LNG 超低溫管道腐蝕電磁超聲檢測技術

吳 斌 張 皓 谷 濤 贠智強 劉振東 魏 楊 韓榮鑫 王劍琨

（1.中國石化青島液化天然氣有限責任公司；2.山東省特種設備檢驗研究院集團有限公司）

液化天然氣 （Liquefied Natural Gas，LNG）主要成分是甲烷，還有少量的乙烷和丙烷，被公認為是地球上最干凈的化石能源。 LNG 在常壓下-162 ℃左右可液化，液化天然氣的體積約為氣態天然氣體積的1/625。

管道是目前在儲運、 加工LNG 過程中常用的承載方式，LNG 內部因含有一些雜質而具有一定的腐蝕性，需要對管道腐蝕情況進行檢測［1～4］。由于在LNG 接收站等場合，管道溫度可低至-160 ℃左右，給現有的腐蝕檢測帶來了困難［5］。

超聲檢測技術（UT）是一種重要的工業無損檢測技術，廣泛應用于線材、板材、管道及壓力容器等重要工業對象的生產制造、現場安裝和服役過程的質量安全檢測當中［6］。 按照超聲波的產生方式來分類， 主流的超聲檢測技術主要包括：壓電超聲技術、電磁超聲技術、空氣耦合技術和激光超聲技術［7～11］。 其中，壓電超聲技術應用最為廣泛，可以對金屬材料和非金屬材料進行檢測。 目前國內已經有大量成熟的設備在現場檢測中使用，發揮著重要的作用［12］。

超聲測厚是目前對腐蝕厚度進行測量的最常用技術，然而LNG 管道溫度低，常規壓電超聲需要使用耦合劑，屬于接觸式檢測，限制了在超低溫場合的應用。

電磁超聲技術屬于非接觸式測量，檢測過程中無需使用耦合劑，探頭與試件的距離可高達數毫米，可以避免探頭與試件的直接接觸。 目前，電磁超聲腐蝕厚度測量技術在石油化工高溫、超高溫管道得到了廣泛應用［13］，但是在超低溫在線監測領域應用還鮮有報道［14］。

此外，溫度變化會造成超聲在材料中傳播聲速的變化，需要進行溫度補償［15～17］。 然而，現在還沒有超低溫下LNG 管道材料所用的聲速表。 為此， 需要對超聲在超低溫下的聲速進行測量，形成準確的溫度補償曲線，以保證測量精確度。 筆者將從電磁超聲技術在LNG 超低溫管道腐蝕檢測上開展研究。

1 電磁超聲換能器原理

電磁超聲技術的核心設備是電磁超聲換能器（Electromagnetic acoustic transducer，EMAT）。EMAT 通常由永磁體、線圈和被測試件本身構成，如圖1a 所示為典型的體波測厚傳感器示意圖。鐵磁性材料中，EMAT 共有3 種作用機理：洛倫茲力機理、磁化力機理和磁致伸縮機理。EMAT 通過洛倫茲力機理的原理如圖1b 所示［18～20］。 當EMAT線圈中通以高頻交變電流時， 由于電磁感應作用，金屬試件表面會感應出同頻渦流。 渦流受靜磁場作用會產生洛倫茲力。 洛倫茲力帶動粒子的交變振動，這種振動以波的形式傳播即產生了超聲波。 由此可見，電磁超聲技術是一種直接在試件表面激發超聲波的技術， 試件本身就是聲源，因此使用時無需耦合劑。 這一點與壓電超聲技術先從探頭中產生超聲波，然后通過耦合劑把超聲波傳遞到試件內部有本質的區別。

圖1 電磁超聲換能器結構示意和基本原理

EMAT 接收超聲波的過程與上述過程相反。當超聲波發射至試件表面時，由于質點振動而切割磁感線，金屬表面產生感應電動勢，進而產生渦流。 而渦流產生的交變磁場被EMAT 線圈拾獲，轉換為電信號，完成超聲波的接收。

2 LNG 管道材料溫度補償曲線

LNG 管道所用的材料通常是304 不銹鋼、304L 不銹鋼，為此，筆者對這兩種材料電磁超聲聲速進行測試。

測試試件在超低溫下測試，需要使用液氮并控溫，難度較大。 據相關文獻記載，金屬材料的聲速和溫度呈現近似線性關系。 采用普通恒溫箱（通常最低-40 ℃）測試材料的溫度曲線，如果發現線性度較好， 則可以反算超低溫下的聲速；如果線性度較差，則需要在超低溫下進行測試。

先在-40～26 ℃范圍內對這兩種材料聲速進行測試，查看材料聲速曲線線性度。 若線性度不佳，將在超低溫恒溫箱中進行測試。

2.1 低溫情況下溫度-聲速曲線

分別加工了厚度6、10、12 mm 的304、304L不銹鋼試塊，采用如圖2 所示的普通恒溫箱進行測試。 測試儀器采用零聲科技ETG-200 電磁超聲測厚儀。 聲速測量采用儀器自帶的聲速校準功能，輸入材料厚度，即可反算聲速。 分別測試在26、20、10、0、-10、-20、-30、-40 ℃下的材料聲速。每一種溫度測試中，當恒溫箱溫度達到待測溫度后，保溫20 min，直至試件溫度恒定，聲速不再變化為止。 測試得到的聲速列于表1、2。

圖2 實驗室測定低溫聲速曲線實驗裝置

表1 304 不銹鋼試塊測試聲速表

表2 304L 不銹鋼試塊測試聲速表

對上述聲速進行曲線擬合，可得到對應的溫 度-聲速曲線（圖3）。

圖3 不同試塊的溫度-聲速曲線（-40～26 ℃）

根據圖3 計算得到的304 和304L 不銹鋼溫度-聲速曲線的線性度分別為0.998 4、0.998 5。在這種線性度下，-160 ℃左右的聲速依舊可能存在較大誤差， 采用這種擬合預測超低溫的聲速，預計還是會造成較大偏差。 為此，尋找了能夠實現超低溫恒溫的實驗系統。

2.2 LNG 管道材料超低溫度-聲速補償曲線

如圖4 所示，將試塊放置到液氮低溫綜合試驗箱中，分別在25、0、-50、-100、-150、-190 ℃下測量當前溫度下的聲速。 圖5 為液氮低溫綜合試驗箱及試驗箱主要參數，其測試溫度范圍可達-190～150 ℃。

圖4 超低溫下試件溫度-聲速曲線測試示意圖

圖5 液氮低溫綜合試驗箱及試驗箱主要參數

將304 不銹鋼試塊、304L 不銹鋼試塊分別放入試驗箱中，每個試塊上放置一個探頭，探頭用絕熱棉包裹。 將試驗箱分別設置到25、0、-50、-100、-150、-190 ℃，用電磁超聲測厚儀校準模式下，測量當前溫度下的聲速。 測量得到的聲速列于表3、4。

表3 304 不銹鋼試塊測試超低溫下聲速表

對表中數據用二階多項式擬合，得到擬合后的系數。 設v 對應材料聲速，T 對應當前溫度，則v=aT2+bT+c。 超低溫下304、304L 不銹鋼溫度-聲速曲線如圖6 所示，304 不銹鋼溫度-聲速曲線擬合后系數為：a=-0.001421，b=-0.8003，c=3175；304L 不銹鋼溫度-聲速曲線擬合后系數為：a=-0.001345，b=-0.7994，c=3180。

圖6 超低溫下304、304L 不銹鋼溫度-聲速曲線

表4 304L 不銹鋼試塊測試超低溫下聲速表

3 LNG管道現場測試實驗

試驗溫度的變化會對超聲聲速產生一定的影響，由于溫度條件的不同，導致溫度-聲速曲線的線性度有較大偏差，實驗選用10 mm 厚的試塊在超低溫溫度條件下，采用常規電磁超聲測厚和導入溫度補償曲線的電磁超聲測厚進行對比，所測數據列于表5。

表5 超低溫條件下試塊厚度表 mm

由此可知，超低溫條件下，常規電磁超聲測厚所得數據偏差較大，且穩定性較低，所測得的數據誤導性更大； 當電磁超聲測厚儀導入溫度-聲速補償曲線之后，在超低溫條件下所測得的數據更貼近試塊的真實厚度數據，且穩定性較高。

為了測試電磁超聲技術在現場測試中的可行性，選擇了某LNG 接收站低溫管道進行厚度測量。 被測LNG 管道為304 不銹鋼材質，表面有小于1 mm 的漆層，管道介質溫度-150 ℃。 采用零聲科技公司ETGmini-X1 電磁超聲測厚儀， 該測厚儀可以方便進行溫度補償。 使用前，先導入溫度補償曲線，選擇304 不銹鋼材質，輸入試件溫度，進行LNG 管道現場厚度測量，實驗證明，在現場能夠成功完成LNG 管道厚度的測量， 穩定性好，可以滿足現場測試需求。

4 結束語

在實驗室內超低溫環境下對標準試塊進行厚度測量，從而得到溫度-聲速曲線，實驗證明，在超低溫環境下導入溫度補償曲線后的電磁超聲測厚比普通電磁超聲測厚所測得的數據更貼近真實數據，且穩定性較高，對惡劣環境條件的適應性較強。

在實際工程應用中，LNG 管道的壁厚檢測往往受超低溫環境的影響，常規檢測方法的誤差較大， 采用溫度-聲速補償曲線的電磁超聲測厚不僅可以精確地測量真實壁厚，而且還免去了常規測厚方法在超低溫環境下耦合劑的適應性問題，克服了超低溫（-160 ℃）環境下管道壁厚無法精準檢測的難題， 基于溫度-聲速補償曲線的電磁超聲測厚技術，實現了LNG 管道腐蝕壁厚的精準測量，為現場實際檢驗提供技術支撐，對保障管道安全運行具有重要意義。