裙座結(jié)構(gòu)的立式分離器下封頭區(qū)域腐蝕進(jìn)行有效檢測(cè)，效果較好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)缺陷定位和定量的要求。