苯酚管道数字射线在线检测试验研究

2024-03-15段志祥韩红伟胡杭健代淮北

化工装备技术 2024年1期

郝刚* 段志祥韩红伟胡杭健代淮北

（中国特种设备检测研究院）

0 引言

苯酚是一种弱酸，又名石炭酸，常温下为一种白色晶体，具有毒性，密度为1.071 g/cm3。苯酚有腐蚀性，易溶于有机溶剂，当温度高于65.3 ℃时，可以溶于水。苯酚是重要的有机化工原料，在众多工业领域被广泛应用[1]。

苯酚管道在苯酚丙酮装置和双酚 A(BPA)装置等化工装置中必不可少，且数量众多，苯酚管道等级按压力和温度不同可以划分为GC1 和GC2，需要按照TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则——工业管道》的规定进行定期检验。苯酚管道的材质一般选用奥氏体不锈钢，苯酚腐蚀性强，具有致癌性，苯酚管道全部排空困难，检测周期长，成本高。苯酚管道带液进行检测，能缩短检验周期，降低成本，给企业带来更大的经济效益。不锈钢的晶粒粗大，管道壁厚薄，超声波检测的效果不佳，采用射线检测是一种较好的选择。

数字成像检测技术与传统射线胶片照相的原理相同，不同点主要在于接收器件和显示方式。相比于传统的胶片照相，其图像对比度、信噪比高，厚度、宽容度和动态范围大[3]，数字射线检测（DR）在相同条件下需要的射线能量小，透照时间短，厚度宽容度和动态范围更大。同时DR 可以实时显示检测图像，验证检测工艺的符合性，并根据图像显示及时修改工艺参数，检测结果可以在现场进行初步评定。现在国内开展了含液体介质管道射线检测、导热油管道射线的在线检测研究[4-6]，并进行了一些工程应用，均得到了较好的检出效果，在带介质管道检测中具有明显的优势。

本文通过设计制作包含不同缺陷且不同规格的试样，采用有介质和无介质的不同工况进行数字射线检测试验，模拟苯酚管道在线检测，研究缺陷在不同工况下的检出情况，对比2 种工况的检测结果，验证苯酚管线数字射线在线检测的可行性和有效性。

1 试验方案

1.1 试样的设计

通过现场调研，苯酚管道材质一般选用奥氏体不锈钢，厚度等级为10S。选择常用的几种管道规格加工试件，考虑现有射线机的穿透能力，最大管径选取DN 250 mm，试样管径选择DN 50 mm、DN 80 mm、DN 100 mm、DN 150 mm、DN 200 mm、DN 250 mm 共6 种规格，厚度选择4～5 mm（按实际壁厚）。根据在役管道中经常出现的典型缺陷，选择其中有代表性的几种缺陷来加工制作试样。体积型缺陷选择气孔、未焊透，面积型缺陷选择裂纹。试件材质选用304 奥氏体不锈钢。苯酚管道介质为苯酚溶液，苯酚的密度为1.071 g/cm3，5%（质量分数）苯酚水溶液的密度为1.004 4 g/cm3（25 ℃），其密度和水很接近。考虑试验安全性和可操作性，试验介质采用水替代苯酚。试样缺陷参数可见表1。

表1 试样缺陷参数

1.2 检测系统

试验采用数字射线检测系统，主要设备为MG452 高频射线机，焦点尺寸有0.4、1.0 mm 2 种可以选择，最大管电压为450 kV。探测器的型号为XRD1621，像素尺寸为200μm。试样在无介质和满介质的工况下分别进行数字射线检测，检测图像的灵敏度和分辨率可参考标准NB/T 47013.11—2015《承压设备无损检测第11 部分：X 射线数字成像检测》。标准NB/T 47013.11—2015 适用于不含介质的工况下检测，带介质管道的数字射线检测还没有相应的国家标准。试验中，带介质管道的数字射线检测可参照NB/T 47013.11—2015 标准。

2 试验实施

结合试样的规格，DN 100 mm 以上管径使用双壁单影、小径管使用双壁双影的透照方式，先进行无介质的试样的射线检测，再调整工艺参数，使图像质量达到满意的效果。检测过程中记录检测数据，保存检测图像，对缺陷进行评定。无介质试样检测全部完成后，再给试样加满水，进行有介质试样的数字射线检测，将结果和无介质的试验结果进行比对，研究液体介质对数字射线检测的影响，以及缺陷检出情况。

（1）透照管电压

对于含有介质管道的射线检测，射线不但要穿透工件本身的厚度，还需要穿透管内介质。管内介质会吸收射线，使射线能量衰减，而且介质使射线散射增加，降低图像对比度，使灵敏度和分辨率都降低，缺陷检出率降低。受高频射线机最大功率限制，当使用电压为300 kV 时，最大管电流为5 mA。再增加管电压，管电流逐步下降，当管电压为420 kV，最大管电流为3.55 mA，开窗时间使用为1 s。含介质试样的管径和管电压增幅关系如图1 所示。

图1 不同管径试样（充满水）的透照电压

（2）最佳放大倍数

和传统射线胶片需要胶片紧贴被检工件不同，数字成像检测技术使用的探测器可以和被检工件间隔一段距离，使图像放大，提高图像的清晰度。对于给定的检测系统，其最佳放大倍数M0可通过下式进行计算：

式中：d——焦点尺寸，试验用射线机的焦点尺寸选取1.0 mm；

Uc——探测器的固有不清晰度（约等于探测器像素尺寸的2 倍），试验用探测器像素尺寸为200μm。

通过计算可知，试验用的检测系统最佳放大倍数M0为1.25。根据公式M=F/f，可以计算透照焦距和探测器至被检工件表面的最佳距离，计算结果可见表2。在检测中，可以根据现场实际条件选取适合的焦距，提高图像的质量。

表2 探测器距离被检工件的最佳距离

3 试验结果

根据试样在有无介质2 种工况条件下，对比分析数字射线检测结果，结合检测图像，从透照电压、图像质量、缺陷检出3 个方面进行了讨论。

3.1 透照电压分析

射线检测中的X 射线是含有散射线的“宽束”射线，是多种能量的集合。介质和射线能量之间的关系不是线性增加的，而是指数级增加。介质对射线的衰减和吸收系数、半价层和散射比有影响。吸收系数随介质增加而减少，半价层随介质增加而增大，散射比随电压升高而减小，且计算公式较复杂，很难进行准确计算[8]。对图1 的结果进行分析后可知，随着管径增大，管内介质增加，透照管电压增幅较大，带介质管径为DN 250 mm，开窗时间为1 s，管电压达到420 kV。DR 图像的灰度范围为20%～80%，宽容度很大，曝光量的范围大，可以降低管电压，增加透照时间。X 射线检测首先要有足够的穿透力，提高管电压，可以使射线能量增大，穿透能力增强，但随着射线能量提高，对比度会下降，灵敏度会降低，所以相关标准都对最高管电压做了限制。

试验使用的介质是水，苯酚管道介质密度和物料成分、密度和含量有关，根据现场苯酚管道溶液的实际密度选取曝光量，由于管内介质的缘故，使用了较高管电压，为了能提高图像质量，需要增加曝光量。图1 为不同管径试样（充满水）的透照电压选择参数，再通过现场验证的方式调整，获得较高的灵敏度，提高小缺陷的检出能力。

3.2 图像质量分析

图像质量包括灵敏度和分辨率2 个重要指标，可分别用线型像质计和双丝型像质计进行测定。组成探测器的像素是敏感电子元件，分辨率受元件最小尺寸限制，小径管曲率大，双丝像质计不能严密贴紧管壁，薄壁管分辨率有时达不到标准的要求，在保证信噪比的情况下，可通过图像灵敏度来补偿图像分辨率的不足，即当灵敏度高于标准1 个丝号级别时，允许分辨率低于标准1 丝号级别，补偿最大不得超过2 个丝号级别。从表3 可以看出，试样的分辨率为D8，标准要求为D9，灵敏度为W16，标准要求为W14，按补偿原则，图像质量可满足要求。

表3 检测工艺参数和检测结果

由表3 可见，介质增加会使分辨率和灵敏度都降低，DN 100 mm 及以下的管道，灵敏度下降很少，像质指数几乎没有变化，液体介质使射线散射增加，使分辨率下降，分辨率可以下降1～2 个丝号级别。随着管径增大，灵敏度开始下降。当管径为DN 150 mm、DN 200 mm、DN 250 mm 时，每增大一个管径规格，灵敏度则下降一个等级，分辨率下降变缓，DN 250 mm 下降2 个丝号级别。随着管径增大，管电压增幅较大，灵敏度下降加快。管电压提高会减小散射比，提高分辨率，分辨率下降变得平缓。DN 250 mm 的含介质的管道检测灵敏度和分辨率都低于标准的要求。

3.3 缺陷检出分析

对不同管径，在有无介质工况下的数字射线缺陷检出情况，结合缺陷的检测图像进行分析。将管径为DN 50 mm、DN 80 mm、DN 100 mm 时的检测图像进行对比后可知，含介质试样图像质量下降不明显，在2 种工况下，试样图像的清晰度差别不大，缺陷的对比度几乎一样，缺陷图像清晰，性质容易判断，如图2～图4 所示。对于管径为DN 150 mm ～DN 250 mm 的试样，随着管径增大，管内介质增加，透照厚度加大，检测图像的灵敏度和分辨率都下降。介质造成的射线衰减提高了背景噪声，缺陷的对比度明显下降，如图5～图10 所示。介质的散射降低了信噪比，使缺陷的细小特征不明显甚至消失，增大了缺陷性质判断的难度。从图6 可见，裂纹的微小尖端的成像不明显，细节特征消失，但从整体形状可以判断其为裂纹。随介质厚度增加，为了保证射线能穿透介质，需要加大射线能量，但是即使在中等射线能量范围内，也就是现场常用的射线机的能量范围（100 ～500 kV），随着能量提高，康普顿效应影响增大，康普顿效应产生的散射线会降低缺陷的对比度，影响缺陷的检出。

图2 DN 50 mm×4 mm试样裂纹缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

图3 DN 80 mm×4 mm试样裂纹缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

图4 DN 100 mm×4 mm试样未焊透缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

图5 DN 150 mm×4 mm试样气孔缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

图6 DN 150 mm×4 mm试样裂纹缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

图7 DN 200 mm×4 mm试样气孔缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

在2 种工况下，管径DN 50 mm ～DN 250 mm 试样的气孔均能有效被检出，包括管径DN 250 mm 试样中的 1.0 mm 的气孔（详见图9），未焊透缺陷也可以检出（详见图8、图10）。这说明数字射线检测对气孔和未焊透等体积型缺陷检出率高，在含介质的工况下也可以检出。在2 种工况下，试样中的裂纹可以检出（详见图2、图6）；但DN 80 mm 试样的裂纹在不含介质正常透照的情况下，并没有被检出，随后不断调整透照角度，在合适的透照角度检出了裂纹，用相同角度在含介质的工况下透照，裂纹也可以检出（详见图3）。说明了除介质的影响，透照角度也是面积型缺陷检出的重要影响因素。

图8 DN 200 mm×4 mm试样未焊透缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

图9 DN 250 mm×4 mm试样气孔缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

图10 DN 250 mm×4 mm试样未焊透缺陷在无介质和有介质条件下的检测图像

对于含介质管道的DR 检测，需要考虑介质对缺陷检出的影响，合理选择工艺参数，尽量降低介质的影响程度，提高缺陷的检出率。检测前应查阅管道的相关资料，了解焊接接头坡口形式、焊接方法，管道的使用和检验情况。对于可能出现的裂纹和未熔合等面积型缺陷的焊接接头，利用DR 实时成像的优点，选择合适的透照角度或者多角度进行透照，尽可能提高缺陷的检出率。对检测结果有怀疑时，应从严考虑，采用其他辅助手段进行补充检测，避免缺陷漏检和误判。