工業管道無損檢測和安全評價的現狀與發展趨勢

金斌戈* 趙哲明 汪蓉梅 陳 濤 陳靜相 申川川 劉延雷

（1.杭州市特種設備檢測研究院 2. 杭州市鍋爐壓力容器技術協會 3. 浙江大學 化工機械研究所）

0 前言

工業管道廣泛應用于石化、電力、環保、公用工程系統等領域，對國民經濟建設有著舉足輕重的影響作用。由于工業管道通常用于輸送具有一定壓力的易燃、易爆或具有腐蝕性等特點的氣態或液態介質，一旦管道中存在裂紋、腐蝕等缺陷，其發生泄漏或爆炸的概率將會大大提高，甚至可能引發災難性事故，對人民的生命及財產造成危害，因此工業管道的檢測與安全評價受到了相關從業人員的高度關注。我國工業管道的整體質量因管理、技術以及歷史等原因較為堪憂，常常存在著不同類型的缺陷。此外，工業管道承受的載荷也很復雜，除承受內壓外，還承受著包括自重、附件引起的附加彎矩以及環境引起的意外荷載等，因此工業管道失效案例時有發生，其檢測和安全評價工作面臨嚴峻考驗[1-2]。

工業管道大多采用現場焊接組裝，由于焊接工藝控制不嚴或現場操作不當，管道在焊接過程中往往會形成不同形式的缺陷。焊接缺陷是指焊接接頭部位在焊接過程中形成的缺陷，主要包括氣孔、夾渣、未焊透、未熔合、裂紋、凹坑、咬邊、焊瘤等。這些缺陷一方面降低了管道的實際承載能力，另一方面，管道在使用過程中還會因載荷、介質等因素萌生出更加危險的裂紋類缺陷，對管道的運行安全產生巨大的危脅。 例如，大量的老舊液氨制冷系統管道由于焊接時未開設坡口，焊縫處存在未焊透缺陷，在彎曲應力及疲勞應力的作用下，極易造成管道焊縫處泄漏或斷裂[3]。定期檢驗過程中如何精準檢測管道缺陷并評價和處理這些檢出的缺陷一直是困擾工業管道管理部門和使用單位的難題。本文在詳細論述工業管道的檢測與安全評價現狀的基礎上，給出了工業管道檢測與評價的未來發展方向。

1 工業管道檢測現狀

用于工業管道的常用無損檢測方法包括磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測及超聲檢測等。磁粉檢測和滲透檢測常用于檢測表面缺陷。對于鐵磁性材料的表面缺陷檢測，磁粉檢測具有較高的靈敏度，TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》中規定優先采用磁粉檢測；而滲透檢測對于復雜結構表面開口缺陷檢測起著重要作用。劉順勤[4]對某彎管焊縫進行質量檢測時采用了滲透檢測，曾向宏[5]對某天然氣場站內管道焊縫和三通焊縫進行了磁粉檢測，兩人均發現焊縫存在不同程度的表面裂紋，進而對裂紋進行滲透檢測時未發現開口缺陷。

射線檢測技術是利用射線的穿透性來檢查管道缺陷，主要包括射線照相法和X 射線檢測法[6]。鄒文超等[7]對某化工廠電站鍋爐內正在運行的管道開展了宏觀檢查，并對管道焊接接頭開展射線和磁粉檢測，抽查檢測未發現超標缺陷。程文虎等[8]對某天然氣長輸管道工程中5 685 道焊接接頭開展射線檢測，其中未熔合缺陷占比為0.35%。射線檢測具有對面積型缺陷的檢出率不高，試驗條件要求較高，且射線本身對人體有一定程度的傷害等缺點。因此，超聲無損檢測仍是管道焊縫質量檢測的重要手段。

超聲檢測是利用超聲波在被檢結構內部傳播時的變化情況來探測缺陷的檢測技術[10]。隨著超聲檢測裝置不斷進步，大多設備已可完成對管道缺陷的檢測與分析工作。如德國研發的720 型超聲波檢測器、德國NDT Global 公司研發的超聲檢測設備以及美國GE 公司研發的壓電腐蝕超聲檢測器相繼實現管道焊接缺陷、管道裂紋缺陷以及管道內部腐蝕缺陷的檢測[11-12]。在信號數據處理方面，Abbasi 等[13]提出了基于多掃描模式的焊縫成像數據處理方法，利用體積重建技術對檢測數據進行處理，實現了不同方位缺陷的全面檢測；在管道缺陷識別方面，Song 等[14]提出利用反褶積方法來識別管道試樣上不同形狀缺陷的超聲信號，建立了缺陷相似性函數，可對其進行分類。

隨著我國管道工業不斷發展，國內很多學者對管道焊接缺陷的超聲檢測進行了研究。基于超聲波反射法，盛沙等[15]提出了一種新型的管道三維成像方法，通過獲取回波信息和空間位置信息即可得到缺陷的形狀、大小以及空間坐標等信息；侯懷書等[16]針對管道焊縫缺陷識別困難問題，利用傅里葉變換方法對超聲檢測得到的缺陷信號進行處理實現了管道對接焊縫四種缺陷的類型識別；王向宇等[17]及肖會芳等[18]通過建立缺陷模型，利用數值仿真模擬方法分析超聲波傳播特性，進而對管道焊縫缺陷進行識別和定位。

與傳統超聲無損檢測方法相比，超聲相控陣是一項具有發展前景的新興技術。超聲波相控陣技術在信號顯示方面以不同維度和方式進行成像顯示，與傳統超聲波的單一波形顯示方式相比，其缺陷顯示方式不斷進步，可以觀察到缺陷相對焊縫的位置以及長度大小等二維形貌，如圖1 所示。

圖1 不同掃描方式觀測到的缺陷形貌

相控陣檢測技術采用多晶片組合而成的探頭陣列來進行超聲波的發射與接收，通過計算機軟件控制晶片陣列中每個晶片的延遲時間，控制脈沖發射使波束聚焦到特定的深度，并以一定的角度傳播。超聲相控陣可實現包括線性掃查、扇形掃查和動態深度聚焦等，因此在探頭不動的情況下，該方法具有更大的覆蓋范圍。相控陣超聲波檢測技術具有檢測精度高、檢測速度快、可重復性強、缺陷檢出率高、檢測成本低等優點[19]，適用于各種坡口形式焊縫檢測，逐漸成為焊縫檢測的首選技術。

2 安全評價現狀

除了進行管道缺陷檢測之外，給出含缺陷管道承壓性能的適應性評價也越來越重要。與無損檢測技術相適應，從20 世紀80 年代開始，國內外學者相繼開展了大量針對在役含缺陷壓力管道安全評定技術的研究，如英國衛生與安全管理局對荷蘭Rijnmuncl 地區工業設施進行了評價，美國ASME 協會對壓力容器的可靠性與風險進行了研究，美國核管理委員會提出了“退化管研究計劃”，日本原子能研究所的“管道可靠性實驗研究計劃”，德國Stuttgart 大學國立材料研究所的“德國壓力管道研究計劃”，我國設立了“九五”國家重點科技攻關專題“在役含缺陷壓力管道安全評定技術研究”等。并在此基礎上形成了一系列含缺陷管道安全評定標準，包括美國ASME 規范第XI 篇的 IWB-3640 及附錄C“奧氏體鋼管道缺陷評定規程及驗收準則”、IWB-3650 及附錄H“鐵素體鋼管道缺陷評定規程及驗收準則”和ASME B31G《腐蝕管道剩余強度測定手冊》，英國中央電力局的CEGB R6《含缺陷結構完整性評定》以及我國國家標準GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》等等。

上述國內外管道適用性評價體系大多是基于標準和規范給出了相應的評定方法，其具有一定的局限性。由于現有的管道評價標準及規范涉及到材料、力學、失效分析學等多方面綜合的理論知識，并且很大程度上依賴于檢驗人員的經驗水平，評定過程比較復雜，一般工程技術人員難以掌握，因此開發檢測與評價一體化的分析工具意義重大。

3 發展趨勢

超聲相控陣檢測技術是一種先進的具有發展前景的無損檢測新技術，其在管道焊縫檢測中逐步得到了廣泛應用。傳統的相控陣成像技術是對探頭角度、探頭延遲等參數進行適當設置后，通過采集對接焊縫的實時多通道高頻信號來獲得檢測數據信息，并根據這些信息實現單個通道B 掃描圖譜和多個通道疊加合成S 掃描圖譜，然而這些二維圖譜存在缺陷的反映不夠直觀、缺陷評判的干擾因素較多等問題。隨著檢測要求和標準進一步提高，為了完整和準確地呈現缺陷形態，分析缺陷特征，實現三維成像是相控陣超聲檢測技術的新要求。在超聲相控陣檢測基礎上，將超聲相控陣技術與三維可視化成像技術進行有機結合,開展針對焊接結構的超聲相控陣三維成像檢測研究，該技術能夠較好地反映出真實缺陷的長度、深度、位置、走向等信息，從而提高檢測結果的可靠性和可識別性，使檢測人員能夠對三維模型進行全方位觀測,極大地提高了檢測的效率和準確性。

在安全評價方面，通過獲得缺陷三維形貌數據并在有限元軟件二次開發的基礎上，開發參數化建模工具和自動化應力計算工具，分析預測缺陷對壓力管道服役性能的影響，自動結合行業標準和專業分析知識對含缺陷的管道進行“合于使用”安全評定，自動形成評價報告，為一線檢測的工程技術人員提供智能化評價工具，可有效提高我國在役壓力管道安全狀況和科學管理水平。

4 結語

為了保障工業管道的安全運行，在當前檢測技術與安全評價方法現已得到長足發展的背景下，無損檢測技術將逐漸過渡為無損評價技術。針對管道焊縫，將超聲相控陣技術與三維可視化成像技術有機結合，可實現焊接缺陷的全方位觀測，并有助于提高檢測效率和準確性。此外，在管道缺陷的檢測基礎上，通過缺陷模型的數字化、應力分析的自動化，將缺陷檢測與安全評價相結合，使評價方法智能化，可進一步提高我國壓力管道的安全檢測與管理水平。