幾種壓力容器快速檢測技術(shù)方法比較

李明娥 于光升

（酒泉市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，甘肅 酒泉 735000）

0 引言

根據(jù)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壓力容器定期檢驗(yàn)工作主要是資料審查、宏觀檢驗(yàn)、壁厚測定、磁粉、滲透、超聲、耐壓試驗(yàn)[1]等無損檢測，檢驗(yàn)前后所需步驟較多，需要清空原料、開罐、清洗、置換、去除表面防腐層、檢驗(yàn)、重新恢復(fù)表面防腐等[2]，檢測程序比較復(fù)雜，檢驗(yàn)速度慢，效率低，而且一般要求停車、拆除保溫保冷層，才能開罐進(jìn)行檢驗(yàn)。這就更加加劇了企業(yè)的時(shí)間成本、人員成本和材料成本。使用經(jīng)驗(yàn)表明，相當(dāng)一部分壓力容器停車期間產(chǎn)生的腐蝕破壞程度遠(yuǎn)比正常使用時(shí)的腐蝕嚴(yán)重得多，所以停車后開罐檢驗(yàn)有可能進(jìn)一步加劇容器的損傷程度，而且大多數(shù)壓力容器是集成密閉循環(huán)系統(tǒng)的一部分，如果檢測時(shí)必須停車，則會破壞密封系統(tǒng)，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，使用單位希望有一種新的快速檢測技術(shù)，能夠在不需要開罐的情況下，安全、高效、快捷、低成本地開展檢測，并對容器的安全狀況進(jìn)行評估。在這種現(xiàn)實(shí)需求下，脈沖渦流、聲發(fā)射、熱成像技術(shù)的應(yīng)用變得極為迫切。

1 脈沖渦流檢測技術(shù)

脈沖渦流檢測是利用交變磁場在導(dǎo)電材料中所感應(yīng)渦流的電磁效應(yīng)評價(jià)被檢工件的無損檢測方法，檢測的主要原理（見圖1）是通過脈沖發(fā)射機(jī)發(fā)射出電磁場信號，經(jīng)過線圈誘導(dǎo)電磁場產(chǎn)生渦流，最后由接收器反映渦流脈沖信號的衰變情況，對信號特征的響應(yīng)時(shí)間和參考值進(jìn)行分析計(jì)算，明確金屬物件的厚度和保溫層的使用情況[4]，在檢測的全過程中，交變磁場在傳播過程所感應(yīng)的渦流會受到導(dǎo)電材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率影響，金屬材料產(chǎn)生缺陷，造成這種現(xiàn)象的反應(yīng)與缺陷位置、缺陷類型具有唯一對應(yīng)性，因此可以通過觀察信號反饋，從而得到有效的數(shù)據(jù)信息，判斷出缺陷的具體位置。而在承壓設(shè)備的檢測過程中，應(yīng)用電磁渦流無損檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，通過觀察渦輪的對應(yīng)形狀，可以迅速判斷出容器內(nèi)部的電磁場干擾情況，進(jìn)而迅速得出具體的缺陷位置和缺陷類型。例如在現(xiàn)場的檢驗(yàn)檢測中，若檢測區(qū)域無缺陷或者缺陷很小，則產(chǎn)生的電渦流較為均勻，層狀分布，具有一定的流動性，渦流會對試件進(jìn)行磁場感應(yīng)。而一旦檢測區(qū)域出現(xiàn)缺陷，電渦輪的形狀就會立即發(fā)生改變，根據(jù)渦輪形狀的不同，筆者就可以迅速找到容器出現(xiàn)缺陷的具體位置。脈沖渦流無損檢測技術(shù)具有自動化、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)， 因此其大多用于探測金屬容器內(nèi)部的缺陷。

圖1 脈沖渦流示意圖

這種檢測技術(shù)可以在設(shè)備不停車的情況下完成檢測項(xiàng)目，可顯著提高檢驗(yàn)效率，降低檢驗(yàn)成本，且穿透能力強(qiáng)，能檢出保溫保冷層、使用鋁皮、鐵皮等保護(hù)層的金屬構(gòu)件壁厚或其他壁厚的腐蝕減薄缺陷，但是這種方法也有局限性，難以檢出管壁內(nèi)小體積缺陷。被檢工件中渦流分布與深度的關(guān)系遵循物理規(guī)律，渦流密度隨著深度的增加而快速衰減。檢測時(shí)應(yīng)該注意以下因素的影響：1）檢測線圈的內(nèi)徑與背檢管材外徑相匹配；2）對比試樣選擇恰當(dāng)，避免影響檢測靈敏度；3）檢測速度與調(diào)試時(shí)試樣和檢測線圈的相對速度接近；4）覆蓋層厚度和電導(dǎo)率；5）放置式線圈焊縫的渦流檢測，要注意非導(dǎo)體覆蓋層對檢測靈敏度的影響，其與探頭和被測工件之間的距離有關(guān)；6）被檢工件的形狀和探頭與檢測區(qū)域的接近程度；7）線圈的方向；8）缺陷的類型、大小和深度；9）邊緣效應(yīng)。

2 聲發(fā)射技術(shù)

材料在受內(nèi)力或者外力作用下產(chǎn)生斷裂或者變形時(shí)以彈性波形式釋放出局部應(yīng)變能的現(xiàn)象 ， 稱為聲發(fā)射 （AE） ， 如果用儀器檢測、記錄、分析這種聲發(fā)射信號，并利用聲發(fā)射信號推斷聲發(fā)射源進(jìn)而找出缺陷位置的方法就是聲發(fā)射檢測技術(shù)。其原理是材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋萌生與擴(kuò)展、塑性變形、夾雜物斷裂和脫開等，該技術(shù)是判斷結(jié)構(gòu)是否失效的重要機(jī)制，也是確定聲發(fā)射源的重要技術(shù)。

具體來說聲發(fā)射檢測是通過物體自身所受內(nèi)力或外力產(chǎn)生變形或斷裂所產(chǎn)生的應(yīng)變能等參數(shù)來評判缺陷類型、危害程度、結(jié)構(gòu)連續(xù)性、剩余壽命等[5]，所提供瞬時(shí)或連續(xù)信號隨時(shí)間、溫度、載荷等外部變化而產(chǎn)生，可應(yīng)用于監(jiān)視過程并預(yù)測早期損壞和即將發(fā)生的損壞，定量判斷缺陷類型和存在位置，在缺陷萌生階段和擴(kuò)展過程中均可發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)對“活”的缺陷檢出率較高（原理見圖2）。

圖2 聲發(fā)射檢測原理圖

該技術(shù)對被檢工件的要求不高，適用于劇毒、高溫、核輻射、易燃易爆等難以進(jìn)入的環(huán)境，但局限性在于對材料敏感，容易受到機(jī)電噪聲的干擾。由于聲發(fā)射的不可逆性，實(shí)驗(yàn)過程中的聲發(fā)射信號無法通過多次加載而反復(fù)獲得，每個(gè)檢測過程的信號采集是非常寶貴的，不應(yīng)因人為疏忽而丟失寶貴的數(shù)據(jù)，所以對現(xiàn)場檢驗(yàn)人員要求較高，需要更豐富的數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場測試經(jīng)驗(yàn)。

3 熱成像技術(shù)

熱成像檢測技術(shù)是指利用物體溫度高低不同所散發(fā)出來的輻射能量大小不同的原理，折射到光學(xué)物鏡光敏原件上得到紅外熱像圖，圖像顯示不同顏色代表被測物體的不同溫度[6]（原理見圖3）。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于高溫壓力容器的在線檢測，并在常溫壓力容器疲勞損傷檢測方面得到初步應(yīng)用，并用于裂紋、焊縫、銹蝕和疲勞等方面檢測，常用來檢測壓力容器中因使用而損壞的內(nèi)襯、保溫層的跑冷跑熱、液面異常等，根據(jù)異常情況來側(cè)面反映容器有無腐蝕或運(yùn)行有無異常。該技術(shù)是被動式非接觸性的檢測與識別，操作方便，不受電磁干擾，可以宏觀地反應(yīng)被測物體的溫度場，但是圖像對比度低，分辨能力差，成本較高。

圖3 熱成像原理圖

由于紅外線熱成像無損檢測技術(shù)是一種先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，相關(guān)檢驗(yàn)設(shè)備十分昂貴，因此導(dǎo)致在技術(shù)方面與引入時(shí)間上存在一定的局限性，使該技術(shù)難以在一些規(guī)模較小的企業(yè)得到推廣與應(yīng)用，而在規(guī)模較大的一些企業(yè)中，其應(yīng)用優(yōu)勢正逐漸地突顯出來。概括來說，其優(yōu)點(diǎn)十分明顯：1）具備極高的安全性。2）靈敏度較高。3）檢測效率高，能夠節(jié)省成本。

4 脈沖渦流和聲發(fā)射在實(shí)際中應(yīng)用

以某廠脫正丁烷塔重沸器殼程出入口管線為例，進(jìn)行渦流掃查，發(fā)現(xiàn)出口彎頭處有16%減薄區(qū)域，出口下直管有11%減薄區(qū)域，為驗(yàn)證渦流掃查結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步拆除保溫進(jìn)行超聲波測厚，發(fā)現(xiàn)彎頭表面及直管表面存在腐蝕產(chǎn)物（見圖4），彎頭位置超聲波測厚實(shí)測標(biāo)定位置10.4mm，腐蝕減薄位置最小值9.2mm，直管位置超聲波測厚實(shí)測標(biāo)定位置10.2mm，腐蝕減薄位置最小值9.8mm，與渦流掃查數(shù)據(jù)吻合（見圖5、圖6）。根據(jù)使用工況分析，有保溫層的大氣腐蝕，判斷為安裝質(zhì)量差或覆蓋層局部破損造成，建議下一個(gè)檢驗(yàn)周期再進(jìn)行脈沖渦流掃查。

圖4 彎頭處腐蝕產(chǎn)物

圖5 彎頭處掃查數(shù)據(jù)

圖6 直管段掃查數(shù)據(jù)

以1臺20000m3儲罐為例，直徑為40m，高度為16m，液位為13.5m，介質(zhì)為原油，共用24個(gè)傳感器進(jìn)行檢測，均安裝在罐體外側(cè)，1~12號為檢測傳感器，安裝在離罐基礎(chǔ)0.75m，7~12號為護(hù)衛(wèi)傳感器，安裝在高度為2m，數(shù)據(jù)采集為18.5h，按照J(rèn)B/T 10764-2007標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，采用區(qū)域定位分析及分級方法對儲罐底板進(jìn)行數(shù)據(jù)分析見表1[7]。

表1 基于區(qū)域定位分析的聲發(fā)射圓的分級

通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)夜間采集數(shù)據(jù)存在干擾，干擾源為周期信號，選取白天采集的3h進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，處理之后得到的撞擊數(shù)為24580個(gè)，事件數(shù)為2338個(gè)，單個(gè)通道每小時(shí)出現(xiàn)的撞擊數(shù)612個(gè)，結(jié)合儲罐運(yùn)行檢修情況，該儲罐底板腐蝕狀況評價(jià)為Ⅱ。為驗(yàn)證檢驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行開罐檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)儲罐底部幅板靠近中央的幅板防腐層出現(xiàn)局部鼓包破損現(xiàn)象，周圍幅板有深度不等的腐蝕坑，最大深度為1.8mm，最大減薄量20%，與聲發(fā)射檢驗(yàn)結(jié)果相吻合，建議3a后再進(jìn)行聲發(fā)射檢測。

5 結(jié)語

熱成像技術(shù)作為一種新型的檢測技術(shù)，對壓力容器的內(nèi)襯、保溫層的跑冷跑熱、檢測液面的異常等方面有重大的指導(dǎo)意義，雖然具有效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于檢測成本較高等原因未得到普及。脈沖渦流檢測技術(shù)由于檢測精準(zhǔn)、檢出率高等優(yōu)點(diǎn)在壓力容器和壓力管道檢測方面得到廣泛應(yīng)用。聲發(fā)射由于需要龐大的數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)場檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)人員等原因，在壓力容器檢測方面有些掣肘。為提高壓力容器檢測效率，降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)設(shè)備特征選擇合適的壓力容器不拆保溫、不開罐的快速檢測技術(shù)，分別檢測壓力容器壁厚變化、腐蝕及活動性缺陷等情況，從而評估其安全可靠性能，提高檢測效率，這是今后努力的方向。