在役管線彎頭超聲波測厚異常原因分析及處理

摘 要：為了查明某石化公司在役管線彎頭在線超聲波測厚異常的原因，確定管線彎頭異常點部位是彎頭原材料內部原始缺陷還是管線在線運行過程中產生的腐蝕類缺陷，通過超聲波密集測厚、直探頭超聲波檢測波形分析及相控陣C掃描檢測相結合的檢測手段對存在測厚異常點部位的彎頭進行復查，結果表明，測厚出現異常點的原因是彎頭原材料內部存在夾雜物或偏析，并非腐蝕類缺陷，缺陷類型可使用相控陣檢測儀對測厚異常點進行驗證。因彎頭原材料內部存在偏析或夾雜物，會導致其力學性能有所下降，需對存在夾層或偏析缺陷的彎頭在運行期間進行定期監測。

關鍵詞：彎頭；超聲波測厚異常；夾雜物；偏析；相控陣檢測

中圖分類號：TE88

1 前言

國內很多煉化企業隨著各項管理水平的提高，長周期運行時間有了大幅的增加，較多裝置實現了3年一修，很多企業的裝置實現了4年一修、5年一修，由于煉化各裝置原料性質逐年變化、生產方案與負荷的調整、裝置的改造及新技術的應用等方面因素，會導致裝置腐蝕日益加劇。通過對裝置腐蝕現狀的分析，在裝置檢修開工后至本周期運行結束期間，為了保證裝置長周期運行，很多企業會對在役管線進行嚴格的在線測厚工作，目的是發現因腐蝕、沖刷等其他因素引起的安全隱患，防止發生安全事故[1]。某石油化工廠首次裝置檢修結束開工3個月后第一季度對公司雙脫聯合裝置重點管線彎頭進行了在線超聲波測厚，測厚發現6條管線9個彎頭中6個彎頭存在測厚減薄異常點，為了保證在用存在測厚異常點的管線能夠安全運行，對該石油化工廠存在測厚異常彎頭進行了復查，采用了超聲波密集測厚、直探頭超聲波檢測波形分析及相控陣C掃描檢測相結合的檢測手段判斷測厚異常點處缺陷的類型并對缺陷進行綜合評價，確保管線在用過程中符合法規標準和技術規范。

2 相控陣檢測技術理論簡介

2.1 技術原理

相控陣超聲探頭由一個晶片陣列組成，每一個晶片分別被獨立的脈沖激發。利用電子方式控制相控陣探頭中各獨立晶片的激發來實現超聲波發射/接收的方法叫相控陣檢測技術。相控陣檢測中儀器獨立的激發每個晶片產生各自的聲波，多個聲波因為干涉效應表現為一個新的合成聲束。合成聲束因為各個獨立聲波相位不同表現為不同的方向性。如圖1所示。

相控陣檢測技術基本原理是調整陣列換能器各陣元發射/接收的相位延遲，使得合成聲束可以達到聚焦、偏轉等效果。其核心是換能器由多個晶片組合陣列，每個晶片的激發時間可以由主機單獨控制。相控陣檢測技術實現了一個換能器可形成多種聲場，這樣，在不改變探頭位置和參數的前提下通過軟件就可形成不同角度和聚焦深度的聲束。相對于傳統超聲技術有更大的檢測范圍和更強的檢測能力，并可實現檢測過程實時成像（A、B、C、D及S視圖）。

2.2 相控陣檢測設備

選擇了奧林巴斯OMNISCAN MX-2超聲相控陣成像檢測系統進行試驗研究及檢測應用。相控陣超聲檢測設備由相控陣超聲檢測儀、軟件、相控陣超聲探頭、楔塊、掃查裝置、耦合注水裝置等組成[2]。

3 彎頭測厚異常點復查

通過研究某石油化工廠存在測厚異常點的彎頭超聲波密集測厚、直探頭超聲波檢測波形及相控陣C掃描檢測復查結果，判斷出異常點的缺陷性質及大小。通過查閱管線的設計資料、制造資料、安裝竣工資料、使用管理資料及定點測厚異常減薄點分析報告等資料，管線及彎頭的基本參數（表1），待復查管件為換熱器E-0201進口相連接管線彎頭R1。

3.1 超聲波測厚

通過在R1彎頭外彎畫出10 mm×10 mm小網格，在每個小網格上進行彎頭外彎密集測厚，經超聲波測厚發現彎頭R1實測厚度為2.53～7.31 mm，彎頭外彎實測最小厚度為2.53 mm；R1外彎具體測厚數據見表2。

3.2 超聲波探傷

為了查找出在線測厚異常點的原因，對在線測厚異常點彎頭部位進行超聲波探傷。根據《承壓設備無損檢測-第3部分：超聲檢測》（NB/T" 47013.3—2015）標準要求，選擇頻率為5 MHz、晶片大小為Φ6 mm的雙晶直探頭，使用階梯平底試塊對探頭的靈敏度進行調節，此時用于工件等厚度試塊的第一次底波調整到滿刻度的50%，再提高10 dB作為基準靈敏度。

經超聲波直探頭檢測發現在R1外彎實測最小厚度位置顯示的為第一個回波，而在后面還有一個信號更強的底波，異常點后面的回波逐漸衰減，初步判斷異常減薄為管壁存在夾雜物等缺陷。

3.3 相控陣檢測

本次檢測采用奧林巴斯OMNISCAN MX-2超聲相控陣成像檢測系統進行試驗研究及檢測應用，本次檢測使用的是柔性相控陣探頭，探頭晶片數量為64個，聚焦方式為零度線性覆蓋，聚焦深度為6.5 mm。

經相控陣檢測發現在彎頭R1外彎存在面積為294 mm×290 mm夾雜物或偏析，無缺陷部位厚度值為7.37 mm；缺陷埋藏深度為2.56～6.14 mm（圖2）；彎頭R1側彎存在面積為194 mm×116 mm夾雜物或偏析，無缺陷部位厚度值為7.78 mm；缺陷埋藏深度為3.57～5.24 mm（圖3）。

4 超聲測厚異常原因分析

超聲測厚應用了超聲波脈沖反射的原理，超聲波探頭發射脈沖至被測物體表面，脈沖到達材料分界面時，被發射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時間，就可以準確地測量出被檢材料的厚度[3]。如果被測管線材料中的缺陷達到一定尺寸且足于被脈沖波發射時，儀器就會準確地測量出缺陷在被測管線材料的厚度（深度）。而被測材料的組織不均勻、晶粒粗大、夾雜、偏析等宏觀或微觀缺陷都會改變超聲波在材料中的傳播速度、傳播方向及傳播路徑，從而使測厚示值發生變化[4-5]。

相控陣檢測可知：彎頭超聲波測厚儀測厚顯示異常值的原因正是彎頭原材料內部存在偏析或夾雜物。由于超聲波測厚儀探頭小、聲束小，幾呈線狀，聲能弱，超聲波正是碰到這些缺陷而提前反射，超聲波測厚儀讀數反映的是從測量點到缺陷部位的距離，無法測出鋼板真正的厚度值。而超聲波探傷儀由于探頭較大、聲束大、聲能較強，聲波遇到缺陷時既能測出缺陷深度，又能到達底面才反射，從而可測出鋼板的實際厚度[6]。

5 結論

（1）造成在役管線彎頭在線超聲波測厚異常點原因是彎頭原材料內部存在偏析或夾雜物。若今后對在役管線進行在線測厚時出現測厚異常情況，可使用超聲波探傷儀及相控陣檢測儀對異常測厚點部位進行復驗。

（2）由于彎頭原材料內部存在偏析或夾雜物，導致其力學性能有所下降，建議對存在夾層或偏析缺陷的彎頭在運行期間定期監測，加強日常巡檢。

參考文獻：

[1]" 邢建明，李強. 通過測厚驗證防腐方案有效性，保證裝置長周期運行[J]. 廣東化工，2018，45（11）：221-223+230.

[2]" 韋紅帥..基于相控陣檢測技術的在役成品油管道環焊縫缺陷檢測應用與分析[J]. 中國化工貿易，2020，12（8）：141-143.

[3]" 鄭暉，林樹青. 超聲檢測[M]. 2版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[4]" 董濟明，吳如慶. 鋼板中夾雜物對測厚影響的分析及處理[J]. 化工裝備技術，2010，31（1）：52-53.

[5]" 邢國強，張廣興. 壓力容器測厚值異常的原因及應對措施[J]. 金屬材料與冶金工程，2009，37（4）：54-55.

[6]" 馬偉勇，蒙理貴. 壓力容器用鋼板超聲測厚示值異常的分析及處理[J]. 中國科技信息，2005（13）：90.