不停输全面检验技术总结.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除不停输全面检验技术总结 1概述钢铁、炼化等企业部分管道涉及到重要的生产工艺装置，不允许停产检验，或停车检验会造成巨大的经济损失。用户方往往提出，在不停输状况下实现管道的全面检验，检验管道的安全状况与隐患，确保管道安全运行。目前，检验遇到的难点问题是：（1）GC3和常温高压GC1、GC2管道的全面检验，常规技术难以实现管体100%检测，同时，检测效率不高；（2）高温高压GC1、GC2管道以及接近使用寿命的高温GC3管道，在高温条件下，难以实现剩余壁厚检测、无损检测、管道材料理化分析以及耐压试验等，常规技术根本无法使用，更谈不上提高检测效率与100%检测比例。因此，针对常规检验技术本身缺陷，中国特检院压力管道部采用国内外最新的检测技术与设备，利用国家 “十五”、重点科技攻关课题“城市埋地燃气管道及工业特殊承压设备安全保障关键技术研究”、国家“十一.五”科技支撑计划项目“生命线工程与特种设备安全保障关键技术研究与工程示范”的科研成果，解决了技术难题。实践证明，先进的检验技术能够实现管道100%检测，提高检验效率，并能有效实现不停车检验，达到停车检验的效果，获得管道的安全状况，有效消除管道运行期间的隐患，消除了检验检测技术中的短板效应。2不停输全面检验思路不停车全面检验的基本思路：根据资料审查、现场管线图的测绘，详细记录管线走向、支吊架的布置、支撑点布置、变向点、变坡点、变径点，三通、弯头、阀门、法兰、膨胀器等管件分布情况，进行管系应力计算分析，确定出承载较大的位置；应用脉冲涡流技术进行不拆保温层的高温管道剩余壁厚检测，或应用带涂层非打磨技术进行常温易燃易爆管道剩余壁厚检测，或应用导波技术和漏磁技术进行管体内外壁腐蚀检测；对局部减薄较严重点、应力计算较大的位置进行高温射线检测或高温超声无损检测；对于检验发现的超标缺陷，利用国家“十五”重点科技攻关课题“城市埋地燃气管道及工业特殊承压设备安全保障关键技术研究”的科研成果，结合超标缺陷管段的应力水平，进行安全评定或剩余强度分析，评价管道的安全可靠性。图1 不停输检验程序3关键技术3.1 管系应力计算管系应力计算管道结构不合理、管道腐蚀减薄等缺陷均会导致管道应力增加，抓住管道安全运行中的应力最大点，能有效提高工业管道检验检测的关键因素，并提高检测的针对性与目的性。管系应力计算应用国外先进的有限元软件，采用线性管单元模拟管道在自重、内压、支吊架等工况载荷下的持续应力及位移，以及计算温度作用下的二次应力和计算最大位移应力。在计算时，需根据资料审查、现场管线图的测绘，详细记录管线走向、支吊架的布置、支撑点布置、变向点、变坡点、变径点，三通、弯头、阀门、法兰、膨胀器等管件分布情况，并将上述情况输入计算机中进行相应的分析计算；同时，还需确定出不同管件结构模型以及管道热应力的分布。管系应力计算能够分析判断管道的实际应力是否满足强度要求，确定出较危险的管段，以及根据应力计算结果与检验检测结果分析失效机理。并以上述检测结论为基础，采用国家“九五”、“十五”科技攻关成果及有关标准进行必要的管体强度校核。有限元模拟的可靠性及准确性主要依赖于单元模型的建立、边界条件的设置和计算人员的能力。对于架空管道计算模拟，检验人员及计算人员应准确、详细绘制单线图，尤其是管道元件类型、支吊架等边界条件；对于埋地管道计算模拟，检验人员应检测土壤特性、地理环境等因素。管系应力计算分析的标准依据为： 1）输气管道：ASME B31.8 GB 50251 轴向应力与环向应力组合的当量应力小于管道的最小屈服强度的90% 2）输油管道：ASME B31.4 GB 50253 最大剪应力破坏理论计算的当量应力小于管道的最小屈服强度的90% 3）工业管道：ASME B31.3 GB 50316 a、持续应力小于管道材料在最高温度下的许用应力； b、计算最大位移应力小于许用的位移应力。以管系应力计算为基础的工业管道检验检测应用案例：某钢铁企业一条高压氧气管道，管道规格48010mm，管道长度1064.5米，材质STPG38钢，工作压力为3.0MPa，工作温度为常温，投入运营时间为1997年1月。检验时，首先对管道进行详细的单线图绘制，计算人员利用国外先进的应力计算分析软件，确定出应力值较大的危险点，如表1。表1 应力计算结果NODES载荷类型轴向力（N）轴向位移（mm）轴向应力（KPa）许用应力（KPa）轴向/许用（%）270持续载荷1563251.577161921117000138.39270操作温度221055.66942801949992.20280持续载荷1602761.676178516117000152.58280操作温度221055.83630911949991.591180持续载荷242310.1498026711700068.611180操作温度15055-3.61821612447330.88根据计算结果，检验人员有针对性的对危险位置进行宏观检查，节点编号280处的管体存在穿透性裂纹，裂纹位于法兰与管道连接处，开裂方向垂直管道轴线，开裂长度约200mm，缺陷外观形状见图2。图2 管系应力计算检测应力腐蚀开裂为了进一步判断裂纹缺陷性质，分析管道失效机理，对缺陷处进行了金相分析和化学成分分析，分析结果见图2。图3 晶界成分分析在管道轴向应力计算、成分分析及断口形貌分析的基础上，判定280处缺陷为应力腐蚀开裂。3.2 不停输剩余壁厚检测技术 1）脉冲涡流检测技术脉冲涡流属目前世界上先进设备，国内较少应用，目前只有中国特检院拥有。该技术可在不停输的情况下，不拆外包铁皮（含铝皮、不锈钢皮）、保温层与防腐层进行剩余壁厚测试，因此，脉冲涡流可以节省保温层的拆除恢复、管体打磨等工作，大大降低检验费用，以及减少保温层及防腐层的破坏，有效保护管道的安全运行。脉冲涡流检测的原理是当载有交变电流的检测线圈靠近金属导体时在导体中产生涡流，该涡流又影响原磁场，使得线圈的阻抗和感应电压发生变化，通过分析阻抗或感应电压的变化来获得被测导体的信息脉冲涡流检测技术属于电磁检测范围，具有无接触式检测和表面无需清理的优点相对超声、热成像检测技术，脉冲涡流检测不需要任何耦合介质；和射线法比较，它不需要放射源，不会造成环境污染。图4 脉冲涡流管体腐蚀检测2）非打磨带涂层剩余壁厚检测技术氢气、氧气以及液化石油气等易燃易爆管道按照常规的剩余壁厚检测，需要把测厚位置打磨至金属光泽，易于引起管道的爆破，给管道以及检验人员人身安全带来巨大隐患。非打磨带涂层测厚具有对带涂层的管道进行剩余厚度的直接测定的功能，在易燃易爆管道不停输的状况下实现剩余壁厚检测，即可有效降低检验风险，也可降低检验费用。常规超声波测厚是根据超声波脉冲-回波反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。非打磨带涂层剩余壁厚检测是根据超声波回波-回波反射原理，回波回波测量简单地应用了在两个相邻底面回波间的时间间隔的成熟技术，这个时间间隔代表了透过检测材料的声波的连续往返行程时间。在那些带涂层金属的情况中，这些多次回波只能发生在金属中而不是涂层中，因此任何一对回波的间隔（底面回波1到2、底面回波2到3等），只代表了已去除涂层厚度后的金属厚度，见图5。透过涂层测量要使用一个专利软件来确定在涂层中一个往返行程代表的时间间隔。该时间间隔用于计算和显示涂层厚度，并且通过从总测量值中减去该时间间隔，直接得到金属的剩余壁厚。图5 回波回波测试原理非打磨带涂层剩余壁厚检测精度为0.01mm，金属管体测量范围为2.5425.4mm，可以穿透涂层的厚度为1mm。检测时测试件涂层表面灰尘、油渍和凸起物必须清除干净，涂层与工件基体必须紧密粘结，否则会影响测量精度和结果。英国里泰公司Tritex Multigauge 5600，利用发射的超声波脉冲穿过涂层与金属并从底部在金属中反复反射，每次只有一小部分回波穿过涂层返回，两个小回波之间的时间即是声波在金属中的传播时间，从而测得金属壁厚。2007年2008年宝钢应用该项技术不停输检验了近80公里的氢气、高压氧气、煤气、中压液化石油气等易燃易爆管道，发现腐蚀减薄超标缺陷17处。3）高温剩余壁厚检测高温测厚仪工作原理同常规的测厚仪，影响高温测厚主要因素有两个：常用耦合剂在高温状态下容易蒸发，难以起到耦合作用；超声波在工件中传播速度受工件温度的影响较大，即温度愈高，传播速度愈低，高温测厚读数大于冷态测厚值。其中，高温耦合剂目前已能够批量生产，在实际应用中解决了耦合问题。因而，温度对声速的影响是解决高温测厚的关键。纵波在固体中传播的速度表达式为： 式中：为杨氏弹性模量；为材料速度； 为泊松系数。表2 普通碳钢材料的弹性模量与温度的关系温度 20100150200250300350400450500(103 MPa)192191189186183179173165150113(10-6 mm/mm )11.1511.5311.8812.2512.5612.9013.2413.5813.9314.22表3 普通碳钢材料的声速与温度的关系温度 20100150200250300350400450500(m/s)5900589558855828578757295639551452644574根据上述声速与温度的关系，在运行状态下检测对温度的影响进行修正，更真实可靠的测量剩余壁厚，有效避免误差引起的破坏事故发生。3.3导波技术导波管体腐蚀检测技术是目前先进的管体内外腐蚀状况检测方法，利用低频超声波技术，能对长距离金属管道的管体腐蚀状况进行管道全长100%检测。该技术是利用压电陶瓷超声传感器干耦合激励产生的剪切LAMB波(纵波L或者扭转波T)在管道中沿轴向传播均匀传播，如同一个环形的波扫查整个管道，遇到结构突变（如焊缝、腐蚀坑、三通等）时，其中一部分能量会反射回来，形成回波（纵波L或扭曲波F），利用传感器采集的回波信号，并利用专用软件进行信号分析，最终能够判断回波产生的原因和发生的位置，确定管道有无腐蚀。它对对金属截面金属损失变化比较敏感，能够鉴别缺陷、管道特征、焊缝、弯曲及支撑等。典型的情况所产生的轴向传输的波能传送30m，理想情况能传送180m。特别适合于石化装置管道防腐保温层下管体金属腐蚀或冲蚀。应用举例天津石化导波技术检测共发现6处严重管体腐蚀缺陷图6 G403管线导波异常信号验证图片（催化装置：变形凹坑深3mm）图7 粗油管线导波异常信号验证图片（催化装置：腐蚀坑深1.7mm）图8 P-081管线导波异常信号验证图片（焦化装置：腐蚀坑深1.1mm） 图9 01-G-1201管线导波异常信号验证图片（常减压1套：腐蚀坑深1.5mm） 图10 01-G-1202管线导波异常信号验证图片（常减压1套：腐蚀减薄2.5mm） 图11 01-G-1102管线导波异常信号验证图片（常减压1套：腐蚀减薄1.5mm）3.4漏磁技术Pipescan是一种漏磁（MFL）检测设备，用来检测管体内壁腐蚀。采用常规超声测厚的检测方法只能检测出被抽检管道局部点的腐蚀情况，检测覆盖面非常有限，无法对抽检部位的全长范围内的管体进行缺陷检测与评价，从而形成检测“盲区”。由于石化企业的特点，管道内大多为芳烃含硫易腐蚀性的介质，极易对管道内壁造成局部腐蚀坑、冲刷磨损沟槽等等，这类缺陷是“活”缺陷，减薄尺寸会不断加大，并且可能存在于管道任何位置，成为孤立腐蚀点。难于发现，因而危害性较大。漏磁检测的管道壁厚范围为：6-15mm。降低灵敏度的情况下，可检测壁厚为20mm的管道。工程应用举例：天津石化常一装置漏磁检测长度共计约70米，共发现7处局部腐蚀减薄，最大减薄处壁厚3.84mm，缺陷周围壁厚9mm；常二装置漏磁检测长度共计约117米，共发现4处局部腐蚀减薄，最大减薄处壁厚7.46mm，缺陷周围壁厚9.5mm；焦化装置共发现2处局部腐蚀减薄，最大减薄处壁厚6.00mm，缺陷周围壁厚9.0mm；催化装置检测长度约88米，共发现6处局部腐蚀减薄，最大减薄处壁厚7.74mm，缺陷周围壁厚10.0mm。 图12 漏磁检测3.5高温射线无损检测按照“在用工业管道定期检验规程”的要求，GC1、GC2级管道定期检验要进行UT或RT无损检测，但考虑到很多高温管道特殊工艺性，不能停机检测。高温射线能够实现350以下、气化介质的无损检测，检测最小缺陷长度0.5mm。采用陶瓷棉隔热，防止片子损伤，底片影像质量能够满足JBT4730-2005的要求。工程应用举例：某钢铁企业中压蒸汽管道总长约11.63公里，管道级别GC2，设计压力4.35MPa，工作温度260（红外测温汽源附近最高实际温度374），按照检规比例要求进行了高温射线无损检测，共检测出109处圆形、64处条形、2处咬边、137处未焊透等焊接缺陷，检测最小缺陷长度0.5mm。补充照片。3.6安全评定与剩余强度评估对于检验中发现的超标缺陷，当超过安全状况等级3级或用户要求时，可采用返修方法消除或安全评估，返修方法可以从根本上消除缺陷，但需要停车，会影响正常生产，造成经济损失。根据检验及评估的经验，绝大部分的超标缺陷能够通过安全评定。安全评定以现代断裂力学、弹塑性力学和可靠性理论为基础的严密而科学的评价方法，对含有腐蚀缺陷的管道是否继续使用以及如何继续使用的定量评价。安全评定是涉及安全管理、无损检测、弹塑性力学、断裂力学、材料学、失效分析学等多个学科的综合工程技术。剩余强度是在管道缺陷检测的基础上，通过严格的理论分析、试验测试和力学计算，确定管道的最大允许工作压力(MAOP)和当前工作压力的临界缺陷尺寸，为管道检验检测等级评定提供依据。 中国特种设备检测研究院具有国家质检总局授权的安全评估资质，以博士、硕士为主的评价技术团队，在完成“八五”国家重点科技攻关课题“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究（85-924-02）”和“九五”国家重点科技攻关专题“在役含缺陷压力管道安全评定关键技术研究（96-918-02-03）”的基础上，总结、继承和吸收国内外关于锅炉压力容器安全评定的理论、技术实践和经验，通过系统、综合和攻关研究后制定了国家标准GB/T19624