石油机械设备的无损检测技术

汪春

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

1 引言

在现代工业发展进程中，人们对石油机械设备的质量、结构安全及使用可靠性均提出了较为严格的要求。因无损检测技术具有检测灵敏度高、不破坏设备的特点，在石油机械设备检测中的应用优势较为突出。因此，探究石油机械设备的无损检测技术具有非常突出的现实意义。

2 无损检测技术的特性与发展

2.1 特性

无损检测技术具有不损伤试件本身、探伤灵敏度高、操作便捷、对试件表面光洁度无严格要求等特性，可以满足石油行业关键机械零部件、压力容器与管道达到非破坏性检测的需求[1]。

2.2 发展

无损检测技术发展经历了无损探伤、无损检测、无损评价几个阶段。在无损探伤阶段，发现缺陷是主要目的；在无损检测阶段，探测缺陷以及试件性质、状态、结构是主要目的；在无损评价阶段，探测缺陷与试件状态、性质、结构，并获取准确度更高、更加全面的试件信息（取向、形状、位置、内含物、尺寸、残余应力等）是主要目的。

3 石油机械设备无损检测技术

3.1 超声检测

超声检测主要用于石油机械设备中的裂纹、焊缝缺陷、气孔等检测，具有可靠、准确、操作便捷的特点。超声检测技术主要应用0.1～5 MHz的频率，即通过专用信号编辑软件编辑极窄单脉冲信号，经电缆、计算机插槽的接口板将信号传输到石油机械设备，进而通过超声振动在弹性介质内传播遇到界面后反射的信号，确定石油机械设备损伤情况，如裂缝位置、裂纹宽度等。

在进行石油机械设备超声检测时，需要在同一条直线上固定用于信号发射、信号接收的换能器，构成一套完整的换能器装置组。进而利用A扫描法，移动发射与接收装置，扫描探测石油机械设备的故障。同时，经计算机采集石油机械设备示波器发送、反射的信号数据，获得石油机械设备金属结构中的裂纹宽度及位置。

3.2 射线检测

射线检测技术主要用于快速检测石油机械设备故障，快速测量设备内高黏度液体、固体的料位以及分离设备、反应装置的物料停留时间。常用的射线检测技术为γ射线、中子背散射测量技术。其中，γ射线具有强度随指数规律减弱的特点，将探测器、γ射线源设置在石油机械设备两端，并测出设备内操作介质密度分布谱图。通过扫描谱图，诊断设备潜在填料塌陷、漏液等故障，并确定故障根源，为改进措施的制定提供依据。

中子背散射测量技术具有中子放射逐渐转变为慢性介质的特点，可以在石油机械设备器壁做功，吸收石油机械设备外壁热量，并根据料位明确时液体、气体或固体界面情况，发现设备堵塞等故障问题。一般中子背散射测量技术用中子源为241Am-Be，由中子源发射中子向石油机械设备界面，根据中子源活性，分析设备壁厚与界面压力，及时发现设备导管堵塞问题及原因，确保设备稳定运行。

3.3 磁粉检测

磁粉检测主要用于长度大、质量大、直径大且翻转难度大、探伤部位表面粗糙的石油机械设备疲劳应力裂纹、裂痕、重皮、冷隔、夹层等缺陷检测。根据专业石油设备现场缺陷分布规律，可以采用轭磁法检测方式与湿荧光显示方式，利用45 N及以上提升力的交流电磁轭，依据75～100 mm的间距布置磁极，检查设备全部、加厚区与焊缝、热影响区，观察表面横向缺陷，并在表面缺陷深度超出设备壁厚5%时，再进行磨削去除[2]。

磁粉检测应用介质为涂抹荧光材料的铁磁性颗粒（铁、镍、钴），铁磁质颗粒被磁化后可以产生磁感应线，在石油机械设备表面（或近表面）存在的缺陷与磁感应线成90°（或接近90°）时，磁感应线可在缺陷位置溢出，形成漏磁场。漏磁场可以吸引施加在石油机械设备周边的磁粉，形成清晰的缺陷磁痕，为石油机械设备缺陷位置、大小、形状分析提供依据。为确保磁粉检测的精确性，检测人员需要每年检测1次或多次带有电流表的磁化设备，并依据国家标准要求进行磁化设备仪表精度校验，确保磁化设备仪表读数、校准设备显示实际度数误差小于±10%。

3.4 渗透检测

渗透检测主要用于石油机械设备表面开口缺陷检测，如危及机械设备寿命与压力容器安全的焊接裂缝、应力腐蚀裂缝、疲劳裂缝、淬火裂缝、磨削裂缝等，具有检测便捷、灵敏度高、直观性好、重复性佳的优良特点[3]。在检测前，需要先利用丙酮等清洗剂清洗石油机械设备，确保石油机械设备表面无油脂、氧化皮、铁锈等污物。清洗后，停留5～10 min，确保待测石油机械设备表面干燥。同时在距离待测石油机械设备表面20～30 mm位置设置喷嘴，渗透丙酮、无水酒精等比例混合液，停留5～15 min（探伤面被渗透剂充分湿润）后，利用清洗剂（或水压小于1.5 kg/cm2的压力水）擦净待测石油机械设备表面渗透剂。充分均匀摇晃显像剂，均匀涂抹到待测石油机械设备300 mm位置，利用便携式白光灯照射设备表面，观察根焊部位是否存在纵向裂纹（中部稍宽、两端尖细的直线状显示）、根焊未焊透（焊缝根部中间一条断续或连续、宽度均匀的直线状显示）、钝边位置未熔合（根焊中间一侧出现直线状、椭圆状条形显示）等问题。检查完毕后，利用清洗剂（或水压小于1.5 kg/cm2的压力水）擦净待测石油机械设备表面显像剂，根据工艺要求处理缺陷并维护石油机械设备。

3.5 涡流检测

涡流检测技术主要用于石油机械设备缺陷评判，具有检测速度快、探伤效率高的特点。电磁感应是涡流检测的理论基础，通过将高频交变电流通入探头激励线圈内，可以在周边被测管柱内感应涡流，根据管内涡流受几何缺陷影响而引起的检测线圈阻抗、感应电压变换，可以确定具体缺陷内容。在石油机械设备检测时，可选择专业的多频涡流检测仪，经100 Hz～1MHz频率检测石油设备，在阻抗平面内获得具有缺陷信号的图形，了解缺陷信号对应的相位、幅值、波形走向，进而借助相位分析技术，区分干扰信号、缺陷信号，获得准确度较高的结果。

3.6 声发射检测

声发射检测是一种动态无损检测方法，对石油机械设备线性缺陷高度敏感，可以有效探测外加结构应力下机械设备缺陷变动，满足不停机情况下设备检测需求。石油机械设备声发射检测用仪器为32通道声发射检测仪（门槛40 dB，增益30 dB）、R15传感器、1 220 A前置放大器、静态应变测量分析仪等。在检测前，将18点布片设置在进料管道、出料管道、反应器位置，利用应变片、公共线一一对应的方式，规避应变片之间相互干扰。同时设置若干温度补偿片，补偿不同位置温度差，降低测量误差。在具体检测过程中，需要采用二次加载方法（一次升载台阶保压时间15 min，二次升载台阶保压时间10 min，加载速度0.5 MPa/min），获得更加充分的检测数据与更加可靠的检测结果，加载结束后进行各个通道标定，确保通道在加载期间无异常。最终详细记录各加载阶段的检测数据，并进行缺陷定位。

4 石油机械设备无损检测案例

4.1 案例概况

某石化高压甲铵冷凝器专用立式列管式热交换器，包括不锈钢列管、堆焊层、碳钢管板、支撑板几个部件。因设备长期运行于高温、高压、强腐蚀介质内，受介质腐蚀、疲劳应力、冲刷等多重作用，存在极大的列管管壁损伤、腐蚀、壁厚减薄风险，对设备运行安全性也造成了较大的威胁。为掌握设备缺陷的发展情况，拟利用无损检测技术对设备进行检测。

4.2 应用过程

首先，根据石油机械设备缺陷评定与调试需求，依据ASME（美国材料学会标准）有关规定，制作标准探伤样管、测厚样管。同时，根据石油换热器结构特点，结合被测设备尺寸，利用自比较式差动线圈（或外比较式线圈），制作从管内插入的专用探头，为裂纹、蚀坑等微小缺陷（或管壁厚度）检测提供依据。

其次，选择具有多频检测功能的涡流检测仪，在正式检测前，利用标准样管对仪器参数进行设定。同时，根据物流渗透深度要求，预先选择检测频率，标定样管。样管标定后，修正参数，确定最佳的相位、频率、增益参数值，便于后期根据缺陷深度对应信号相位关系，确定缺陷相对深度。

再次，根据标准规定，清洗被测石化高压甲铵冷凝器专用立式列管式热交换器，去除管内多余物质，为检测探头插入提供通畅的渠道。进而以标样管为基准，由电机驱动（或人工拉动）检测探头进入列管内，拉动速度为1 m/s，确保检测效率。在拉动探头过程中，记录各种参数、信号，完成每一根管子的全长检查，对于发现异常问题的管，则进行复查，并在复查前对标样管、仪器参数进行标定，规避检测遗漏问题。

最后，根据检查信号，分析并记录管壁裂纹、腐蚀、穿孔或管壁均匀腐蚀减薄问题。

4.3 应用效果

利用差动式自比较检测线圈检测石化高压甲铵冷凝器专用立式列管式热交换器管壁内外表面冶金缺陷、腐蚀坑洞、裂纹，可以在短时间内获得外壁缺陷信号，并得出缺陷的相对深度，检测灵敏度较高。对于管壁中环向裂纹，可以通过斜线圈（或点式探头）的应用，规避裂纹与涡流方向一致引发的难于检测问题。同时，利用混频技术（或点式旋转探头），可以抑制石化高压甲铵冷凝器专用立式列管式热交换器周边管板、支撑板环绕对检测的干扰，以及干扰信号与缺陷信号叠加引发的判别难题。最终得出，案述石化高压甲铵冷凝器专用立式列管式热交换器管子外壁出现复杂缺陷信号，利用放大器观察测定位置，可见两条极细的纵向裂纹。在这个基础上，查看金相照片，显示裂纹由外壁向内壁发展，深度达到60%。根据裂纹位置与发展，由技术人员进行及时修正，提高了热交换器安全水平。同时，利用外比较式线圈制作探头，依据1 kHz的检测频率检测每一根管子的最薄壁厚度，在计算机端自动计算全部管子的壁厚均值与年均腐蚀率，得出结果见表1。

表1 石化高压甲铵冷凝器专用立式列管式热交换器管壁厚度均值

由表1所示，石化高压甲铵冷凝器专用立式列管式热交换器管壁逐年减薄，需要采取适宜的控制措施。

5 结语

综上所述，常用的石油机械设备无损检测技术主要有超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测、声发射检测等。根据检测技术类型的差异，检测效率与效果也具有一些差异。因此，检测人员应根据石油机械设备检测需求，选择适宜的无损检测技术，并根据无损检测结果，进行石油机械设备维修、维护管理，确保石油机械设备安全稳定运行。