大型石化装备无损检测技术应用进展

石油化工行业是我国经济的重要支柱产业之一。当前,我国石油化工行业已经迈入由大变强的高质量新发展阶段,保障着粮食、能源、电力、电子信息、机械制造等众多产业链的安全稳定发展。新时期背景条件下,全球石油化工市场的变化、技术的迭代升级及环境保护要求的提高都对安全管理提出了新的挑战[1]。其中,在石油化工行业领域,设备本质安全始终是安全管理内容中最重要的内容。随着设备投用年限的延长,压力容器、压力管道、锅炉等设备可能会出现金属材料的老化、腐蚀、开裂、蠕变等一系列问题,导致设备出现泄漏、爆燃事故的概率上升。另外,在一些特殊的情况下,设备的设计制造质量缺陷在投用初期不易被发现,但随着设备服役周期的积累,隐患会不断显现。因此,若缺乏高效可靠的质量控制及保证手段,大型石油化工设备的安全将难以保障。在大型石油化工设备制造和服役质量控制过程中,无损检测技术的作用非常重要[2]。只有有效解决无损检测技术问题,探索无损检测方法,建立可靠的无损检测工艺,并科学地将无损检测技术有效应用在大型石油化工设备的“设计→制造→服役→维修→检验→评估”全寿命运行周期中,方能较好地保障设备本质安全。因此,在我国石油化工行业中,无损检测一直被视为质量控制中的核心支撑技术手段

1. 无损检测在石油化工设备中的应用

无损检测技术在石油化工设备全寿命周期中的作用如图1所示,可见,石油化工设备在设计、原材料、制造、焊接、服役、修理、检验等各个阶段皆离不开无损检测技术支撑。

1.1 设备产品设计阶段的技术保障

近些年,随着炼油以及化工工艺流程的不断迭代升级,石油化工设备产品的复杂程度也不断提升。设计单位在对大型石油化工设备 （如加氢反应器、热电联产-自备电站锅炉、超高压管式反应器等）进行结构设计时,通常都需要引入无损检测技术作为质量保障支撑。一般情况下,在对设备本体结构进行设计之初便开始采纳无损检测技术人员的意见,充分考虑关键承压部位和重要焊缝结构实施无损检测的可行性和缺陷检测灵敏度,进而为后续的制造、修理、检验、安全评估提供科学决策和产品验收的条件。因此,无损检测在石油化工设备产品设计阶段有着不可或缺的技术保障作用。

1.2 原材料、焊接、制造阶段缺陷的表征与评价

在石油化工设备原材料以及焊接工艺研发阶段,建立能够用于缺陷表征及评价的对应无损检测方法十分重要。技术层面上,在原材料制备及焊接过程中,很难确保不产生缺陷,因此,采用先进的无损检测技术对石油化工设备原材料制备及焊接制造进行质量控制是非常重要的,以标准TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第1.9条规定为例,当新材料或者新工艺需要在大型石化压力容器产品上进行推广应用时,缺陷的表征与评价是优化原材料制备与焊接制造工艺的重要手段,同时也是研究建立适用的无损检测方法和总结成熟的检测工艺的前期基础工作[4]。

1.3 设备本体结构制造与过程质量控制

大型石油化工设备产品（如压力容器、电站锅炉等）基本上都是由大量的钢板、钢管等金属材料制成,涉及原材料制备、锻件加工、钢板焊接、热处理等一系列制造工艺过程,各个环节的工序、制造过程的工艺和实施都与设备本体结构的质量有紧密关联。通过磁粉检测、渗透检测、涡流检测、超声检测、射线检测等技术,可以防止含缺陷的工件或制造质量控制不合理的工序进入下一环节,避免设备整体出现先天不足的情形；通过无损检测获取足够数据的反馈,对进入实施阶段的设备本体结构焊接工艺和锻造等过程进行更加科学地优化,避免同类的质量问题反复出现,提高一次性施工成功率,降低制造成本。因此,在当代大型石油化工设备生产制造过程当中,无损检测是一种能够实现设备制造过程质量控制的重要技术手段。

1.4 设备在役状态监控和安全评估

大型石油化工设备（如压力容器）一般有明确的安全使用规范和设计使用年限[4],一般最长设计使用年限为20 a,而通过合理使用评价可以延长其,使用年限。另外,压力管道和锅炉并无明确的设计使用寿命概念,也就意味着,使用单位在认为有必要的前提下,设备在经过有效维修和合理使用评价后,就可以具备继续投用的能力。而要实现这个目的,实施有效的无损检测是必不可少的环节,对大型石油化工设备的重要受压元件及其对接焊缝、接管角焊缝进行定期检验检测以及安全评估,可获得设备本体的结构健康安全状况。综上所述,无损检测在大型石油化工设备在役运行过程中的重要作用主要体现在以下几个方面：① 压力容器、压力管道等设备的腐蚀、重要承载的焊缝部位的检测监测；② 设备维修过程中的质量检测,如定期检验过程中对设备主要受压元件焊缝部位实施的无损检测；③ 大型石化装置中超设计使用年限设备的合理使用评价过程中的检测。可见,无损检测技术应用于大型石化设备使用全过程的各个阶段。

2. 大型石化无损检测新技术应用进展

石油化工设备参数多,工艺复杂,普遍处于高温、高压、深冷等恶劣工况下,易出现腐蚀减薄、材质劣化、环境开裂、机械损伤等一系列失效行为。因此,国内对于大型石化装置中压力容器、电站锅炉、压力管道等设备的无损检测技术的要求非常严格,以标准NB/T 47013—2015 《承压设备无损检测》为例,其内容不仅对缺陷检测灵敏度和检测准确性作出了明确规定,同时也对检测可视化和验收等级也做出了现实的要求[5]。因此,无损检测技术在石油化工领域历来备受关注,且多年来对于无损检测技术的经济投入也较大,无损检测证书挂靠新技术、新方法、新工艺、新设备及工程应用可靠性尤其受到关注。近些年来,石油化工领域的无损检测新技术有了许多新发展,主要体现在无损检测新方法探索、新设备研发、新工艺的成功应用等方面。笔者从所在团队的实际应用工作出发,对其中部分内容进行介绍。

2.1 电磁超声检测及超声导波检测

与常规的超声测厚仪不同,电磁超声检测基于电磁感应原理激发超声波[6],无需耦合剂,可以实现对于金属工件表面最大提离高度约8 mm条件下的成像检测,从而显著提升金属构件测厚的效率。工程应用案例表明[7-8],电磁超声检测技术可以良好地适用于高温、深冷等工况条件下的直接测厚,是一种检测精度优良的腐蚀检测监测技术手段。超声导波分为高频超声导波[9-10]和低频超声导波[11-12]两类,根据频率高低不同,两种导波检测技术的工程应用场景也有所区别,高频导波一次扫查距离较短,但是检测灵敏度高,分辨力较强,笔者所在团队常将其用于压力容器或大型储罐边缘板本体部位的小型局部腐蚀及裂纹检测。低频超声导波一次扫查距离可达数十米,因此在广东的大型石油化工装置中,低频超声导波主要用于管廊架上直管段部位的腐蚀抽查检测,目前,超声导波检测技术可应用于表面温度达300 ℃条件下的金属制件在役检测,而且具备壁厚减薄实时监测的功能[13],超声导波监测现场及导波检测图谱示例如图2所示,图中TC1为变形波干扰信号,EW2、EW1为弯头焊缝信号,MsS1为始波信号。

2.2 全聚焦相控阵超声检测

相控阵超声检测是一种近些年逐渐发展成熟的超声检测新技术,与常规超声A扫描检测相比,其具备更高的检测灵敏度[14],成像更为直观,对于缺陷定性定量更具优势。石油化工领域内,相控阵超声技术被认为在小径管对接焊缝检测方面比传统的射线检测具有更大的优势[15],因此,相控阵超声检测技术在广东省内的石油化工、电力、特种设备检验等领域内得到了推广应用。但是常规的相控阵检测技术在工程应用过程中也存在远距离聚焦点成像分辨力不足,对缺陷高度检测结果误差大等缺点[16],为了解决这个问题,全聚焦相控阵超声检测采用了更为优化的3D全聚焦成像等算法[17-18],大大优化了相控阵超声检测质量。该技术是近年来的工程应用研究热点技术之一,大型石油化工设备的全聚焦相控阵成像检测技术已在腐蚀减薄、焊缝质量缺陷、螺栓裂纹检测等方面有了不少应用报道[19-21]。螺栓的全聚焦相控阵超声检测现场及检测图谱如图3所示。

该检测方法是一种以数字成像板为核心部件,将X射线直接转换成数字信号的无损检测技术。检测时,当X射线穿过待检工件发生衰减后,透射的X射线光子被数字成像板吸收,得到的信号经过一系列放大与滤波处理后最终得到检测图像,从而实现射线检测的直接成像[22]。笔者所在团队近些年已将数字射线技术应用在国内大型石化、电力等行业的检测工程中,现场的实际应用案例证明,采用数字射线检测可对冷库内带120 mm厚度保冷层,规格为ϕ273 mm×12.7 mm（直径×壁厚）的管道焊缝进行有效检测[23],对图像进行滤波成像可以进一步提升图像中的缺陷分辨力。冷库管道数字射线成像检测图像如图4所示,其检测效率优于常规射线检测。

2.4 阵列涡流检测

阵列涡流检测技术是一种以常规涡流检测技术为基础发展而来的涡流检测新技术,由于采用了阵列成像技术,阵列涡流探头集成了多个检测线圈[24]。与常规涡流的单检测传感器对比,阵列涡流检测使用分时切换信号处理手段进行一次扫查即可实现单涡流传感器的多次扫查功能,且能实现二维C扫成像[25]。该项技术可对带有一定距离非导电厚度（不大于1 mm）涂层的工件进行检测,对于大型石化装置内的在役工业管道,尤其是针对不可动火及不可打磨状态下的焊缝无损检测,具有检测效率高、成像直观、可直接检测等一系列优点。阵列涡流成像检测区域及其成像结果示例如图5所示。

2.5 脉冲涡流检测

大型石油化工装置中的多数承压类设备均带有包覆层,主要有保温层及保冷层两类,厚度在30~120 mm。对于大型石化设备的在役不停机的腐蚀检测,采用常规的超声、射线等检测手段无法实施,而采用超声导波等方法需要进行局部保温拆卸,数字射线检测需要设置专用的辐射防护区。基于电磁感应原理的脉冲涡流检测技术可以实现设备有包覆层条件下的在役检测[26-27],因此该项检测技术近年来得到了广大石化及电力业主的重视及推广。笔者所在单位近年来引进了国产最新式脉冲涡流腐蚀检测设备,对国内数家大型石化厂开展了在线脉冲涡流检测降险服务,实现了在包覆层厚度80 mm条件下,ϕ273 mm×8 mm（直径×壁厚）的铁磁性高温管道弯头腐蚀检测,取得了良好的工程应用效果。带包覆层管道脉冲涡流检测现场及其检测结果如图6所示。

2.6 声波成像泄漏检测

大型石化装置在不停机状态下对于设备法兰及本体泄漏点的检测监测需求是长期存在的,采用传统的无损检测手段难以对法兰部位和设备本体的细小泄漏点进行有效检测,然而随着服役时间的增加,石化设备的泄漏问题日益突出[28]。红外热成像检测技术可对温度变化梯度大的泄漏部位进行检测,但对局部小面积型泄漏点的检测能力有限[29]。超声波检漏法是一种值得尝试的检测技术手段,笔者所在团队近年来尝试采用超声波泄漏定位原理研制的声波成像泄漏检测仪,对广东省内部分大型石化厂区进行了现场应用,并针对工业管道及压力容器在役运行状态下的接管及法兰泄漏点取得了良好的应用效果。不同位置的声波成像泄漏检测现场及其检测结果示例如图7所示。

3. 未来石化行业无损检测技术发展方向

无损检测已成为当代石油化工原材料与设备结构制造以及石化设备产品设计、服役的关键技术支撑。先进的石油化工设备设计、原材料制备、工艺开发、结构制造和产品投用后服役、合于使用评价等各环节离不开无损检测技术的支持与配套,大型石化行业的无损检测技术发展需紧紧围绕与石化设备产品研制有关的原材料开发、焊接、锻造、热处理、修理等工程的需求,方能更加科学合理地指导无损检测方法的开发、标准的制修订、检测设备的研制等一系列工作。当前,大型石化设备产品在原材料制备、设计、制造等各环节都有了较快的发展,这给无损检测的技术发展带来了诸多机遇与挑战,具体可归纳为以下几个方面。

（1）新材料、新工艺带来的缺陷表征与评价技术。新型石油化工设备原材料的研制与焊接、锻造、黏接、热处理等工艺开发,给无损检测技术带来了诸多需求与挑战,以各种新式高强度钢与复合层结构为代表的原材料制备与结构研制等工程应用,是未来大型石化行业无损检测技术重点发展的一大方向。

（2）智能自动化检测技术。智能化、自动化技术在我国已经经历几十年的发展,在零部件加工、检测、分拣各环节应用广泛。随着球罐及常压储罐等大型石油化工设备的规模化投用,高效的无损检测机器人技术已逐渐成为业内关注和发展的动向之一。

（3）面向原材料制备工艺或特殊制造过程的无损检测技术。当前国内石油化工设备产品原材料制备、焊接等工艺过程批量化、规模化程度不断提升,未来针对石化设备产品原材料制备及制造过程的无损检测与监测新技术将会得到进一步发展。

（4）无损评价技术。随着我国部分大型石化装置逐渐超过了设计使用年限,未来关于大型石化设备的缺陷检测、寿命评估技术将会受到更多关注,融合检测与安全评估的无损评价技术是未来发展的一个方向。

除上述外,面向大型石油化工设备产品的先进无损检测技术标准、先进检测装备研发等也是未来发展的重点方向。

4. 结语

（1）无损检测技术已充分融合至石油化工设备原材料制备、产品设计、焊接、制造、修理及检验的各个环节,既能够为石油化工设备产品提供有效的质量控制手段,又能够激励各生产环节工艺的改进与优化,帮助设备产品提升本质安全,因此,无损检测技术是大型石油化工设备全寿命周期不可或缺的重要技术支撑。

（2）大型石油化工设备的无损检测新技术发展十分迅速,在电磁超声及超声导波检测技术、全聚焦相控阵超声检测、数字射线成像检测、阵列涡流成像检测、带包覆层设备脉冲涡流检测、声波成像泄漏检测等方面都取得了显著的工程应用效果。

（3）将无损检测技术紧密贴合至未来石油化工行业的各个技术链发展环节中,从对应的需求空间中探索发展机遇,解决对应环节的无损检测技术问题,实现检测工艺成熟化,取得良好的工程应用效果,是未来无损检测技术在大型石油化工行业中的主要发展方向。