奧氏體不銹鋼管道應力腐蝕開裂檢測技術對比

李運濤，胡 斌，代淮北，劉 文，萬本例

(中國特種設備檢測研究院， 北京 100029)

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奧氏體不銹鋼管道應力腐蝕開裂檢測技術對比

李運濤，胡 斌，代淮北，劉 文，萬本例

(中國特種設備檢測研究院， 北京 100029)

通過對比滲透檢測技術、X射線數字成像檢測技術和渦流陣列檢測技術對三通-管帽對接接頭試樣內、外表面檢測的檢測速度、表面開口應力腐蝕開裂檢測能力和近表面應力腐蝕開裂檢測能力，得出如何有效檢測在役奧氏體不銹鋼壓力管道應力腐蝕開裂的方法。以帶有應力腐蝕開裂的三通-管帽試件為檢測對象，采用溶劑去除型著色滲透檢測技術、X射線數字成像檢測技術和渦流陣列檢測技術進行試驗，并對試驗結果進行比較。結果表明：應力腐蝕開裂的面積型缺陷的特有屬性和數字平板探測器不能彎曲的特性，會影響X射線數字成像檢測技術對管道應力腐蝕開裂的檢測能力，但其對近表面應力腐蝕開裂或埋藏性應力腐蝕開裂的檢測能力仍優于渦流陣列檢測技術和滲透檢測技術；渦流陣列檢測技術對表面開口應力腐蝕開裂的檢測能力與滲透檢測技術相近，對近表面應力腐蝕開裂的檢測能力遠優于滲透檢測技術，檢測速度也遠快于滲透檢測技術，故可在滿足檢測條件的情況下用渦流陣列檢測技術替代滲透檢測技術。

奧氏體不銹鋼管道；應力腐蝕開裂；渦流陣列；X射線數字成像檢測；滲透檢測

應力腐蝕開裂(SCC)是在役奧氏體不銹鋼壓力管道對接接頭常見的缺陷類型[1-2]。SCC通常起源于管道內壁，然后逐漸往外壁擴展，甚至貫穿整個管壁，導致介質向外滲漏。奧氏體不銹鋼壓力管道里輸送的介質通常是有毒的、易燃易爆的、腐蝕性強的液體或氣體，因此一旦介質泄漏，后果將不堪設想。

奧氏體不銹鋼對接接頭的檢測技術還有待發展，由于奧氏體不銹鋼是非鐵磁性材料，無法使用磁粉檢測技術[3]。奧氏體不銹鋼對接接頭晶粒粗大，晶界反射的“草狀回波”容易被混淆成缺陷波，因而運用常規超聲波檢測技術受到限制；超聲檢測新技術(如超聲波衍射時差法、超聲相控陣技術和非線性超聲技術)仍處于研究階段[3-7]。滲透檢測、射線檢測是奧氏體不銹鋼對接接頭常用的檢測技術[8]。渦流檢測也可用于奧氏體不銹鋼對接接頭的檢測中[9]。根據《在用壓力管道定期檢驗規則—工業管道》規定，在壓力管道的定期檢驗中，通常采用射線檢測、滲透檢測和渦流檢測技術檢測奧氏體不銹鋼壓力管道焊接接頭。

筆者以帶有SCC的三通-管帽對接接頭試件為檢測對象，采用溶劑去除型著色滲透檢測技術(PT)、X射線數字成像檢測技術(DR)和渦流陣列檢測技術(ECA)進行檢測，并對試驗結果進行比較。結果表明：應力腐蝕開裂的面積型缺陷屬性和數字平板探測器不能彎曲的特性，都會影響X射線數字成像檢測技術對管道應力腐蝕開裂的檢測能力，但其對近表面應力腐蝕開裂或埋藏性應力腐蝕開裂的檢測能力仍高于渦流陣列檢測技術和滲透檢測技術；渦流陣列檢測技術對表面開口應力腐蝕開裂的檢測能力與滲透檢測技術相近，對近表面應力腐蝕開裂的檢測能力遠優于滲透檢測技術，檢測速度也遠大于滲透檢測技術，故可在滿足檢測條件的情況下用渦流陣列檢測技術替代滲透檢測技術。

1 試驗方法

1.1 試樣規格

某石化公司的制氫裝置空冷器入口中變氣不銹鋼管線上某三通與管帽對接接頭的管帽側熱影響區內，存在多條垂直于焊縫分布的應力腐蝕開裂。三通的主管直徑為200 mm,壁厚為8 mm,支管直徑為150 mm,壁厚為8 mm;三通的主管與管帽連接，管帽的直徑為200 mm,壁厚為8 mm，材料均為奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9[10]。

文中所用的三通-管帽試樣是含有SCC管段的一部分，該試樣對接接頭的焊接方法是手工電弧焊，焊縫寬度最大值為14 mm，錯邊最大值為2 mm，余高最大值為3.5 mm。

1.2 PT試驗方法

試驗采用溶劑去除型著色滲透檢測劑系統，包括清洗劑、滲透劑和顯像劑，其制造商為中日合資美柯達探傷器材有限公司，型號均為DPT-5。

PT是在通風設施良好的實驗室內進行的，檢測環境溫度為20 ℃。檢測部位為三通-管帽對接接頭的內、外表面。PT工序包括預清洗、滲透、溶劑去除、非水基濕法顯像、檢驗、后清洗。試樣內、外壁檢測時間均為28 min[11]。

1.3 DR試驗方法

DR系統包括X射線源、數字平板探測器和數據采集與處理系統，其外觀如圖1所示。X射線源的制造商是瑞士的COMET工業X射線公司，型號為MXR-225/21，額定電壓為225 kV。X射線數字成像系統是以色列VIDISCO公司的產品，型號為V-RX。數字平板探測器的規格為Rayzor XPro，成像面積為222 mm×222 mm，動態范圍為14 bit(16 384灰度等級)，解析度為3.5 lp·mm-1，像素間距為143 μm。

圖1 DR系統外觀

圖2 試樣的鉛字標記、像質計布置和DR檢測原理示意

由于三通-管帽試樣的曲率比較大，采用分段透照的檢測方式。在試樣的內壁三通側，沿著試件對接接頭長度方向貼上“0”、“1”、“2”、“3”和“4”鉛字標記，分隔成4個透照段，每個透照段長度約為90 mm。雙絲像質計放置于三通側0～1透照段，如圖2(a)所示。

透照方式為單壁單影，透照方向是從內壁向外壁照射，焦距大于管道直徑。如圖2(b)所示，A、B兩處為試樣上某透照段的兩個鉛字標記位置，C處為投射段的中點；擺放試樣時，應將C處對準X射線束的中心，并將此處接觸數字平板探測器表面；試樣ACB透照段各處與數字平板探測器的間距不相等，C處間距最小，越靠近A或B處，間距越大。X射線源距離數字平板探測器258 mm，焦點直徑為1 mm，X射線源的檢測管電壓設為105 kV，管電流設為2.5 mA，曝光時間為1 s，疊加降噪次數為8次[12]。

DR試驗的透照部分在具有射線防護措施的透照室內，控制部分在透照室外。每個透照段的檢測工序包括試樣放置、關閉透照室門、升電壓、信號采集、降電壓、打開透照室門等步驟，檢測時間為3 min左右，4個透照段累計12 min。

1.4 ECA試驗方法

ECA設備采用加拿大Olympus NDT公司生產的OminScan MX ECA檢測儀，包括MX主機、OMNI-M-ECA4-32渦流陣列模塊和MXE 3.0軟件，渦流陣列檢測系統外觀如圖3所示。掃查裝置包括：ECA柔性探頭、編碼器、支架和適配楔塊。ECA柔性探頭的型號為FBB-051-500-032，有32個線圈，線圈工作模式為絕對橋式，中央頻率為500 kHz，掃查覆蓋寬度為51 mm。編碼器為微型編碼器，分辨力為12 步/mm。

圖3 渦流陣列檢測系統外觀

ECA試驗在實驗室內進行，ECA的檢測頻率為500.5 kHz，探頭驅動的峰值電壓為1.0 V。掃查時，ECA柔性探頭橫跨對接接頭并與表面貼緊，掃查方向與焊縫長度方向一致。探頭平衡位置及起始位置位于上述DR的0～1透照段，靠近“0”鉛字標記、沒有SCC區域的中部；平衡后，將探頭沿著焊縫方向朝“4”標記進行掃查，掃查方向在檢測結束時有點傾斜，內、外壁的檢測時間均為2 min。

2 試驗結果

2.1 PT試驗結果

PT檢測結果如圖4所示。PT外壁檢測時，在試樣外壁管帽側共發現2條SCC的相關顯示,如圖4(a)所示；PT內壁檢測時，在試樣內壁管帽側共發現56條SCC的相關顯示，如圖4(b)所示。

圖4 PT檢測結果

圖5 DR檢測結果

2.2 DR試驗結果

DR檢測結果如圖5所示，在試樣的管帽側共發現47條SCC。其中，0～1透照段顯示5條SCC，如圖5(a)所示；1～2透照段顯示16條SCC，如圖5(b)所示；2～3透照段顯示14條SCC，如圖5(c)所示；3～4透照段顯示12條SCC，如圖5(d)所示。

2.3 ECA試驗結果 ECA的檢測結果如圖6所示。圖6(a)為ECA外壁檢測結果，共有36條SCC的相關顯示；圖6(b)為ECA內壁檢測結果，共有56條SCC的相關顯示。

圖6 ECA檢測結果

3 討論

3.1 SCC的開裂方向及分類

由圖4，6可知，外壁的檢出缺陷數量遠大于內壁；再加上圖5的檢測結果，可以推測SCC起源于內壁，然后逐步往外壁開裂。

如果采用內壁檢測方式，檢測面是試樣內表面，這些SCC均為表面開口缺陷。如果采用外壁檢測方式，檢測面是試樣外表面，完全穿透管壁的2條SCC屬于表面開口缺陷，剩余的54條SCC均為近表面缺陷或埋藏性缺陷。

3.2 DR的SCC檢測能力

SCC屬于方向性很強的面積型缺陷，如果射線透照方向與缺陷平面的夾角過大，會造成透照厚度差減小。從圖5可以看出，在鉛字標記“1”、“2”和“3”附近，裂紋的清晰度差別很大。另外，由于數字平板探測器不能彎曲，試樣的曲率大且一次透照長度也大，導致透照段各處與數字平板探測器的間距不等，見圖2(b),間距越大，幾何不清晰度越大，SCC的成像越模糊[13]。

DR試驗共檢出47條SCC(如圖5所示)，有9條SCC漏檢。漏檢原因可能是射線透照方向與缺陷平面的夾角過大、幾何不清晰度大或裂紋深度小等。管道在進行DR實際外檢測時，通常采用雙壁單影透照方式，SCC的漏檢數量會更多。

雖然DR檢測奧氏體不銹鋼管道的SCC時會漏檢一些缺陷，但對于起源于內壁，向外壁擴展的近表面SCC或埋藏性SCC，DR的檢出能力仍高于ECA和PT。

3.3 表面開口SCC的檢測能力

由圖4(b)，6(b)可知，采用內壁檢測方式時，PT檢出的表面開口SCC數量是56條，ECA檢出的表面開口SCC數量也是56條。因此，對于表面開口SCC的檢測能力，PT和ECA相近；但PT的相關顯示更清晰。

3.4 近表面SCC的檢測能力

由圖4(a)，6(a)可知，采用外壁檢測方式時，PT只能檢出2條表面開口SCC，無法檢出近表面缺陷[5]；ECA除了能夠檢出2條表面開口SCC外，還能檢出34條近表面SCC。因此，對于近表面SCC的檢測能力，ECA遠優于PT。

3.5 檢測速度

由以上分析可知， PT的工序多，用時最長，這種檢測速度會影響到定期檢驗的進度。 考慮到管道的曲率大，DR的一次透照長度不能太長，4個透射段共用時12 min；實際檢測中， DR前期準備工作(如現場輻射防護、訓機)的時間太長，通常至少需要幾個小時以上，因此DR的整體檢測速度很慢。ECA的檢測速度最快，360 mm長的對接接頭只用了2 min，且其對檢測表面質量要求不高，現場操作簡便。

3.6 ECA與PT的比較

PT和ECA都屬于表面檢測技術。通過以上分析可知，ECA的表面SCC檢測能力高于PT，因為其不僅能檢出表面開口SCC，還能檢出一定數量的近表面SCC。ECA檢測速度比PT快，能夠加快奧氏體不銹鋼壓力管道表面檢測的進度。另外，ECA沒有污染，操作簡便。因此，在滿足檢測條件的情況下，可選擇ECA替代PT。

4 結語

(1) 應力腐蝕開裂的面積型缺陷屬性和數字平板探測器不能彎曲的特性，會影響DR對管道SCC的檢測能力，但DR對于近表面SCC或埋藏性SCC的檢測能力仍高于ECA和PT。

(2) 對于表面開口SCC的檢測能力，PT和ECA相近。

(3) 對于近表面SCC的檢測能力，ECA遠優于PT。

(4) ECA的檢測速度最快。

(5) 在滿足檢測條件的情況下，可選擇ECA替代PT。

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Comparison on Technologies to Test Austenite Stainless Steel Pipe′s Stress Corrosion Cracking

LI Yun-tao, HU Bin, DAI Huai-bei, LIU Wen, WAN Ben-li

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

In order to find out the effective technologies to test stress corrosion cracking in the in-service Austenite stainless steel pressure pipe, liquid penetration testing, X-Ray digital radiophotography and eddy current array technologies were used to internally and externally test a failed tee-cap specimen. Their testing speed and detection capabilities for the surface-breaking and subsurface stress corrosion cracking were analyzed by comparison. The results show that, digital radiophotography to test the pipe's stress corrosion cracking would be influenced by the area-type attribute of stress corrosion cracking and the unbending performance of the planar digital detector, but digital radiophotography has a higher capability to detect the subsurface or buried Stress corrosion cracking as compared with eddy current array and liquid penetration testing. The eddy current array has the similar capability to test surface-breaking stress corrosion cracking with the liquid penetration testing, whereas the former has a higher capability and a larger testing speed to test subsurface stress corrosion cracking than the latter, so eddy current array can substitute liquid penetration testing in the case of the testing conditions satisfied.

Austenite stainless steel pipe;Stress corrosion cracking; Eddy current array; X-Ray digital radiophotography; Liquid penetration testing

2016-06-22

國家質檢總局科技計劃資助項目2015QK248(中國特檢院內部科研項目2015內03)

李運濤(1978-)，男，高級工程師，主要從事特種設備電磁無損檢測新技術的研究工作。

李運濤，E-mail：T8592@outlook.com。

10.11973/wsjc201611017

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0074-05