场站立式分离器下封头内腐蚀高频导波检测

杨茂森，梅 阳，杨 挺，干 兵，王平杰

（1.四川省特种设备检验研究院，四川 成都 610061；2.西藏自治区特种设备检测所，西藏 拉萨 850000）

四川省内天然气资源丰富，建设有大量的天然气开采场站，采集的天然气经过立式分离器脱水等工艺处理后汇入集输管网。天然气介质组分复杂，除大量的天然气外还含有硫化氢、二氧化碳、氯离子以及水等物质[1]。这些介质共同作用，容易对场站分离器等设备造成以电化学腐蚀、化学腐蚀等为主要机理的腐蚀破坏[2]，且以内表面局部腐蚀最为突出，危害性也最大。典型的场站立式分离器裙座与下封头结构见图1。这类设备多采用裙式支座，裙座上仅设置较小的检查孔，下部封头完全被裙座结构包围、覆盖。且筒体内径较小，一般不设置人孔[3-4]。在进行压力容器定期检验时，检验人员不能进入分离器内部采用直观的宏观检验来判断设备内部腐蚀情况，对受结构限制的下部封头，也无法采用诸如超声测厚、相控阵C扫描等壁厚检测方法进行外壁直接耦合接触检测。因此，立式分离器下部封头长期处于未检测状态，安全风险极大[5]。

图1 立式分离器裙座与下封头结构示图

高频导波，即兰姆（Lamb）波，具有传播距离远、检测范围大的优点，可对一定距离外母材进行非直接接触检测。其声场遍布检测工件的整个壁厚范围，在工件各个部位都有质点的振动，用于检测容器的内壁腐蚀效果良好[6]，目前被广泛应用于在役常压储罐底板的腐蚀检测、压力容器的内壁腐蚀缺陷检测等方面。

1 高频导波技术原理及下封头检测有效性分析

1.1 高频导波检测原理

高频导波是超声波被局限在板状边界内，声波在板上、下界面间产生多次往复反射，由纵波、横波耦合而成的一种特殊形式的应力波[7]。当导波在板中传播遇到缺陷时会发生反射、散射，波形会产生频散并有一定程度的衰减[8-9]。通过对回波信号分析，排除异型结构引起的信号外，如果始波信号之后有新的反射波包出现，即可判断检测位置存在缺陷，根据反射信号的回波大小可以判断缺陷的当量大小，根据回波的传输时间可确定缺陷的位置[10]。

1.2 高频导波频散方程

根据声波质点的振动特点，高频导波可分为对称型（S型）和反对称型（A型），每种类型又可根据不同的相速度分为若干模态，如S0、S1、S2和A0、A1、A2等。高频导波在传播过程中，在不同的板厚、不同的激发频率下会有不同的传播模式，其相速度和群速度会随着频率和板厚的变化而改变，这就是高频导波的频散和多模态特性，它可由瑞利-兰姆方程决定[11-12]。

对称模态：

反对称模态：

式（1）～式（4）中，h 为试件厚度，mm；k 为导波波矢，rad/m；ω 为圆频率，rad/s；cl、ct分别为试件中纵波和横波的波速，m/s。

高频导波的相速度与群速度可以通过下式进行计算：

式中，cq、cp分别为高频导波的群速度和相速度，m/s。

1.3 下封头导波检测有效性分析

受结构影响，立式分离器的下封头腐蚀导波检测较为复杂。下封头导波检测示意见图2。由于裙座结构的限制，下封头被完全封闭在裙座内部，导波探头无法直接耦合接触下封头外表面，只能置于靠近封头的筒体母材上，通过波的传导，导波经过筒体、筒体与封头连接焊缝、裙座与封头搭接结构及封头变径段后传播至封头区域。当遇到封头内壁腐蚀等截面变化时，波束经反射返回到探头，从而判断内壁腐蚀情况。

图2 下封头导波检测示图

由于导波是在边界内部传播的一种应力波，因此当边界位置变化、存在异型结构时，导波会沿着新的边界传播并在截面变化处反射、散射，造成频散和模态转换。图2中区域②为裙座与封头搭接焊缝的连接部位，传播中的一部分导波会沿着搭接焊缝进入到裙座中，造成封头中导波能量衰减，缺陷检测灵敏度下降。该处急剧变化的结构截面也会引起导波反射、模态转换等问题，探头回波信号成分复杂，检测时难以分析、辨认。此外，区域①中焊缝余高、区域③中椭圆形封头变径段等异型结构，也都会引起导波产生反射、散射等。

通过对现场环境以及分离器腐蚀情况的分析发现，立式分离器的腐蚀主要发生在封头下部易积液部位，即图2中区域③之后的部分。因此，只要有足够能量的导波传播至封头下部易腐蚀区域，就能保证缺陷检测的灵敏度。

下封头模拟试件高频导波图像见图3。由图3可见，导波经探头发出后会有一定宽度的始波信号，之后在裙座处产生大量的结构回波，而需重点关注的下部封头区域回波信号良好，并在排污管截面产生特征反射回波，且回波幅度较高。说明该方法能够使导波有效覆盖被裙座结构限制的封头区域，检测效果良好。现场检测时以排污管截面反射波为特征信号，探头沿筒体周向环绕一周，只需关注结构信号之后、排污管特征信号之前的区域有无异常反射信号，即可判断整个下封头的腐蚀情况。

图3 下封头模拟试件高频导波图像

2 高频导波检测参数确定

为获得良好的检测效果，必须选择合适的频厚积和导波模态[13]。而导波模态与入射角相关，因此对于特定厚度的母材，可通过瑞利-兰姆方程绘制出频散曲线，根据频散曲线确定适宜的检测频率和探头角度。

导波在缺陷或异型结构处产生反射，引起频散[14]，使接收到的回波信号成分复杂，不能准确识别和定位。同时导波能量减小，反射回波幅度降低，影响缺陷检测灵敏度。实际检测过程中一般选择频散小、群速度大、回波能量高的导波模态[15-16]。随着母材厚度增加，导波频率应逐渐减小，使频厚积保持在一定的范围内，同时减小折射角，以获得模态单一、群速度大的导波。

现场压力容器数量多、壁厚范围广，当采用固定入射角压电晶片探头检测时，无法针对每一种壁厚规格制定相应的检测参数。结合上述分析及现场试验确定的高频导波检测参数见表1。

表1 高频导波检测参数

3 人工对比试块的制作

高频导波对缺陷大小的判断是基于反射回波波幅。导波在传播时伴随着能量的衰减，大小相同、位置不同的缺陷回波幅值会不一样，通过制作不同距离的能量衰减曲线，即距离-波幅（DAC）曲线，可以消除距离对反射回波幅值的影响。通过与同一板厚下多个不同反射面积人工缺陷的反射波幅进行对比，即可大致判断距离探头不同位置处腐蚀缺陷的当量大小。

本文制作材料为Q245R，尺寸为 （长度×宽度）1 200 mm×400 mm， 板厚 t分别为 8 mm、16 mm、28 mm的3块人工对比试块，每块人工对比试块上加工 3 个深度分别为 0.2t、0.4t、0.6t，直径为 10 mm的平底孔。

人工对比试块示意图见图4，试块缺陷尺寸参数见表2。

表2 人工对比试块缺陷尺寸 mm

制作DAC曲线时，首先在人工对比试块上位置1～位置5找到0.2t平底孔的最大反射波并记录，连接各点便形成0.2t孔的DAC曲线，之后按相同方法依次制作0.4t、0.6t孔的DAC曲线。组合上述3条曲线便形成了该板厚下导波检测的DAC曲线。

4 高频导波现场检测结果及分析

采用ISONIC 2010超声检测系统对某公司天然气场站服役时间较长的多台立式分离器下封头进行了高频导波检测，发现了大量腐蚀缺陷。

壁厚20 mm的下封头导波检测图像见图5。

图5 壁厚20 mm下封头大面积腐蚀导波检测图像

从图5可以看出，始波和裙座导致的结构反射回波强度较高，结构信号之后的下封头部分有大量密集的腐蚀信号，结合DAC曲线，判断该处腐蚀深度大约为0.2倍的壁厚。由于腐蚀区域对导波的衰减，接管信号反射幅度时高时低，局部位置甚至消失。

采用图5中同一探头参数对壁厚为28 mm的下封头进行高频导波检测，得到的检测图像见图6。图6中下封头局部区域发现大面积的点腐蚀信号。

图6 壁厚28 mm下封头大面积腐蚀导波检测图像

对比图5、图6可以看出，尽管采用同一探头参数对不同壁厚的封头进行检测，但缺陷回波幅度都较高，灵敏度较好。接管截面的特征反射信号回波幅度较高，导波能量衰减小，能够有效显示。采用上述同一种探头参数均能对不同壁厚的下封头区域进行有效检测。因此，在保证检测灵敏度的情况下，对一定壁厚范围的母材采用同一种探头参数，能够极大提高现场检测效率，节约检测成本。

壁厚16 mm下封头的严重局部腐蚀导波图像见图7。图7中腐蚀分布面积较大，深色部分回波幅值很高，表明腐蚀深度较大，截面变化明显。检测区域后部未见接管截面特征反射信号，表明导波在经过腐蚀区域严重的截面变化后，导波反射、散射严重，能量衰减剧烈，检测灵敏度降低。实际检测过程中应重点关注接管特征反射信号，保证检测灵敏度要求。

图7 壁厚16 mm下封头严重腐蚀导波检测图像

当探头沿筒体周向进行扫查时，配合使用探头编码器可以得到缺陷在探头移动方向上的具体位置以及周向的尺寸参数。结合始波、缺陷波、接管反射波这3个特征信号的相对位置，并通过计算导波群速度与缺陷反射波传播时间的乘积，可以得到缺陷在导波传播方向上的位置，从而实现对缺陷定位和尺寸参数的测量。

5 结语

通过分析立式裙式支座分离器下封头的结构特点，确立了高频导波检测方法及其检测参数。通过制作人工对比试块得到DAC曲线，可大致确定腐蚀缺陷的当量大小。现场检测结果表明，利用高频导波技术非直接耦合接触检测的特点，可以对裙座结构的立式分离器下封头区域腐蚀进行有效检测，效果较好，能够满足现场检测对缺陷定位和定量的要求。