高频导波技术在石化设备金属腐蚀检测中的应用_孙杰.pdf

2023 年第 40 卷 第 2 期石油化工腐蚀与防护 CORROSION PROTECTION IN PETROCHEMICAL INDUSTRY监 测 与 检 测引用格式:孙杰，王磊，李绪丰 高频导波技术在石化设备金属腐蚀检测中的应用 J 石油化工腐蚀与防护，2023，40(2):35-39SUN Jie，WANG Lei，LI Xufeng Application of high-frequency guided wave technology in metal corrosion detection of petrochemical unit J Cor-rosion Protection in Petrochemical Industry，2023，40(2):35-39高频导波技术在石化设备金属腐蚀检测中的应用*孙杰，王磊，李绪丰(广东省特种设备检测研究院，广东 佛山528251)摘要:超声导波技术作为一种无损检测新技术，对储罐和管道进行金属腐蚀检测时具有快速、在线不停车的优势，目前已在国内石化领域广泛应用。采用高频导波检测技术对一台 100 000 m3的大型原油储罐及一条规格为 273 mm 8 mm 的带保温层的输油管道进行了试验研究，结果表明:对于储罐底部边缘板腐蚀缺陷的检测，高频导波检测的灵敏度较高，结果可靠，同时针对管道腐蚀缺陷的检测，采用“低频导波检测+高频导波检测+定点测厚”的腐蚀检测方案，可以非常有效地检测出管道本体存在的点蚀缺陷。关键词:金属腐蚀;石油化工;设备;无损检测;高频导波收稿日期:2022-08-04;修回日期:2022-11-24。作者简介:孙杰(1992)，硕士，工程师，主要从事承压类特种设备检验及非常规无损检测新技术应用研究工作。E-mail:1033066511 qq com*基金项目:广东省重点领域研发计划项目“基于超声导波的新型基础感知理论及测试技术研究”(2020B0404010001)超声导波技术是近些年来逐渐兴起的快速无损检测技术，可对常压储罐和压力管道进行金属本体腐蚀检测1。与常规的超声检测相比，超声导波检测具有以下几种优势:(1)在待检工件上仅需设置一处检测点，由于导波本身具有能量衰减小的传播特性，因此在一定的激励频率条件下，导波能够沿着工件传播数十米甚至上百米远2。(2)导波可以沿着整个金属本体进行传播，只要是内外表面的腐蚀减薄缺陷，就可以采用超声导波快速扫查到。(3)采用超声导波对大型石化设备进行金属本体腐蚀扫查时无需大范围拆卸保温/保冷层，因此综合检测成本大大降低。众所周知，石化装置中的常压储罐与压力管道主要用于物料储存或输送，长期处于物料承载、冲刷或电化学腐蚀的恶劣环境中，金属腐蚀失效是其常见的一种典型失效，因此，对石化装置中的常压储罐及压力管道定期开展腐蚀检测意义十分重大3。利用超声导波技术对储罐和管道进行金属腐蚀检测具有快速、在线不停车的优势。目前国内常见的超声导波检测技术主要分为两大类，一类是以检测长距离管道为主的低频导波技术4，另一类则是以检测储罐边缘板或管道、压力容器本体局部腐蚀为主的高频导波技术5。采用高频导波技术对某石化装置中的在役原油储罐及带保温层的输油管道进行金属腐蚀快速排查，并对检测结果进行分析，提出了针对缺陷的后续处理措施，证明了高频导波检测技术的有效性，以期为国内石化装置设备的金属腐蚀检测提供先进指导案例。1高频导波技术的基本原理采用高频导波技术对石化设备进行腐蚀检测时，先将检测探头安置在待检工件金属本体表面，安置完毕后再通过仪器进行加载激励，然后由压电式探头产生高频导波，一般为 Lamb 波，待高频导波经过工件返回后得到反射波即可获取工件的金属截面缺损情况6-7。高频导波在金属构件中传播的波形变化是十分复杂的，根据高频导波的运动特征，高频导波可以分为对称型(即 S 型)与非对称型(即 A 型)两大类，每种波形根据不同的相速度(CP)又可细分为若干种不同模态，如 S1，S2，A1 和 A2 等8。当工件中的高频导波发射至缺陷部位时，受到波形模态转换的影响，反射波形将会出现衰减和频散现象，利用高频导波这一特征，可对其反射波进行数值分析，从而对缺陷严重程度和具体位置进行判断9。由于在壁厚不同部位不同模态导波对于缺陷53监 测 与 检 测石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷的检测灵敏度也是不同的，因此，针对不同壁厚工件，为了获取最大的缺陷检出率，可以通过改变探头入射角度和激励频率等方式来控制所需导波模态。在实际的检测过程中，想要精准地获取所需模态往往是非常困难的，与常规超声检测一样，高频导波检测数据的精确性也是建立在大量的对比试验基础上。与当前常用的针对长距离管道本体腐蚀检测的低频导波一样，高频导波也是一种腐蚀快速扫查检测手段，只要不强调对缺陷进行精准定性及定量检测，高频导波就可在探头配置合理参数条件下直接进行检测，无需专门加工复杂的对比试样。2高频导波检测有效性分析原油储罐底板和管道高频导波检测示意见图 1。石化领域内大型常压储罐常用于储存原油以及苯和醇等化工原料，其容积往往在 5 000 m3以上。采用高频导波对储罐进行检测，其频率越高，传播能量损耗越大，故高频导波检测探头对金属本体进行一次扫查的最远距离一般仅为探头环向覆盖区域的 1 5 m，因此，在工程实践中常采用高频导波重点关注在役储罐底板边缘部位的腐蚀情况。典型的储罐底板高频导波检测信号见图2。图 1高频导波检测示意图 2储罐底板高频导波检测信号由图 2 可见，由于探头设置于底板边缘地带，导波经探头激励后，受边缘几何结构突变影响，会产生类似缺陷波的始波信号区域，因而需要重点观察底板部位的有效信号区域，若信号清晰良好，说明检测结果可接受。管道高频导波检测与低频导波检测的探头放置方式不同，高频导波检测可将探头直接放置于管道金属本体，通过探头轴向或周向运动来覆盖扫查管段即可获取管体部位的金属腐蚀情况。在实际的管道腐蚀检测中采用高频导波技术应设置适宜的激励频率和探头入射角度，并重点关注弯头、三通和异径段等复杂构件部位，因为导波作为一种应力波，当其途经这些复杂的异形构件部位时会因金属截面的剧烈变化而发生频繁的波形转换，导致回波信号中出现大量的杂波信号，使数据不易判读。典型的管道高频导波检测信号见图 3。由图3 可见，管道与储罐底板两者的检测信号特征不同，由于探头置于管体，导波激发后可沿管体两侧进行较为规则的传播，始波产生的结构回波干扰程度较小，需重点关注部位的有效信号区域清晰明显，同理也说明检测结果可接受。图 3管道高频导波检测信号3试验设备及参数选取采用 Isonic 2010 高频导波专用设备进行试验验证研究，同时为了获取适宜的检测灵敏度，根据待检工件壁厚选取合适的激励频率及探头入射角度10。导波模态与频散程度取决于合理的探头入射角度，这可以通过频散曲线方程求解获取。当高频导波传播至焊缝、弯头、三通和金属边缘等结构突变部位时会产生回波反射，出现频散现象11。回波信号中会出现大量类似缺陷的杂波信号，同时也会使导波能量衰减，降低检测灵敏度，缩减导波有效扫查距离。工程实践经验显示，为了提高检测灵敏度，应优先选取能量高、频散程度小和群速度大的波形模态12。由于石化装置中的常压储罐及在役管道规格不同，相应的检测参数也各不相同，若采用入射角相对固定的导波探头则无法满足要求。根据以往工程经验和现场检测结果制定了高频导波参数选取参照表，具体63第 2 期孙杰等 高频导波技术在石化设备金属腐蚀检测中的应用监 测 与 检 测情况见表 1。表 1高频导波参数选取参照表待检工件壁厚/mm激励频率/MHz探头入射角度/()3 1218 2656 5812 2013 1856 5820 320 8 1353 564现场试验检测结果与分析4 1钢质立式储罐边缘板某炼化企业内一台大型钢质立式原油储罐罐顶为单盘式外浮顶结构，设备材质:第 1 至第 6 层罐壁材质为 12MnNiVR;第 7 至第 9 层罐壁材质为 Q345R;底板/环形板材质为 12MnNiVR;中幅板/顶板材质为 Q235B，具体参数见表 2。2020 年10 月对该储罐进行基于风险的在线全面检验，并采用 Isonic 2010 高频导波系统对储罐边缘板进行腐蚀检测，抽查其局部腐蚀情况。在罐体外部边缘板部位依次设置检测点，每隔 5 m 设置一处检测点，共设置 16 处检测点，各点检测的最大周向和纵向长度分别为 500 mm 和650 mm，沿逆时针方向对储罐边缘板进行整圈腐蚀扫查，高频导波扫查示意及扫查结果见图 4。试验结果显示，12 号及 14 号检测点各存在 1 处腐蚀缺陷，通过数据采集后处理辨识，发现在 12 号检测点周向位置约 145 mm 处、纵向位置约 578 mm处存在1 处长约 83 mm、宽约 30 mm 的腐蚀区域;在 14 号检测点周向位置约 39 mm、纵向位置约313 mm 处存在1 处长约22 mm，宽约17 mm 的腐蚀区域。由于对储罐采用的是全面在线检验而不是开罐检验，无法对罐底板腐蚀缺陷进行定性及定量分析，因此建议根据储罐边缘板当前腐蚀抽检状况及储罐检修计划，缩短开罐检验周期。表 2原油储罐参数项目参数值公称容积/m3100 000内径/m80设计使用年限/a20环形板壁厚/mm18中幅板壁厚/mm12外保温厚度/mm50储存介质密度/(kgm3)856 900图 4储罐边缘板高频导波检测4 2带保温层的输油管道2021 年 9 月对某石化厂区内的压力管道进行腐蚀排查，由于某条输油管道敷设外保温，保温质量完好，为了减少保温层拆卸的范围，决定采用“低频导波检测+高频导波检测+定点测厚”由远至近的腐蚀检测方案。埋地输油管道规格为 273mm 8 mm，材质为 16Mn，设计压力为 0 4 MPa。在低频导波检测过程中发现埋地输油管道出地部分直管段母材部位出现疑似缺陷信号，对该直管段部位的保温层进行拆卸，拆卸的保温层长度约为15 m。采用高频导波检测手段对存在疑似缺陷的部位进行复验，以裸露直管段西侧为起始点，探头沿轴向运动至 350 mm 位置时发现距探头环向位置 274 mm 处存在 1 处长约 7 5 mm、宽约 7 0mm 的腐蚀缺陷，继续沿轴向位置扫查，扫查至670 mm 位置时发现距探头环向位置 23 1 mm 处存在1 处长约5 4 mm、宽约9 3 mm 的腐蚀缺陷，高频导波扫查示意及扫查结果见图 5。采用高频导波检测到的缺陷位置与低频导波检测结果基本一致。采用精密超声测厚系统对高频导波检测显示的缺陷部位进行壁厚及深度测量，数据显示两处存在腐蚀缺陷的部位最薄厚度分别为 4 63 mm和 3 42 mm，确认了点蚀的存在，且点蚀坑的深度均已超过管道壁厚的 30%，根据 TSG D700573监 测 与 检 测石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷2018 压力管道定期检验规则工业管道 规定，应对存在腐蚀缺陷部位的直管段进行更换处理 13。图 5输油管道高频导波检测5结论(1)大型常压储罐边缘板部位存在的腐蚀缺陷可以通过高频导波检测技术进行有效的扫查，可实现腐蚀缺陷的扫查成像，检测结果十分直观。(2)带保温层的输油管道经低频导波检测后，再经过高频导波检测及常规超声测厚复验，检测结果均具有较好的一致性，因此高频导波技术是一种针对压力管道腐蚀扫查的有效检测手段。(3)高频导波技术具有检测效率高、检测数据简单、检测结果可靠和操作简便等优势，可以实现设备的在役检测，该技术在石化设备金属腐蚀检测领域具有良好的应用前景。参考文献 1张兰 超声导波在高压蒸汽管道缺陷检测中的应用J 压力容器，2012，29(11):69ZHANG L Application of ultrasonic guided wave in defect de-tection of high pressure steam pipelineJ Pressure Vessel，2012，29(11):69 2宋高峰，王志亮，张涛