在用压力管道裂纹检验中无损检测技术分析

强敏娜，张 良，王永乐，程 鹏

（1.陕西省石化压力容器检验站，陕西 西安 710003）

（2.中国兵器工业集团引信研究院有限公司，陕西 西安 710065）

1 压力管道裂纹

压力管道作为石油和天然气等介质储存和运输的主要载体，在国家工业化发展过程中具有重要地位。压力管道运输被认为是继公路、铁路、航空、船舶之后出现的第五种大宗原料的重要运输方式。作为目前世界上管道建成里程最长的国家，美国已经将油气管道建设视为一项重要的能源工程[1]。中国同样将发展油气管网当作一项重要的基础设施工程，将其看作是链接油气运输上下游的重要纽带[2]，并大力发展一系列关乎民生的重大项目，例如：“西气东输”工程、中缅油气管道、中俄天然气项目等多条油气管线。

压力管道裂纹，是指压力管道长期处于复杂环境条件下，由于金属应力及经年累月的化学腐蚀，而在其表面产生横向、纵向的纹形裂痕。就裂痕产生的位置不同，可以将管道裂痕划分为内腐蚀和外腐蚀；就管道裂痕产生的原因而言，管道裂痕又可以分为化学腐蚀、电偶腐蚀和生物腐蚀[3]，这其中以化学腐蚀最为常见。

压力管道裂纹的危害，通常会改变管道金属的力学性质，具体包括强度、韧性、可塑性及稳定性等。根据《石油天然气管道安全监督和管理暂行规定》，管道在运行状态下需要每个月至少检测一次，而在停产检修状态下需要按照规定的检测周期进行全面的检测方可再次投入使用[4]。如果管道裂纹不能及时被发现并得到有效处理，裂纹很有可能在油气管道内部压力作用下继续扩大，严重的会造成管道断裂，甚至发生爆炸。因此，要开展对压力管道进行无损检测技术的研究，保证金属压力管道的安全高效运行。

2 压力管道的无损检测技术

无损检测，简称NDT，是指在不影响检测对象内部组织、不破坏检测对象使用性能的前提下，采用物理或化学的手段来探测待检测材料的生、光、电、磁等信号的变化，并根据所收集到的信号对检测材料是否存在缺陷，以及缺陷的大小、种类、数量、位置及分布情况做出定性和定量判断的综合分析测试手段。无损检验的本质是振动的波再金属介质和非金属介质表面传播时会出现不同的特征，在金属表面主要发生博得传递和穿透性，而在非金属表面会发生折射和波的吸收现象，这也是无损检测区别与其他表面裂纹检测方法的最大不同。

无损检测方法的特点：非破坏性。即无损检测过程不会损害压力管道；互容性。无论在相同的压力管道采用不同检测方法，或者相同的检测手段分别测量同种管道的不同部分，都能得到管道裂纹的结论；动态性。无损检测可以检测管道裂纹的结果，又能对管道尚未正式形成裂纹的薄弱环节做出持续性的预判；广泛性。无损检测技术目前在石化、电力、冶金、船舶等行业都有广泛的应用。

3 压力管道裂纹的常见无损检验方法

3.1 管道超声波检测方法

超声波检测的过程是利用超声波换能器将交流电震荡信号变成机械波振动，引导超声波在材料内部传播，当遇到缺陷时会形成波的反射，同时穿透能量会出现递减，反射的波被信号处理器接后又能将机械波振动转化成交流电的震荡信号，通过对比超声波的波形变化判断管件是否存在异常。通常，由脉冲波的波形是否均匀可以判断管件对接接头是否存在裂纹，通过异常反射的回波位置可以确定缺陷的位置，通过异常波动的振幅大小可以判断管件对接接头内缺口的当量大小。

根据超声波的来源不同，出现了两种管道用超声传感器，即压电超声和电磁超声。前者采用压电晶体提供超声波，后者采用电磁耦合的机理触发超声波，产生超声波以后在材料内部进行波的反射、折射和衰减等变化[5]，从而判断压力管道对接接头内部是否存在裂纹。压电超声的传感器的探头，根据其形状不同，可分为直形探头、斜形探头和梳状探头。它们之间的区别是，直形探头由于能够在一种激发频率产生两种以上的模态；斜探头在单一频率下产生一种波的模态，但是可以更容易控制由于波的反射、干涉及衍射形成的复杂导波的模态；梳状探头采用固定间隔排列，一般能控制导波的波长、相速度和触发频率值相同，得到相对更加稳定的轴对称的波的模态。电磁超声主要利用了电流的磁效应和洛伦磁力原理，实现了电磁与力的可逆转化，因此电磁传感器也可以用来接收回波信号[6]。相较于压电超声技术，电磁超声技术最大的优势是，避免了压电超声检测器上的耦合剂干扰声波信号问题。就应用场景而言，压电超声探头主要用在输送流体介质的管道；对于气体介质输送，需要先考虑压电介质的探头耦合剂是否会产生杂波干扰，然后再应用于气体管道检测。这也是近些年来，国内外大力研究开发基于电磁超声原理的压力管道超声波检测方法。

总体而言，超声检测技术的优点是超声穿透力强、设备简单、操作安全等。当前超声检测的不足也很明显，超声检测信号易受干扰，存在检测盲区，对于含有晶体材料的管件检测效果不佳。

3.2 管道漏磁内检测方法

管道漏磁内检法的原理[7]，利用磁源将待测金属管件磁化，达到均匀的磁饱和状态，而管道存在缺陷处会发生磁泄露，此处的磁感线从空气中溢出再折回，对原来的磁感线分布形成扰动，将采集的磁信号经过变换转化，就能够实现管道无损检测的一种方法。

管道漏磁技术包括漏磁检测原理、漏磁检测设备设计与优化、漏磁信号处理和漏磁模型解析。漏磁检测的理论依据是磁偶极子模型和数理分析方法。磁偶极子模型包含了点、线、面的偶极子，虽然与实验数据吻合度较好，但是缺乏对磁荷分布的复杂性和铁磁材料的非线性问题的解析。黄筱名等建立基于典型的锥形、球形和矩形的凹凸形状，建立缺陷漏磁检验三维数学模型，揭示了凹凸缺陷与三维漏磁的磁分布之间的联系。有限元分析模型是一种典型的针对复杂漏磁情况的数学分析方法。按照漏磁检测的过程，可将有限元分析模型分为静态型和动态型两种，其中静态型用于一般的压力管道测漏磁并求出磁场的解；动态型引入了检测速度，能够提供压力管道漏磁的瞬时分析。

就漏磁检测设备而言，目前开放应用比较成熟的有两种。一种是GE PII 公司主导研制的三轴实时管道侧漏检测装置，该装置需要利用油气管道的压力驱动前进，可检测管道的管径区间为76 mm～1 422 mm，探测的壁厚大于5%，行进速度0 m/s～5 m/s，测绘精度达到-1.5 m～+1.5 m（3 km AGMs），最长工作里程高达800 km，具有高精度、高速度、可操作性强的特点。另一种是Pipetel 公司研制的能在管道内双向移动漏磁检测装置，由于采用独立机器人牵引漏磁检测设备，具备较好的灵活性。

管道漏磁检测技术具有操作简单、检测效率高、不需要耦合剂等优点。其缺点也很明显：对管道裂纹的深度的量化诊断不准确，只能适用于铁磁性材料也存在一定的局限性。在实际操作过程中，通常存在管道漏磁检测的精度降低，可能的原因包括：磁场化参数取值、磁涡流效应等，这也对检测人员的知识储备和业务能力提出了更高的要求。

3.3 管道内脉冲涡流检测方法

管道内脉冲涡流检测法的原理，将涡流探头缓慢接近待测材料，产生的感应涡流与原涡流重叠，并以电信号的形式在显示器上呈现涡流信号的强度变化，以此判断材料表面的缺陷和对管道壁变薄程度的依据。与漏磁技术类似，管道涡流检测技术的理论基础也是利用麦克斯韦方程对电磁信号进行解析，脉冲涡流检测的模型主要是涡流解析模型和有限元分析模型。压力管道涡流检测方法则是围绕磁电流在管道内的电导率和渗透率的分布形式展开研究，同时将图像处理技术、神经网络理论与电磁感应数据结合研究的方法，也逐渐被重视起来。对于不同形式的电磁波，在涡流检测中的应用也不尽相同。采用谐波为发射源的涡流技术主要用作管道近表面的检测，采用方波形式为发射源的涡流技术主要用于检测压力管件内部。

常规脉冲涡流检测技术不能用于较厚的管道，因为涡流的穿透能力有限，采用低频率的脉冲远程涡流可以有效地解决上述问题。总体而言，脉冲涡流检测技术存在近表面检测灵敏度高、自动化程度高、不采用耦合剂等优点，其缺点是单独依靠涡流检测不能有效区分缺陷种类和形状，对高压管件的缺陷检测效率有待提高。

4 结语

压力管道在我国大宗物料输送中占有重要地位，长期与高温、高压、易腐蚀性介质接触，极易造成管道裂纹以及输送介质泄露。本文从介绍压力管道裂纹的概念和其危害入手，详细介绍了无损检测的概念、原理和特点。详细介绍了三种常见的压力管道检测技术，分别是管道超声检测法、管道漏磁内检测法和管道内脉冲涡流检测法，从检测原理、检测设备、场景应用和技术优缺点的角度分别作了论述。因此，必须牢固树立安全生产意识，科学制定压力管道应检巡检方案，采取无损检测手段，落实压力管道缺陷管理工作，为我国管道安全运输事业保驾护航。