大型承壓設備不停機電磁無損檢測技術及應用
沈功田 胡斌
(中國特種設備檢測研究院 北京 100029)
摘要：“大型承壓設備不停機電肱無損檢測技術及應用”針對大型成套裝置長周期運行急需的不停機檢測技術這一世界性難題。在國家系列科研項目的支持下，在1 0多家單位、60多名科技人員的共同努力下，歷時1 0多年，研究揭示了大型承壓設備常用材料腐蝕和應力損傷在不同電磁激勵下的響應規(guī)律，開發(fā)了具有自主知識產權的三種電磁檢測儀器與系統(tǒng)，提出了適用于不同材料腐蝕與應力損傷的四種電磁檢測和結果評價方法，研究建立了相應的檢測技術標準體系，實現(xiàn)了帶油漆層、不拆或局部拆除保溫層等的大型承壓設備不停機檢測，解決了長期困擾政府和企業(yè)的瓶頸性技術難題。該成果獲得201 5年度國家科學技術進步二等獎，本文以該成果的“國家科學技術獎勵推薦書”為基礎，綜述了項目背景、成果及其應用情況。
關鍵詞：大型承壓設備不停機電磁檢測技術標準體系
1立項背景
承壓設備包括鍋爐、壓力容器和壓力管道，在石油、化工、電力、冶金、制藥、城市公用等行業(yè)得到廣泛應用，而大型承壓設備作為大型火電機組、大型石油和化工等成套裝置（如千萬t煉油、百萬t乙烯、百萬t煤液化等）中的核心裝備，具有高溫、高壓、深冷、大型化等特點，一旦發(fā)生爆炸事故，后果極其嚴重，因此確保其安全運行對保障能源安全和人民日常生活至關重要，以往一般采用每年停產進行檢驗維修的方式來保證承壓設備的安全。
本世紀初，隨著新興國家的經濟快速發(fā)展，全世界對能源的需求迅速增加，并導致價格大幅上漲，發(fā)達國家率先開展大型電站和石化裝置的長周期運行，并且從設計建造到運行維護都采取系統(tǒng)的安全保障措施，對承壓設備采用運行過程中定點腐蝕監(jiān)測的方法來保證其安全運行。而我國由于經濟的快速發(fā)展和汽車的爆炸性增長，對能源的需求急劇增加，發(fā)電設備和石化裝置能力嚴重不足，為了保證國家能源安全和應對國際上的競爭壓力，被動開始了大型成套裝置的長周期運行，并且面臨著設備設計和建造質量先天不足，原料來源多、成分復雜（如高硫、高酸等）和無定點腐蝕監(jiān)測技術等更加困難的挑戰(zhàn)，為了保證這些裝置的運行安全，提出了對大型承壓設備不停機檢測技術的迫切需求。
承壓設備的損傷模式包括腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材料裂化和機械損傷，其最終表現(xiàn)形式是承壓設備殼體的壁厚減薄和應力導致的材料表面開裂與內部損傷，這些因素均引起承壓設備殼體強度的下降，從而導致泄漏或爆炸失效。應力導致的材料表面開裂與內部損傷一般發(fā)生在焊縫上，內部損傷主要包括過載、過熱、疲勞、材質裂化導致的微觀或宏觀開裂。因此，實現(xiàn)大型承壓設備不停機檢測的核心問題是：如何在不停機不拆保溫層情況下，快速檢測殼體的腐蝕減薄和局部拆除保溫層帶防腐層狀態(tài)下快速檢測焊縫的表面裂紋與內部損傷。鑒于95%以上的大型承壓設備采用碳鋼和低合金鋼等鐵磁性材料制造，課題組經調研分析認為只有選擇電磁檢測方法才能滿足不拆保溫層、效率高、速度快的大型承壓設備不停機檢測要求。
大型機械和承壓設備的不停機檢測，在本世紀初就是國際上的研究熱點，英國開展了金屬材料表面裂紋的渦流檢測研究，俄羅斯提出了采用金屬磁記憶現(xiàn)象對材料中應力集中部位進行檢測的思路，荷蘭RTD公司開展了脈沖渦流檢測保溫層下腐蝕的研究，美國西南研究院開展了磁致伸縮超聲導波檢測技術的研究；為適應不停機檢測帶來的迫切需求，上世紀末，國外開始研究采用相關技術等進行檢測應用，在檢測儀器方面處于絕對壟斷地位，我國在這些方面幾乎為空白。這些研究和應用表明了電磁檢測技術在大型承壓設備不停機檢測的可行性和潛力，但仍然存在檢測機理不清、檢測方法和標準缺失、檢測儀器不成熟等嚴重問題。另外，磁記憶、電磁超聲導波和脈沖渦流檢測技術為新出現(xiàn)的無損檢測技術，在國際上也無相關檢測標準，而且這些檢測設備在我國的銷售也十分昂貴，如1臺電磁超聲導波檢測儀器售價達250～350萬元，1臺脈沖渦流檢測儀器售價達400萬元，這些情況都極大影響了上述技術在我國的推廣應用。
2總體思路
本項目針對實現(xiàn)大型承壓設備不停機檢測的核心問題，基于承壓設備主要損傷和失效模式以及廣泛使用鐵磁材料和電磁檢測具有非接觸、速度快和穿透深的特點，圍繞大型承壓設備不停機電磁檢測的若干科學技術問題，從機理、儀器、方法及標準等方面，開展了系統(tǒng)深入的研究和應用，取得了全面突破，獲得了四項標志性科研成果，其總體關系如圖1所示。
3主要成果
3,1揭示了大型承壓設備常用金屬材料腐蝕和應力損傷在不同電磁激勵下的響應規(guī)律
3.1.1建立了地磁環(huán)境下材料損傷的非線性應力分布力磁耦合模型，找到了弱交變電磁場激勵下焊縫表面裂紋信號的變化規(guī)律
應力集中、疲勞失效以及表面開裂等應力損傷是承壓設備最危險的失效模式（缺陷）。只能在停機狀態(tài)下，去除涂層并打磨焊縫后，才能用磁粉檢出表面裂紋；直到本世紀初，英國提出基于復平面渦流檢測方法，解決了帶涂層母材表面開裂的檢測問題，但對于粗糙表面的焊縫，由于不能打磨使得提離值不均勻無法檢測焊縫表面裂紋；對于疲勞失效和應力集中等早期損傷的檢測一直是個世界性的難題，上世紀末，俄羅斯提出了基于磁記憶現(xiàn)象的應力集中檢測方法，但該方法缺少理論支持，數(shù)據(jù)分析結果不唯一，一直不被工程界所接受。
針對應力損傷不停機快速檢測的弱電磁檢測機理研究中的盲區(qū)，首創(chuàng)性的采用了三維亥姆霍茲線圈等設備構造了應力、磁場、傳感器位置都精確可控的弱電磁研究環(huán)境[圖2(a)]；系統(tǒng)開展了承壓設備常用鋼的應力損傷疲勞試驗，獲得了應力損傷的磁記憶特征信號[圖2(b)]；在宏觀試驗的同時，借助磁力顯微鏡技術，獲得鐵磁性材料在應力作用下的微觀磁疇變化和宏觀磁場畸變的耦合特征；通過單元離散化處理，提出了非線性應力分布磁場畸變的計算方法，將基于線性應力分布的磁機械效應理論擴展到非線性區(qū)域，豐富完善了磁機械效應理論體系；在弱磁激勵的基礎上，引入交變電磁場激勵，獲得了鐵磁性材料表面漏磁場梯度與提離的對數(shù)放大曲線，建立了表面裂紋的提離信號復平面阻抗圖[圖2(c)]，找到了弱交變電磁場激勵下非均勻小提離的裂紋信號幅度和相位變化特征。
3.1.2建立了脈沖大電流激勵大提離下的腐蝕減薄多渦流環(huán)檢測模型
腐蝕是承壓設備最常見的損傷模式，多采用拆除包覆層后超聲檢測；帶包覆層的腐蝕檢測是國內外的一個技術難題，荷蘭嘗試用脈沖渦流在不超過150mm包覆層情況下測量出金屬損失，但該技術既沒有形成成熟的脈沖渦流檢測方法和標準，也無法解決我國特有的包覆層帶白鐵皮的穿透問題。
針對保溫層下腐蝕的檢測機理，在傳統(tǒng)渦流環(huán)模型的基礎上，從經典渦流環(huán)等效理論與系統(tǒng)理論出發(fā)，將脈沖渦流信號等效為階躍電流激勵下的高階系統(tǒng)的響應，得到了一種減薄金屬損傷的多渦流環(huán)響應模型，擴展了渦流環(huán)理論，獲得了承壓設備常用金屬材料在不同提離狀態(tài)下不同厚度的脈沖渦流信號響應規(guī)律（如圖3所示）。
3.1.3獲得了交流大電流和恒定磁場激勵下管道腐蝕缺陷的磁致伸縮導波響應規(guī)律
腐蝕占管道失效的90%，腐蝕部位的不確定使得管道檢測時間長，成本高，漏檢多，管道腐蝕的快速檢測是工業(yè)界的一個研究熱點。美國提出了電磁導波技術，初步實現(xiàn)了管道缺陷的遠距離快速檢測，但該設備需要對管道接觸部位打磨，必須停機檢測，難以滿足不停機不打磨的快速檢測要求。
針對壓力管道腐蝕的檢測需求，采用交流大電流和直流電流復合激勵，獲取材料空間磁場分布特性，闡明了基于時空變換技術的磁致伸縮導波單方向激勵和接收原理；通過求解帶保溫層管道多層結構模型和彈性動力學方程，采用傳遞矩陣法推導出帶保溫層管道的頻散方程，獲得了頻散曲線，建立了磁致伸縮導波單方向檢測模型（如圖4所示）。
3.2開發(fā)了具有自主知識產權的三種電磁檢測儀器與系統(tǒng)
3.2.1磁記憶一復平面渦流檢測一體化儀器
針對焊縫粗糙表面引起的提離干擾信號，提出了基于復平面的非均勻提離渦流信號相位幅度抑制技術，以相位為基準設置幅度，解決了粗糙表面提離信號的干擾問題，突破了焊縫粗糙表面裂紋帶涂層檢測的技術難題；確定了磁記憶信號的材料、環(huán)境場、載荷等影響因素及其作用機制，得到了應力集中和微觀損傷、表面擴展性損傷、埋藏活性宏觀損傷的磁記憶信號特征和參數(shù)，建立了金屬磁記憶檢測信號與應力損傷之間的對應關系，解決了多影響因素下應力損傷信號的提取問題，解決了鐵磁構件應力損傷檢測的工程難題。針對鋼焊縫的表面不平產生提離效應，通過設計專門適用于鋼焊縫表面裂紋檢測的十字交叉探頭[圖5(a)]，實現(xiàn)了鋼焊縫表面裂紋的檢測；設計了線圈磁阻互感探頭，解決了渦流信號與磁記憶信號的干擾問題，開發(fā)了磁記憶一復平面渦流檢測一體化儀器[圖5(b)]，實現(xiàn)了帶涂層內部應力損傷的定位和焊縫表面裂紋的快速檢測，可檢測出2mm涂層下的應力損傷和0.5mm深Smm長的焊縫裂紋。實現(xiàn)了帶涂層下應力集中區(qū)域、早期損傷的精確定位和焊縫表面裂紋的快速檢測。
3.2.2脈沖渦流檢測系統(tǒng)
針對保溫層引起的大提離效應對檢測信號的削弱，提出了一種基于檢測信號與周期延拓的純噪聲信號相差分的中值濾波算法，提高了脈沖渦流檢測信號的信噪比，達到提高脈沖渦流檢測信號信噪比的日的；針對大多數(shù)承壓設備保溫層帶鐵磁性護層引起脈沖渦流信號強度下降的問題，研究r保護層對瞬變磁場的屏蔽效應，通過將探頭下方的鐵磁性保護層磁化至飽和狀態(tài)，降低該保護層的磁導率，將磁場屏蔽影響削弱了90%，突破導磁護層塒渦流信號的屏蔽引起的信號衰減限制，實現(xiàn)了白鐵皮保護層下金屬均勻減薄的檢測，發(fā)明了基于局部磁飽和的透過向鐵皮保護層的均勻減薄脈沖渦流檢測技術（如幽6所示），實現(xiàn)了帶鐵磁性保護層的保溫層下腐蝕的檢測。研制出可實現(xiàn)保溫層下鐵磁性材料腐蝕檢測的脈沖渦流檢測系統(tǒng)(見圖7)，可透過鐵磁護層檢測200mm保溫層下 5%的腐蝕減薄。
3 2 3磁致伸縮導渡檢測系統(tǒng)
針對目前扭轉模態(tài)導渡僅能通過接觸方式激勵的小足，在深入研究非接觸式電磁導波檢測原理的基礎上，發(fā)明了利用壓力管道自身的威德曼（VViedcmann）效應和馬特兩(Matteucci)效應的非接觸式扭轉導波傳感器，突艘了管道軸向缺陷的檢測技術難題；針對非接觸磁致伸縮導渡電磁聲換能效率低的問題，研制了大功率激勵裝置，開發(fā)出鐵磁性管道電磁導被檢測系統(tǒng)（圖8）．實現(xiàn)了遠距離非接觸檢測管道3%的橫截面損失。
項目開發(fā)的三套設備在總體指標和性能上均超過國外同類設備，具體技術指標對比見表1。
3.3提出了適用于不同材料腐蝕與應力損傷的四種電磁檢測和結果評價方法
項目基于2000多臺容器和1000余條管道的檢測實踐，通過在現(xiàn)場對大量承壓設備腐蝕、應力損傷進行檢測應用研究，探明了不同工況下的影響因素及其作用機制，獲取了真實工況條件下各種腐蝕、應力損傷和影響因素的特征信號，建立了焊縫表面裂紋復平
面渦流信號、焊縫內部應力損傷磁記憶信號、不同類型保溫層下不同材料腐蝕減薄的脈沖渦流信號、不同規(guī)格管道不同腐蝕的磁致伸縮導波信號數(shù)據(jù)庫，設計開發(fā)了檢測儀器校準和檢測結果評價的系列試件，為這些技術的全面推廣應用鋪平了道路。
3.3.1應力集中和應力損傷的磁記憶評價方法
在借鑒傳統(tǒng)磁場法向分量梯度值的基礎上，通過增加異常信號磁場峰峰值、梯度離散度和環(huán)境磁場參考值等判斷參數(shù)，給出了磁記憶信號Hp的絕對值、Hp過零點、K(dllp/dx)比例系數(shù)的使用準則以及典型缺陷的信號特征、圖譜特征，形成了典型圖譜庫，國際上首次系統(tǒng)的建立了應力集中和應力損傷的磁記憶評價方法，明確了磁記憶檢測技術的適用條件。
3.3.2焊縫裂紋尺寸的復平面渦流當量化評價方法
在大量現(xiàn)場真實工件表面裂紋檢測試驗的基礎上，通過標準試樣的比對，建立了基于復平面的裂紋尺寸當量化評價方法。
3.3.3保溫層下腐蝕情況的脈沖渦流評價方法
對不同規(guī)格的承壓設備常用鋼板和管道上不同直徑、深度和數(shù)量的平底孔脈沖渦流的信號特征、衰減特性和檢測靈敏度進行系統(tǒng)研究，并對數(shù)百臺現(xiàn)場實際承壓設備檢測數(shù)據(jù)進行分析和拆除保溫層進行超聲測厚驗證，提出了實際檢測過程對腐蝕情況進行評價的方法。
3.3.4管道橫截面積損傷的磁致伸縮導波評價方法
針對壓力管道的運行特點，對不同規(guī)格的鐵磁性管道上不同直徑、深度和數(shù)量的刻槽和錐形孔反射導波信號的靈敏度、衰減特性和信號特征進行了系統(tǒng)研究，并對數(shù)十km壓力管道檢測數(shù)據(jù)進行分析和拆除保溫層進行超聲測厚驗證，提出了一種基于距離幅度衰減特性的超聲導波信號分級方法，實現(xiàn)了通過人工缺陷信號對實際缺陷產生的橫截面積損失進行評價的方法（如圖9所示）。
3.4研究建立了大型承壓設備不停機電磁無損檢測技術與標準體系
針對實現(xiàn)大型承壓設備不停機檢測的核心問題，經過系統(tǒng)開展理論研究、儀器研制、檢測方法工藝開發(fā)和現(xiàn)場工程應用，提出了采用電磁檢測技術系統(tǒng)解決大型承壓設備不停機檢測問題的技術路線：采用基于復平面的渦流檢測技術對帶防腐層設備焊縫的表面裂紋進行快速檢測，采用磁記憶檢測技術對應力導致的焊縫內部損傷進行快速掃查檢測和評價，采用脈沖渦流檢測技術對承壓設備殼體的保溫層下腐蝕減薄進行檢測，采用磁致伸縮超聲導波檢測技術對帶保溫層壓力管道的腐蝕進行快速掃查檢測。
通過實驗室檢測機理的系統(tǒng)研究和現(xiàn)場檢測工藝及方法的應用實踐，發(fā)展完善了磁記憶和復平面渦流檢測標準，在國際上首次制定了脈沖渦流和磁致伸縮導波檢測標準，填補了國際空白，形成了大型承壓設備不停機電磁無損檢測標準體系：
1) GB/T 26954-2011焊縫無損檢測 基于復平面分析的焊縫渦流檢測
2) GB/T 26641-2011無損檢測 磁記憶檢測總則
3) GB/T 12604.10-2011無損檢測術語磁記憶檢測
4) GB/T 28705-2012無損檢測 脈沖渦流檢測方法
5) GB/T 28704-2012無損檢測 磁致伸縮超聲導波檢測方法
6) ISO／DIS 20669 Non-destructive testing—Pulsed eddy current testing of ferromagneticmaterial components
本項目成果首次系統(tǒng)解決了我國大型承壓設備不停機檢測和安全評價的瓶頸性技術難題，實現(xiàn)了帶油漆層、不拆或局部拆除保溫層等工況的大型承壓設備不停機檢測，解決了長期困擾政府和企業(yè)的瓶頸性技術難題，極大的推動了承壓設備安全科學技術的進步。對我國大型電力和石化裝置的運行周期科學延長至3～6年發(fā)揮了關鍵作用。表2為國內外承壓設備不停機檢測技術的比較，我國處于世界領先水平。
4應用情況
本項目成果提出的4項檢測方法，已形成了5項國家和1項國際檢測技術標準，且已被質檢總局頒布的多項特種設備安全技術規(guī)范采納，得到全社會共享，取得了良好的社會效益。
本項目成果于2005年開始進行工程檢測應用，近十年來已在燕山石化、天津石化、鎮(zhèn)海煉化、江西銅業(yè)公司、克拉瑪依石化、河北華能發(fā)電廠等數(shù)十家企業(yè)對近百套大型發(fā)電或石化裝置多次進行了在線檢測和安全評價應用，產生了可觀的經濟效益和社會效益，深受企業(yè)歡迎。僅對13家被服務電力和石化公司進行統(tǒng)計，通過本成果的應用為他們減少停產時間帶來了26.77億元的經濟效益。同時這些成果的應用及時發(fā)現(xiàn)和排除了這些裝置上存在的安全隱患，大大提高了它們的安全狀況，產生了客觀的經濟效益。另外，本項目成果還在國防裝置、大型常壓儲罐、大型橋梁和鋼結構上得到檢測應用，僅在裝甲裝備上的應用，即產生了10億元的經濟效益。
本項目開發(fā)研制的磁記憶一復平面渦流檢測一體機、脈沖渦流檢測系統(tǒng)和電磁導波檢測系統(tǒng)，為這些技術在我國的全面推廣應用提供了硬件保障，同時打破了國外公司的技術壟斷，使其降價30%以上，為國內檢測機構大大降低了購買儀器成本，使國內檢測機構提升高端檢測能力成為可能。本項目開發(fā)出鐵磁性管道電磁導波檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了管道腐蝕非接觸的遠距離快速檢測，該系統(tǒng)最新型號的性能指標大幅超過美國儀器的技術指標，價格不到國外產品的40%；研制的可實現(xiàn)保溫層下鐵磁性材料腐蝕檢測的脈沖渦流檢測系統(tǒng)，儀器指標優(yōu)于國外同類產品，但價格僅為其50%。開發(fā)的磁記憶一復平面渦流檢測一體化儀器，實現(xiàn)了帶涂層內部應力損傷的定位和焊縫表面裂紋的快速檢測，儀器功能和指標大幅領先于國外同類設備，并實現(xiàn)了產業(yè)化，近幾年每年銷售100多臺，市場占有率超過70%。
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