燃气钢制管道无损检测的现状和发展趋势.pdf

城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期30安全生产SafetyinProductiondoi:10.3969/j.issn.1671-5152.2023.05.006燃气钢制管道无损检测的现状和发展趋势冯涛北京市煤气工程有限公司摘要：近年来，随着我国经济的不断发展以及城市化进程的不断加快，城镇燃气的使用规模亦大幅增长，目前，全国城镇燃气用气人口已经超过6.6 7 亿人，使用普及率已经达到9 7.8 7%。燃气的使用给人们的生产生活带来了很多便利，但同时在使用过程中人们对燃气管道的安全性要求也越来越高，燃气安全备受社会关注。燃气主要以管道作为输送设备，因此燃气管道工程也是重要的市政基础设施建设工程之一。管道的焊接质量是燃气管道安全的根本，而无损检测则是保证焊接质量的重要手段和施工工序，有针对性地选择正确的无损检测方法则是管道焊接质量控制的关键环节和措施。本文即结合笔者在燃气管道建设和维护中的实际工作经验，主要对燃气钢制管道无损检测技术的现状以及未来发展趋势进行相关的分析和探讨。关键词：燃燃气管道；泄漏检测；无损检测；现状和发展燃气管道的无损检测是指对燃气管道的焊接接头质量采用不同的无损检测方法进行内外部缺陷的检测。无损检测可以避免如多次压力试验、取样检测等传统检验方法对管线设施所带来的明显或潜在的损害，其突出优点是可以在不损伤燃气管道本体构造的前提下，对燃气管道焊缝表面和内部可能存在的缺陷进行测定和评估。在不同的阶段采用不同的无损检测方法，可以对焊接情况、内部锈蚀状况以及整机运转状况做出分析，有利于燃气管道的安全运行。1燃气钢制管道无损检测技术无损检测是指在不影响（或不损害）被检测对象的使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，对试件内部及表面的结构、性质、状态，以及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。燃气管道目前最常见的无损检测技术主要有：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等。其中应用较广泛的是射线检测和超声波检测。在实际运用中，根据燃气钢制管道情况，选择相对应的检验技术。1.1射线检测法（RT）射线检测是检查管线破损程度及焊缝质量最普遍的方式之一，通常分为X射线检测和射线检测。射线穿透材料时，材料内部不同密度的部位（比如缺陷）对射线的衰减不同，衰减后不同强度射线穿过材料对底片的感光度不同，最终而形成了黑度不同的影像。射线检测是检查燃气管道焊接过程中检测焊口质量的常用检测方法，主要优、缺点如表1。1.2超声波检测法（UT）超声波检测指超声波与工件互相作用，利用其反射、透射和散射的波对工件宏观缺陷、几何特性、组城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期31冯涛燃气钢制管道无损检测的现状和发展趋势表1射线检测优点缺点法（RT）适宜检测钢制压力管不适宜检测板材、棒材、道（对接焊接接头）锻件（角焊缝效果较差）被检测不适宜检测较厚的工件；对象对缺陷在工作中厚度方向适宜检测较薄的工件的位置、尺寸（高度）的确定比较困难有底片（检测结果可直接记录），可以为甲方以及相关单位提供比较直接的工作见证检测结果可以获得缺陷的投影图像，缺陷定性定量准确体积型缺陷检出率高面积型缺陷的检出率低检测成本检测成本较高检测速度慢（曝光时间有一定要求，管道检测现场作业需要实施布置警戒区检测速度域、架设射线机、布置底片等工作，曝光后的底片需要暗室处理环节。）射线对人体有伤害；暗室环境影响处理后的药液会污染环境织结构和力学性能进行研究，进而进行评价的技术。其原理是利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等。对于钢制燃气管道焊接接头的超声波检测而言，一般情况是采用直射法和一次放射法，针对管道环向焊接接头进行检测。如果遇到的缺陷时会反射回来超声波被探头接受到，从而能够检测出焊缝缺陷的位置和相对当量尺寸的大小。主要优、缺点如表2。1.3磁粉探伤检测法（MT）磁粉检测是对铁磁性材料进行磁化，其表面或近表面的不连续性会引起磁力线发生局部畸变，产生的漏磁场从而吸引细小铁屑（磁粉）而在表面上形成堆积成肉眼可见的磁痕堆积。其基本原理是：当被磁化物体表面或附近存在缺陷（或结构状态变化）时导致磁阻充分增加的铁磁性材料，在材料的表面空间可能会形成漏磁场，并将施加到表面的细铁磁性粉尘（磁表2超声波检测优点缺点法（UT）适宜检测各种试件（对接焊接接头及角被检测对象焊缝）适宜检测较厚的工件不适宜检测较薄的工件无法得到缺陷直观图像，定性困难，定量精检测结果度不高面积型缺陷的检出率体积型缺陷的检出率低高检测成本检测成本低检测速度快（仪器体检测速度积小、重量轻，适合压力管道现场检测）性粉尘）吸附在漏磁场周围形成磁痕显示。压力管道磁粉检测主要是针对管道焊接接头的表面及近表面缺陷的检出。使用便携式磁粉探伤机，配合使用单磁轭检修磁粉检测工作。主要优、缺点如表3。表3磁粉探伤检优点缺点测法（MT）被检测对象适宜铁磁性材料检测只能检测表面及近表无法检测深埋缺陷面缺陷工件的形状和尺寸有时对检测有影响，因可以检测细小的裂纹其难以磁化而无法检检测结果以及其他缺陷；缺陷测（如对于小径管，显示直观；形状、尺磁粉检测比较困难寸更接近缺陷实际情缺陷方向与磁场夹角况小于2 0 时灵敏度会受很大影响）检测成本检测成本低检测速度检测速度快/检测灵敏度高/环境影响污染少；重复性好/1.4清渗透检测法（PT）渗透是以毛细作用原理为基础，检查表面开口缺陷的无损检测方法。施加在被检工件表面上的渗透剂在毛细作用下渗人到开口缺陷内部，然后去除表面多余的渗透剂，再以喷、刷等方式将显像剂施加到工件表面。显像剂会将缺陷内部的渗透剂吸出并在表面扩城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期32安全生产SafetyinProduction散成肉眼可见的痕迹。主要优、缺点如表4。表4渗透检测法优点缺点(PT)适宜除了疏松多孔材不适宜疏松多孔材料的料外任何种类的材料检测被检测对象检测可以检测形状复杂的部件可以检出表面开口缺陷（但对于管道表面不能检测深埋缺陷以及光洁度要求高，对于闭合型表面缺陷检测人员的技术水平要求高）检测结果可以全面显示试件缺口的形态、宽度、部位和程度，且对其开口缺陷的检测效果也较好检测成本检测材料较贵，成本高检测速度工序多，检测速度慢检测灵敏度检测灵敏度相比磁粉低1.5对于钢制压力管道焊接接头无损检测，要考虑到如下问题（1）验收标准。标准不同，缺陷尺寸与合格级别，会有一定的差距。（2）管道材质、焊接方法。针对不同的材质以及焊接方法选择最为合理、有效的检测方法。（3）检测环境。根据现场环境条件的限制，限制合适的无损检测方法。（4）多种检测方法综合使用。任何一种检测方法都不是万能的，都有其优势和劣势。合理选择、合理搭配使用，考虑效率、成本、检测灵敏度等因素综合使用才能最大可能的检出缺陷、降低管道使用风险。2燃气管道无损检测技术案例分析2.1X射线检测案例对于常见的线性缺陷，X射线胶片的图像是一条细直的暗线。对于单面焊或双面成形未焊透，X射线底片的图像通常在焊接背面，中间部分形成与焊缝平行的黑色直线。坡口焊时，根部未焊透发生在焊缝中心，X射线底片通常出现在焊缝图像中心，具有均匀的黑度、连续或周期性的黑线等。未焊透缺陷的图像也可以是明显偏离焊接中心的黑线。双面焊缝未熔化。X射线底片的图像通常沿焊缝两侧边缘呈新月形。当它靠近母材和电弧（有时是弯曲的齿）的一侧时，它是线性的，当它靠近焊缝的一侧时，黑暗逐渐消失。当沿着坡口方向照亮时，它是一个黑色条带的图像：双面焊接层未熔化，X射线底片图像显示大部分黑色不规则块，带有光线和不均匀的黑色。一般来说，缺陷中心的黑度较大，边缘逐渐褪色，这类似于含有片状熔渣的缺陷图像。由于单面焊缝根部尚未完全熔合，因此X射线底片的图像往往是条细线，接近母材和焊缝表面的一边有均匀的黑色在，接近焊缝中心的一边有弯曲齿块缺陷；而单侧焊缝坡口的未熔合图像则往往在一边平直，另一侧曲折，淡而匀的黑色在，常伴有夹渣；单面焊层之间未熔合的图形不准确且不易辨认。X射线无损检测技术因其直接成像，在工业检测领域得到广泛应用，细节要求少，测量精度高。裂纹、气孔等缺陷在细节、焊接等设备经过辐射和各种复杂的物理化学步骤后有稳定的影响，比如吸收和分散。故障检测检查员可以通过目视观察来评估是否存在缺陷和有缺陷的零件。2.2超声波检测法案例当焊缝根部或中间钝边未焊透，在探头角度正确的条件下，超声波检测能够准确地检出和判断。当采用超声波检测时，较易于查找焊缝两侧的缺缺陷。尤其是根部未焊透，形成的端角反射会在屏幕上产生一个很高的波形，有利于直接观察和认别。当探头沿焊道方向移动时，波形显示仍有一定的延伸距离，但回波方向改变并不明显，有长条带规则缺陷的特点。而当旋转探头使声束的传播角度相对于焊缝方向改变时，回波的幅度迅速减小。同时因为未焊透是在规则的钝边部产生的，所以在检测过程中，当探头上下移动时，波形比较平稳，而当探头转动时，波形很快消失。探头在焊缝两侧检测时，缺陷的水平位置有一定差距，一般小于焊缝的对口间隙。当超声波检测用坡口边缘未熔合时，在描查程中，当探头在焊缝一侧会有很高的反射波，但在对侧的一次波由于缺陷角度的影响会相对较低，而二次反射波较高。城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期33冯涛燃气钢制管道无损检测的现状和发展趋势3钢制燃气管道检测技术的发展趋势随着科学技术的发展，无损检测行业也出现了很多新的检测技术和方法。这些新技术和新方法，给燃气管道的无损检测带来了全新的思路和保障手段。3.1X射线检测X射线数字成像是未来的趋势。数字成像在民用和医学领域都已经得到了广泛的应用，目前在工业检测领域也取得了长足的发展。相关的设备和技术已经成熟，具有规范和标准的支撑，同时也有大量的实际应用案例。X射线数字技术的先进性以及检测结果的高效性和方便的传输复制，将给燃气管线检测和使用安全带来更多的保障。配合北斗定位系统，可以将管线焊口的地理坐标投印到检测影像中，为焊口定位和检修带来极大的方便。数字成像技术主要分为CR和DR两大类。计算机射线照相（computedradiography）：将射线透过工件后的信息记录在成像板上，经过扫描装置读取，再由计算机生成数值化的技术。目前最好的CR成像系统空间分辨力为2 5um（胶片为5um），低于胶片水平，优于其他数字成像方法。CR技术可使用原X射线设备，无需改造、更换，其使用的IP板和胶片一样可以分割、弯曲使用。重复使用几千次。寿命决定于机械损伤。单板价格昂贵，长期使用比胶片便宜。与胶片相比，CR宽容度大，曝光条件易选择，照相速度比胶片快（2 0%），还不需要化学处理，有利于环境保护。数字化平板（Digitalradiography）是利用电子技术将X线信息转化为数字化电子载体的X线成像方法。与传统的胶片相比，灵敏度高，采用较低的射线剂量，具有很大的宽容度。同时也免去了暗室的洗片环节，降低环境污染。目前，从效率、成本的角度考虑，CR检测技术更适合于钢制压力管道无损检测。DR检测所使用的成像板无法弯曲，在对压力管道检测时，需要更多的曝光次数，以达到检测到整个焊接接头的目的。上述数字射线检测技术的检测结果可以实现远程分析、会诊以及大数据积累。可以为钢制压力管道的全寿命周期管理提供更加坚实的保障。3.2超声波检测法超声波检测是近年来发展最快、衍生检测方法最多的无损检测技术，以超声相控阵及TOFD检测技术为代表。目前TOFD检测方法已经具备规范和标准的支撑并得以广泛的应用。超声相控阵方法设备和技术也日渐成熟，相关规范和标准已经成形，在中石油、中石化的长输管线焊口检测中大量实际应用，未来发展潜力和市场空间巨大。作为全新的超声波检测方法，相控阵和TOFD给无损检测行业带来的影响是革命性的，其环保、高效、便捷的特点非常突出。按照现行标准与实际应用，两项新方法已经在部分条件下替代了常规射线检测，在环保要求日益严格的大环境下，相控阵和TOFD检测占据主导地位将是未来的趋势。国内的其他行业，如宇航领域、石化领域、核能以及高铁领域等这些较大型的公司，也不断的引用和学习了外国先进设备的设计理念以及检测技术，也改变着中国的超声检查仪器设备的研发理念。现如今，该项技术已经在航天、航海、特种设备、核工业和机械工程检测等众多行业中被广泛应用。超声波无损检测技术的广泛应用依赖于它拥有完整的测试工艺与方案，以满足现今的工作效率从而提升测试效果，使得超声波测试技术得以更进一步的发展。随着超声波设备扫描图像技术的成熟与进展，超声波图像测量技术因此也得以迅速发展。超声波检测技术将向几个方面发展：（1）超声波信号处理数字化；（2）超声波成像技术；（3）检测自动化；（4）诊断智能化。已开始向测量装置的智能化、超声波信息处理设备实现数字化、智能化检测、成像技术多样化等方面发展3.3金属磁记忆检测金属磁记忆检测是一种利用铁磁性材料自磁化现象进行无损检测的新型磁粉检测方法。在外应力作用下，铁磁性材料产生磁致伸缩性质的形变，必然引起材料内部磁畴壁的位移，从而改变其自发磁化的方向以增加磁弹性能，来抵消应力能的增加。而在铁磁性材料构件工作应力和地磁场的共同作用下，铁磁性材料内部所产生的晶粒转动和磁致34城市燃气2 0 2 3/0 5总第57 9 期安全生产SafetyinProduction伸缩逆效应会引起材料宏观磁特性的不连续分布。而且，在外加工作载荷应力撤除之后，由于应力集中所造成的材料在该区域宏观磁特性的不连续性得到不可逆的保留现象称为磁记忆效应，利用专门的磁性测量仪器检测该效应所产生的磁特性，借以诊断材料内部特性和应力集中部位的检测方法就是金属磁记忆检测法MMM。对管道进行MMM检测，主要是沿着管道的表面探测散射漏磁场Hp的法向分量，通过对金属残余磁特性的分析，从而揭示出管道工作应力与残余应力共同作用下的应力集中区域。其技术特点是：（1）找出管道在最大应力条件下工作时容易损伤的管段、弯管及焊口；（2）评估管道及其支架、吊架系统的实际应力应变情况；（3）确定管道腐蚀、疲劳、蠕变等正在加剧的最大应力集中区域；（4）找出导致管道卡死的部位，确定管道支撑、吊装、固定系统的异常工作情况；（5）确定管道关键的监测部位，以便观察其以后运行的情况；（6）减少管道检验工作量及检验时间，减少关更换量，使管道检验更有针对性；（7）利用典型的金属样品确定管道的实际使用寿命。3.4渗透检测新技术渗透测试技术兴起于上世纪初，它利用液体的毛细现象来测试物体表面的开放裂纹。有两种主要的使用方法：一种是荧光物质，另一种是具有绘画能力的物质。具体检测方法有荧光法和染色法。外渗液均匀地涂在试件表面后，通过毛细管作用穿透张开的裂纹。清洗后，去除残留的外渗液，并将大色差显示液涂在工件上，而裂纹内的外渗溶液在使用后会被吸收到工件表面，形成细波。荧光法应在弱光下的紫外线灯下开发，而着色法可直接开发，由此得到的模型是材料表面裂纹的分布。通常情况下，荧光法的测量灵敏度较高，适用于工业设备和工作场所等关键部件，易发生应力集中和疲劳断裂。未来渗透测试的发展方向将以荧光法为主，尤其是在钢制压力容器的裂纹测试上，应用也将越来越普遍。喷罐型测试剂的普及应用将使渗透测试工作更加便捷，也大大提高了测试效果与适应作业环境的能力。新型测试剂的研发也将会向更为绿色环保型的、可重复使用方向发展。上述，无损检测新技术都是往数字化、高效化、精细化方向发展。从某种角度来讲，对于检测人员的要求也是越来越高。而且，除了前台检测人员的现场操作、数据初步分析、数据上传外，后台数据库的数据维护、数据处理、数据积累、数据比对、数据合成、数据评估等工作更为重要。超出检验检测的思想与实践限制，把数字化无损检测数据与钢制压力管道完整性管理相互结合，更是未来钢制压力管道使用、管理的发展方向。4小结随着我国国民经济的发展和国家可持续发展战略的实施，人们越来越重视燃气管道安全。科学技术的进步将进一步推动管道检测技术的发展。在引进国外先进技术的基础上，推进先进检测设备国产化，并运用于中国燃气管道无损检测专业应用，必将使燃气管道无损检测技术得以不断创新并持续发展。参考文献1李萌.燃气管道泄漏检测技术的现状及发展 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