唐飛陽(yáng)亮，祝加軒，解志剛，張文澤

(中國(guó)石油 獨(dú)山子石化分公司研究院，新疆 獨(dú)山子 833699)

小接管是煉化裝置中壓力容器、壓力管道中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式之一。在2019年由中國(guó)石油煉化企業(yè)腐蝕與防護(hù)工作中心起草編制的《煉化裝置小接管管理導(dǎo)則》中規(guī)定：在設(shè)備本體或管道上直接開(kāi)孔，采用焊接方式連接的DN50及以下的半管接頭、支管座、支管的結(jié)構(gòu)，統(tǒng)稱為小接管。例如與容器本體或者管道連接安全附件、儀表(熱電偶、壓力表、液位計(jì)、流量計(jì))、排液導(dǎo)淋、蒸汽掃線、排氣閥和跨線等，一般在第一道閥門以內(nèi)的管道。

小接管具有徑小、壁薄、結(jié)構(gòu)變化大、幾何形狀不連續(xù)等特點(diǎn)，所以在制造和使用過(guò)程中較縱、環(huán)向?qū)雍缚p更易產(chǎn)生未焊透、裂紋[1]等缺陷。但是在我國(guó)目前的法律、標(biāo)準(zhǔn)體系中，如《國(guó)家特種設(shè)備目錄》《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG 21—2016)、《壓力容器 第1部分 通用要求》(GB 150.1—2011)、《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》(TSG D0001—2009)、《壓力管道規(guī)范-工業(yè)管道》(GB/T 20801.1—2020)等，均未對(duì)小接管提出設(shè)計(jì)、管理、監(jiān)督要求。因此小接管成為壓力容器、壓力管道制造安裝及長(zhǎng)周期安全運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生腐蝕、開(kāi)裂、泄漏等問(wèn)題。

本文闡述了現(xiàn)階段小接管焊縫無(wú)損檢測(cè)的局限性，介紹了一種能夠檢測(cè)小接管焊縫表面、近表面裂紋的技術(shù)手段，為小接管焊縫表面裂紋[2]缺陷的檢測(cè)提出了新思路。

1 小接管焊縫無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的局限性

目前，小接管焊縫的無(wú)損檢測(cè)[3]方法開(kāi)展起來(lái)存在較多的難點(diǎn)，具有一定局限性(見(jiàn)表1)。

表1 小接管焊縫的無(wú)損檢測(cè)方法局限性

由此可見(jiàn)，目前還沒(méi)有較為完整可靠的小接管焊縫的檢測(cè)方法。如何有效通過(guò)無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)小接管的潛在隱患，保證容器、管道本體的安全運(yùn)行，成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

2 焊縫表面裂紋場(chǎng)梯度成像檢測(cè)技術(shù)

2018年12月，國(guó)內(nèi)首次從英國(guó)引進(jìn)焊縫表面裂紋場(chǎng)梯度成像檢測(cè)技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱FGI-3D)。該技術(shù)集裂紋檢測(cè)、安全評(píng)估與評(píng)價(jià)為一體，檢測(cè)過(guò)程中可以瞬時(shí)檢測(cè)成像，反映出裂紋的方向、深度和長(zhǎng)度信息。FGI-3D是集電磁陣列(EMA)、增強(qiáng)型交流場(chǎng)測(cè)量(ACFM+)、典型渦流相位阻抗(ECT)、C掃描等技術(shù)于一體的非接觸式場(chǎng)梯度成像技術(shù)，可用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)或焊縫的表面、近表面缺陷(裂紋、腐蝕坑)檢測(cè)，無(wú)需去除工件表面涂層或防腐層，可高溫500 ℃在線不停機(jī)測(cè)量，單次掃描即可完成裂紋長(zhǎng)度和深度的精確測(cè)量。

FGI-3D技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理[9]，在導(dǎo)體表面建立梯度場(chǎng)(電場(chǎng)和磁場(chǎng))，通過(guò)測(cè)量導(dǎo)體表面、近表面缺陷(裂紋、腐蝕坑)的尖角和輪廓對(duì)梯度場(chǎng)的擾動(dòng)，來(lái)精確測(cè)量缺陷的三維尺寸信息(見(jiàn)圖1)。(梯度場(chǎng))能量聚焦于工件表面，有效地減輕或去除了材料電導(dǎo)率及磁導(dǎo)率不均勻性的影響，極大地提高了檢測(cè)靈敏度。

圖1 FGI-3D技術(shù)原理圖

FGI-3D技術(shù)通過(guò)研究磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量(見(jiàn)圖2)。

圖2 缺陷測(cè)量原理

當(dāng)測(cè)量裂紋長(zhǎng)度時(shí)，電流沿Y方向流動(dòng)，正常情況下Z方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz為零。出現(xiàn)裂紋時(shí)，裂紋的2個(gè)尖端的電流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)右手螺旋法則，會(huì)使磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)波峰和波谷，以此來(lái)表征裂紋的長(zhǎng)度信息。

當(dāng)測(cè)量裂紋深度時(shí)，電流沿Y方向流動(dòng)，正常情況下X方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx無(wú)變化，另外2個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度(By和Bz)為零。出現(xiàn)裂紋時(shí)，電流流過(guò)裂紋底端，裂紋底端的電流密度最低，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx最小，所以會(huì)導(dǎo)致Bx信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)波谷，以此來(lái)表征裂紋的深度信息。

近幾年，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)迅速推廣。2019年研究成果在“遠(yuǎn)東無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)論壇山東專場(chǎng)發(fā)布會(huì)”“黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)專業(yè)大會(huì)”發(fā)布；2021年，杭州市特檢院利用該技術(shù)完成28臺(tái)壓力容器高溫在線不停機(jī)檢驗(yàn)。隨著FGI-3D技術(shù)在煤化工、電廠、石油煉化等多個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)日趨顯現(xiàn)。

3 小接管角焊縫檢測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證FGI-3D技術(shù)在小接管角焊縫檢測(cè)工程中應(yīng)用的可行性，筆者進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。首先制作了典型的小接管對(duì)比試樣(見(jiàn)圖3)，小接管直徑為48 mm，壁厚為5 mm，表面有2處不同方向(周向、軸向)的裂紋(見(jiàn)圖4)。

圖3 小接管對(duì)比試樣

a) 軸向 b) 周向

3.1 FGI-3D與滲透檢測(cè)技術(shù)對(duì)比試驗(yàn)

利用FGI掃查裝置沿著小接管快速旋轉(zhuǎn)1周，匯總檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與滲透檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證(見(jiàn)表2)。

表2 FGI-3D與滲透檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)小結(jié)：通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了FGI-3D焊縫表面裂紋場(chǎng)梯度成像檢測(cè)技術(shù)能有效檢測(cè)出小接管角焊縫的表面裂紋，雖然對(duì)于缺陷的定性顯示沒(méi)有傳統(tǒng)的磁粉、滲透方法直觀，但是該技術(shù)提供缺陷定性數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。

3.2 涂層檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證FGI-3D焊縫表面裂紋場(chǎng)梯度成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)于無(wú)法去除涂層、漆層、銹蝕的小接管角焊縫的檢測(cè)能力，將上述試驗(yàn)中的對(duì)比試樣刷涂3～5 mm的防銹漆，再次對(duì)2處缺陷進(jìn)行檢測(cè)，匯總檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 涂層檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)小結(jié)：通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，漆層的存在對(duì)于該技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果影響不大。這是因?yàn)樵摷夹g(shù)兼容了多種電磁技術(shù)，提離距離最高可達(dá)到5～12 mm，在小接管專用工裝的加持下，進(jìn)一步穩(wěn)定了檢測(cè)探頭的掃查過(guò)程，有利于在線檢測(cè)。

4 應(yīng)用案例

2021年2月，某煉化企業(yè)加氫裂化裝置循環(huán)氫氣壓縮機(jī)廠房中的1#壓縮機(jī)組一級(jí)進(jìn)氣緩沖罐發(fā)生氫氣泄漏。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)固定式可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初步判定泄漏部位為該罐南側(cè)測(cè)壓接管，立即采取了緊急停機(jī)處理。對(duì)緩沖罐南側(cè)測(cè)壓接管根部角焊縫進(jìn)行打磨去除表面覆蓋層，露出金屬本體光澤，然后進(jìn)行滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)一條長(zhǎng)度超過(guò)3/4周的裂紋，開(kāi)裂發(fā)生角焊縫熱影響區(qū)，而在附近緩沖罐殼體和角焊縫上未檢出任何外表面裂紋類缺陷(見(jiàn)圖5)。

a) 泄漏接管

b) 裂紋

通過(guò)分析泄漏的原因和機(jī)理，最終確定該接管是因?yàn)閼冶哿旱慕Y(jié)構(gòu)特征，造成根部應(yīng)力最大，接管在壓縮氣體的脈動(dòng)作用下處于受迫振動(dòng)狀態(tài)，承受疲勞載荷，最終產(chǎn)生疲勞裂紋。為了防止再次發(fā)生類似情況，使用單位擬對(duì)其他類似情況的緩沖罐小接管在不停機(jī)狀態(tài)下，進(jìn)行有針對(duì)性的無(wú)損檢測(cè)。該類緩沖罐小接管的公稱直徑為25 mm，壁厚為4 mm。用傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)法對(duì)這樣的角焊縫疲勞裂紋在不停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行有效檢測(cè)，筆者利用FGI-3D焊縫表面裂紋場(chǎng)梯度成像檢測(cè)技術(shù)成功地完成了本次檢測(cè)任務(wù)。

本次檢測(cè)采用的是Lizard M8多通道檢測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖6)，使用標(biāo)準(zhǔn)筆式陣列探頭(LCP801)(見(jiàn)圖7)。由于使用單位要求不停工進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法對(duì)檢測(cè)部位打磨，為了確保探頭的提離距離，本次檢測(cè)配備獨(dú)特專業(yè)的接管工裝(見(jiàn)圖8)。

圖6 Lizard M8多通道檢測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)2套壓縮機(jī)組的8臺(tái)緩沖罐、共28條小接管的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)可疑缺陷1處，檢測(cè)圖譜如圖9所示，通過(guò)對(duì)3D模式圖和C掃描彩色輪廓圖進(jìn)行分析，并采用精確測(cè)量模式，確定該缺陷深度為2.8 mm，長(zhǎng)度為21.8 mm。為了進(jìn)一步確認(rèn)該小接管的情況，使用單位對(duì)該緩沖罐緊急停工，打磨去除小接管表面的漆層、浮銹，肉眼可見(jiàn)在焊縫熔合線附近存在裂紋缺陷。利用X射線數(shù)字成像技術(shù)對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該裂紋沿周向向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)度為23 mm；沿軸向解剖裂紋，金相宏觀觀察，該裂紋最深處深度為3.1 mm(見(jiàn)圖10)。

圖7 筆式陣列探頭

a) 設(shè)計(jì)建模

b) 工裝實(shí)物

圖9 檢測(cè)圖像和數(shù)據(jù)

a) 裂紋外觀 b) X射線數(shù)字成像測(cè)長(zhǎng)度 c) 金相宏觀測(cè)高度

通過(guò)其他技術(shù)手段的驗(yàn)證，證明了FGI-3D焊縫表面裂紋場(chǎng)梯度成像檢測(cè)技術(shù)可以在不去除焊縫表面涂層、污垢、銹蝕，即使在設(shè)備運(yùn)行期間，也可對(duì)小接管表面裂紋進(jìn)行在線檢測(cè)，保證煉化設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

5 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為了解決電磁技術(shù)中“趨膚效應(yīng)”[10]的局限性，目前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是將FGI-3D技術(shù)與直流磁化裝置組合應(yīng)用(簡(jiǎn)稱為FGI-DC-3D掃描)。這樣可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)直流磁場(chǎng)疊加弱渦流電磁場(chǎng)，不僅可以檢測(cè)表面開(kāi)口裂紋，而且可以使信號(hào)滲透深度增加，可以檢測(cè)近表面埋藏裂紋及焊縫根部腐蝕，埋藏深度可達(dá)3～4 mm；這種FGI-DC-3D掃描技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在大管徑的管道、壓力容器焊縫檢測(cè)中(見(jiàn)圖11)。

6 結(jié)語(yǔ)

FGI-3D技術(shù)是一種新興的綜合電磁陣列成像掃描技術(shù)，兼容了多種電磁技術(shù)(EMA、ECT、ACFM+、FGI)，可檢測(cè)碳鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼、鑄鐵、銅、鈦、鋁等一切導(dǎo)電材料；無(wú)須去除工件表面涂層或防腐層，無(wú)需耦合劑，節(jié)省打磨涂層的成本和時(shí)間；單次掃描即可完成裂紋長(zhǎng)度和深度的精確測(cè)量，為安全評(píng)估提供可靠依據(jù)。

目前，為小接管檢測(cè)設(shè)計(jì)制作的直流磁化裝置即將研發(fā)成功。屆時(shí)，F(xiàn)GI-3D技術(shù)可以完成對(duì)煉化裝置小接管表面、近表面、埋藏缺陷的全面檢測(cè)，將成為保障煉化裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的一個(gè)重要手段。