又热又粗的管道难检测,现在福音来了…

无损检测NDT2018-06-19 15:10:27


在石油化工行业中,对高温管道腐蚀的无损检测至关重要。围绕管道无损检测新方法与新技术,国内学者已做了大量研究和探索,其中在磁致伸缩导波管道检测技术方面取得了较大进展,已开发出与国外高端仪器相当的专用设备,并开展了工程应用。但是,受限于现有传感器的工作方式和结构形式,国内开发的磁致伸缩导波检测设备主要针对小径(20~30mm)常温管道。现在,福音来了,北京工业大学吴斌教授的科研团队带来了的这套系统可以实现对高温管道腐蚀缺陷的有效检测!



检测系统全貌

这套先进的检测系统如图1所示,全称为MsTGW型磁致伸缩导波管道检测仪。所用传感器采用了高性能磁致伸缩铁钴合金条带,采用FFC式排线(图1b)实现低频(32kHz~128kHz)导波的激励与接收,并研制出柔性FPC式兆赫兹扭转模态导波激励线圈(图1c)。


图1 磁致伸缩超声导波管道检测系统


磁致伸缩传感器主要采用环氧胶粘贴工作方式,即传感器所用的磁致伸缩带材通过环氧树脂胶与被测管壁耦合,这种耦合方式可以实现磁致伸缩带材与被测管道间振动能量的高效传递。


机械耦合式磁致伸缩传感器

MsTGW型磁致伸缩导波管道检测仪采用的铁钴合金条带在温度不超过800℃时,均具有良好的导波激发性能。超声检测中,常采用耦合剂(如蜂蜜、环氧树脂等)改善传感器与被测材料间的声阻抗匹配,提高声波在介质层间的传递效率。由于环氧树脂固化方式难以适用于高温管道,所以该系统采用了基于柔性机械夹具和液体耦合剂的联合耦合方法,实现铁钴合金条带与管道表面的良好耦合,以将系统应用于外径大于300mm的高温管道。设计的机械夹具如图2所示。


图2 机械耦合式磁致伸缩传感器安装示意图


工程应用

对某海上石油平台的管径320mm(温度40℃)和管径200mm(温度120℃)的两条管线进行检测,如图3所示。其中安装于管径320mm的磁致伸缩传感器工作中心频率为64kHz,检测信号见图4b;安装于管径200mm的磁致伸缩传感器工作中心频率为128kHz,检测信号见图5b。依据现场测得的管线结构位置示意图(图4a和图5a),对检测信号进行分析,分析结果分别列于表1和表2。


图3 某海上平台管道检测现场


图4 针对大管径常温管线的导波检测结果


图5 针对小管径高温管线的导波检测结果


表1 大管径常温管线的检测信号分析结果


表2 小管径高温管线的检测信号分析结果


综合来看,受与机械夹持有关的特征信号影响,距离测点1米范围为检测盲区。两种频率的导波均能很好地检测出管道中特征结构(包括弯头焊缝、法兰、直管焊缝等)引起的反射回波信号。依据导波检测信号,对两条管道中各特征结构位置进行判定的相对误差小于5%。

 

图4a所示管线中采用的两处支架并未焊接至管道表面,仅具有简单支撑作用,因此导波在该处不存在明显反射信号。当导波先后经过弯头两处焊缝时,焊缝产生的反射回波存在差异,例如相比信号EW3,信号EW2表现出两个叠加回波的形式。虽然弯头焊缝信号可以通过事先标记等方式进行辨识,但上述回波出现差异的内在机理值得深入研究。

 

采用中心频率128kHz的磁致伸缩传感器对管道进行检测时,具有比中心频率为64kHz的磁致伸缩传感器更高的检测灵敏度,共检测出两处腐蚀缺陷D1和D2。由于焊接支架距离测点位置较近(约0.5m),产生的反射回波信号处于盲区内,故导致无法从检测信号中分辨出来。但当导波遇到直管焊缝W后,产生的反射信号再次遇到焊接支架时,将形成二次反射信号,见图5b中标记的W-PS信号。


结论

综上所述,基于柔性机械夹具的干耦合式磁致伸缩传感器可以对管道进行有效的导波检测。相比传统干耦合方式,获取的检测信号能量更高,信噪比更佳。

 

但是,当前针对管道导波检测信号的辨识技术研究还较少,对弯头、支架、法兰和支管等结构处的反射信号特征还不能明晰辨识。此外,二次反射信号的存在进一步增加了导波检测信号的识别难度。因此,在开展工程检测应用过程中,需要针对上述结构进行大量实验测试,以获取特征信号数据库,解决导波检测信号的智能识别问题,提升所开发仪器的检测精度。


本文部分图片来源于网络

节选自《无损检测》2016年第38卷第9期


本文作者:吴斌,北京工业大学机械工程与应用电子技术学院教授,博士研究生导师,主要从事应力波理论、无损检测新技术等方面的研究工作。


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