大型承压设备不停机电磁无损检测技术及应用

沈功田  胡斌

(中国特种设备检测研究院  北京  100029)

摘要：“大型承压设备不停机电肱无损检测技术及应用”针对大型成套装置长周期运行急需的不停机检测技术这一世界性难题。在国家系列科研项目的支持下，在1 0多家单位、60多名科技人员的共同努力下，历时1 0多年，研究揭示了大型承压设备常用材料腐蚀和应力损伤在不同电磁激励下的响应规律，开发了具有自主知识产权的三种电磁检测仪器与系统，提出了适用于不同材料腐蚀与应力损伤的四种电磁检测和结果评价方法，研究建立了相应的检测技术标准体系，实现了带油漆层、不拆或局部拆除保温层等的大型承压设备不停机检测，解决了长期困扰政府和企业的瓶颈性技术难题。该成果获得201 5年度国家科学技术进步二等奖，本文以该成果的“国家科学技术奖励推荐书”为基础，综述了项目背景、成果及其应用情况。

关键词：大型承压设备不停机电磁检测技术标准体系

1立项背景

   承压设备包括锅炉、压力容器和压力管道，在石油、化工、电力、冶金、制药、城市公用等行业得到广泛应用，而大型承压设备作为大型火电机组、大型石油和化工等成套装置（如千万t炼油、百万t乙烯、百万t煤液化等）中的核心装备，具有高温、高压、深冷、大型化等特点，一旦发生爆炸事故，后果极其严重，因此确保其安全运行对保障能源安全和人民日常生活至关重要，以往一般采用每年停产进行检验维修的方式来保证承压设备的安全。

  本世纪初，随着新兴国家的经济快速发展，全世界对能源的需求迅速增加，并导致价格大幅上涨，发达国家率先开展大型电站和石化装置的长周期运行，并且从设计建造到运行维护都采取系统的安全保障措施，对承压设备采用运行过程中定点腐蚀监测的方法来保证其安全运行。而我国由于经济的快速发展和汽车的爆炸性增长，对能源的需求急剧增加，发电设备和石化装置能力严重不足，为了保证国家能源安全和应对国际上的竞争压力，被动开始了大型成套装置的长周期运行，并且面临着设备设计和建造质量先天不足，原料来源多、成分复杂（如高硫、高酸等）和无定点腐蚀监测技术等更加困难的挑战，为了保证这些装置的运行安全，提出了对大型承压设备不停机检测技术的迫切需求。

  承压设备的损伤模式包括腐蚀减薄、环境开裂、材料裂化和机械损伤，其最终表现形式是承压设备壳体的壁厚减薄和应力导致的材料表面开裂与内部损伤，这些因素均引起承压设备壳体强度的下降，从而导致泄漏或爆炸失效。应力导致的材料表面开裂与内部损伤一般发生在焊缝上，内部损伤主要包括过载、过热、疲劳、材质裂化导致的微观或宏观开裂。因此，实现大型承压设备不停机检测的核心问题是：如何在不停机不拆保温层情况下，快速检测壳体的腐蚀减薄和局部拆除保温层带防腐层状态下快速检测焊缝的表面裂纹与内部损伤。鉴于95%以上的大型承压设备采用碳钢和低合金钢等铁磁性材料制造，课题组经调研分析认为只有选择电磁检测方法才能满足不拆保温层、效率高、速度快的大型承压设备不停机检测要求。

  大型机械和承压设备的不停机检测，在本世纪初就是国际上的研究热点，英国开展了金属材料表面裂纹的涡流检测研究，俄罗斯提出了采用金属磁记忆现象对材料中应力集中部位进行检测的思路，荷兰RTD公司开展了脉冲涡流检测保温层下腐蚀的研究，美国西南研究院开展了磁致伸缩超声导波检测技术的研究；为适应不停机检测带来的迫切需求，上世纪末，国外开始研究采用相关技术等进行检测应用，在检测仪器方面处于绝对垄断地位，我国在这些方面几乎为空白。这些研究和应用表明了电磁检测技术在大型承压设备不停机检测的可行性和潜力，但仍然存在检测机理不清、检测方法和标准缺失、检测仪器不成熟等严重问题。另外，磁记忆、电磁超声导波和脉冲涡流检测技术为新出现的无损检测技术，在国际上也无相关检测标准，而且这些检测设备在我国的销售也十分昂贵，如1台电磁超声导波检测仪器售价达250～350万元，1台脉冲涡流检测仪器售价达400万元，这些情况都极大影响了上述技术在我国的推广应用。

2总体思路

本项目针对实现大型承压设备不停机检测的核心问题，基于承压设备主要损伤和失效模式以及广泛使用铁磁材料和电磁检测具有非接触、速度快和穿透深的特点，围绕大型承压设备不停机电磁检测的若干科学技术问题，从机理、仪器、方法及标准等方面，开展了系统深入的研究和应用，取得了全面突破，获得了四项标志性科研成果，其总体关系如图1所示。

3主要成果

3,1揭示了大型承压设备常用金属材料腐蚀和应力损伤在不同电磁激励下的响应规律

  3.1.1建立了地磁环境下材料损伤的非线性应力分布力磁耦合模型，找到了弱交变电磁场激励下焊缝表面裂纹信号的变化规律

  应力集中、疲劳失效以及表面开裂等应力损伤是承压设备最危险的失效模式（缺陷）。只能在停机状态下，去除涂层并打磨焊缝后，才能用磁粉检出表面裂纹；直到本世纪初，英国提出基于复平面涡流检测方法，解决了带涂层母材表面开裂的检测问题，但对于粗糙表面的焊缝，由于不能打磨使得提离值不均匀无法检测焊缝表面裂纹；对于疲劳失效和应力集中等早期损伤的检测一直是个世界性的难题，上世纪末，俄罗斯提出了基于磁记忆现象的应力集中检测方法，但该方法缺少理论支持，数据分析结果不唯一，一直不被工程界所接受。

针对应力损伤不停机快速检测的弱电磁检测机理研究中的盲区，首创性的采用了三维亥姆霍兹线圈等设备构造了应力、磁场、传感器位置都精确可控的弱电磁研究环境[图2(a)]；系统开展了承压设备常用钢的应力损伤疲劳试验，获得了应力损伤的磁记忆特征信号[图2(b)]；在宏观试验的同时，借助磁力显微镜技术，获得铁磁性材料在应力作用下的微观磁畴变化和宏观磁场畸变的耦合特征；通过单元离散化处理，提出了非线性应力分布磁场畸变的计算方法，将基于线性应力分布的磁机械效应理论扩展到非线性区域，丰富完善了磁机械效应理论体系；在弱磁激励的基础上，引入交变电磁场激励，获得了铁磁性材料表面漏磁场梯度与提离的对数放大曲线，建立了表面裂纹的提离信号复平面阻抗图[图2(c)]，找到了弱交变电磁场激励下非均匀小提离的裂纹信号幅度和相位变化特征。

  3.1.2建立了脉冲大电流激励大提离下的腐蚀减薄多涡流环检测模型

  腐蚀是承压设备最常见的损伤模式，多采用拆除包覆层后超声检测；带包覆层的腐蚀检测是国内外的一个技术难题，荷兰尝试用脉冲涡流在不超过150mm包覆层情况下测量出金属损失，但该技术既没有形成成熟的脉冲涡流检测方法和标准，也无法解决我国特有的包覆层带白铁皮的穿透问题。

针对保温层下腐蚀的检测机理，在传统涡流环模型的基础上，从经典涡流环等效理论与系统理论出发，将脉冲涡流信号等效为阶跃电流激励下的高阶系统的响应，得到了一种减薄金属损伤的多涡流环响应模型，扩展了涡流环理论，获得了承压设备常用金属材料在不同提离状态下不同厚度的脉冲涡流信号响应规律（如图3所示）。

  3.1.3获得了交流大电流和恒定磁场激励下管道腐蚀缺陷的磁致伸缩导波响应规律

  腐蚀占管道失效的90%，腐蚀部位的不确定使得管道检测时间长，成本高，漏检多，管道腐蚀的快速检测是工业界的一个研究热点。美国提出了电磁导波技术，初步实现了管道缺陷的远距离快速检测，但该设备需要对管道接触部位打磨，必须停机检测，难以满足不停机不打磨的快速检测要求。

针对压力管道腐蚀的检测需求，采用交流大电流和直流电流复合激励，获取材料空间磁场分布特性，阐明了基于时空变换技术的磁致伸缩导波单方向激励和接收原理；通过求解带保温层管道多层结构模型和弹性动力学方程，采用传递矩阵法推导出带保温层管道的频散方程，获得了频散曲线，建立了磁致伸缩导波单方向检测模型（如图4所示）。

3.2开发了具有自主知识产权的三种电磁检测仪器与系统

  3.2.1磁记忆一复平面涡流检测一体化仪器

针对焊缝粗糙表面引起的提离干扰信号，提出了基于复平面的非均匀提离涡流信号相位幅度抑制技术，以相位为基准设置幅度，解决了粗糙表面提离信号的干扰问题，突破了焊缝粗糙表面裂纹带涂层检测的技术难题；确定了磁记忆信号的材料、环境场、载荷等影响因素及其作用机制，得到了应力集中和微观损伤、表面扩展性损伤、埋藏活性宏观损伤的磁记忆信号特征和参数，建立了金属磁记忆检测信号与应力损伤之间的对应关系，解决了多影响因素下应力损伤信号的提取问题，解决了铁磁构件应力损伤检测的工程难题。针对钢焊缝的表面不平产生提离效应，通过设计专门适用于钢焊缝表面裂纹检测的十字交叉探头[图5(a)]，实现了钢焊缝表面裂纹的检测；设计了线圈磁阻互感探头，解决了涡流信号与磁记忆信号的干扰问题，开发了磁记忆一复平面涡流检测一体化仪器[图5(b)]，实现了带涂层内部应力损伤的定位和焊缝表面裂纹的快速检测，可检测出2mm涂层下的应力损伤和0.5mm深Smm长的焊缝裂纹。实现了带涂层下应力集中区域、早期损伤的精确定位和焊缝表面裂纹的快速检测。

  3.2.2脉冲涡流检测系统

针对保温层引起的大提离效应对检测信号的削弱，提出了一种基于检测信号与周期延拓的纯噪声信号相差分的中值滤波算法，提高了脉冲涡流检测信号的信噪比，达到提高脉冲涡流检测信号信噪比的日的；针对大多数承压设备保温层带铁磁性护层引起脉冲涡流信号强度下降的问题，研究r保护层对瞬变磁场的屏蔽效应，通过将探头下方的铁磁性保护层磁化至饱和状态，降低该保护层的磁导率，将磁场屏蔽影响削弱了90%，突破导磁护层埘涡流信号的屏蔽引起的信号衰减限制，实现了白铁皮保护层下金属均匀减薄的检测，发明了基于局部磁饱和的透过向铁皮保护层的均匀减薄脉冲涡流检测技术（如幽6所示），实现了带铁磁性保护层的保温层下腐蚀的检测。研制出可实现保温层下铁磁性材料腐蚀检测的脉冲涡流检测系统(见图7)，可透过铁磁护层检测200mm保温层下 5%的腐蚀减薄。

  3 2 3磁致伸缩导渡检测系统

  针对目前扭转模态导渡仅能通过接触方式激励的小足，在深入研究非接触式电磁导波检测原理的基础上，发明了利用压力管道自身的威德曼（VViedcmann）效应和马特两(Matteucci)效应的非接触式扭转导波传感器，突艘了管道轴向缺陷的检测技术难题；针对非接触磁致伸缩导渡电磁声换能效率低的问题，研制了大功率激励装置，开发出铁磁性管道电磁导被检测系统（图8）．实现了远距离非接触检测管道3%的横截面损失。

  项目开发的三套设备在总体指标和性能上均超过国外同类设备，具体技术指标对比见表1。

3.3提出了适用于不同材料腐蚀与应力损伤的四种电磁检测和结果评价方法

  项目基于2000多台容器和1000余条管道的检测实践，通过在现场对大量承压设备腐蚀、应力损伤进行检测应用研究，探明了不同工况下的影响因素及其作用机制，获取了真实工况条件下各种腐蚀、应力损伤和影响因素的特征信号，建立了焊缝表面裂纹复平

面涡流信号、焊缝内部应力损伤磁记忆信号、不同类型保温层下不同材料腐蚀减薄的脉冲涡流信号、不同规格管道不同腐蚀的磁致伸缩导波信号数据库，设计开发了检测仪器校准和检测结果评价的系列试件，为这些技术的全面推广应用铺平了道路。

  3.3.1应力集中和应力损伤的磁记忆评价方法

  在借鉴传统磁场法向分量梯度值的基础上，通过增加异常信号磁场峰峰值、梯度离散度和环境磁场参考值等判断参数，给出了磁记忆信号Hp的绝对值、Hp过零点、K(dllp/dx)比例系数的使用准则以及典型缺陷的信号特征、图谱特征，形成了典型图谱库，国际上首次系统的建立了应力集中和应力损伤的磁记忆评价方法，明确了磁记忆检测技术的适用条件。

  3.3.2焊缝裂纹尺寸的复平面涡流当量化评价方法

  在大量现场真实工件表面裂纹检测试验的基础上，通过标准试样的比对，建立了基于复平面的裂纹尺寸当量化评价方法。

  3.3.3保温层下腐蚀情况的脉冲涡流评价方法

  对不同规格的承压设备常用钢板和管道上不同直径、深度和数量的平底孔脉冲涡流的信号特征、衰减特性和检测灵敏度进行系统研究，并对数百台现场实际承压设备检测数据进行分析和拆除保温层进行超声测厚验证，提出了实际检测过程对腐蚀情况进行评价的方法。

  3.3.4管道横截面积损伤的磁致伸缩导波评价方法

针对压力管道的运行特点，对不同规格的铁磁性管道上不同直径、深度和数量的刻槽和锥形孔反射导波信号的灵敏度、衰减特性和信号特征进行了系统研究，并对数十km压力管道检测数据进行分析和拆除保温层进行超声测厚验证，提出了一种基于距离幅度衰减特性的超声导波信号分级方法，实现了通过人工缺陷信号对实际缺陷产生的横截面积损失进行评价的方法（如图9所示）。

3.4研究建立了大型承压设备不停机电磁无损检测技术与标准体系

  针对实现大型承压设备不停机检测的核心问题，经过系统开展理论研究、仪器研制、检测方法工艺开发和现场工程应用，提出了采用电磁检测技术系统解决大型承压设备不停机检测问题的技术路线：采用基于复平面的涡流检测技术对带防腐层设备焊缝的表面裂纹进行快速检测，采用磁记忆检测技术对应力导致的焊缝内部损伤进行快速扫查检测和评价，采用脉冲涡流检测技术对承压设备壳体的保温层下腐蚀减薄进行检测，采用磁致伸缩超声导波检测技术对带保温层压力管道的腐蚀进行快速扫查检测。

  通过实验室检测机理的系统研究和现场检测工艺及方法的应用实践，发展完善了磁记忆和复平面涡流检测标准，在国际上首次制定了脉冲涡流和磁致伸缩导波检测标准，填补了国际空白，形成了大型承压设备不停机电磁无损检测标准体系：

  1) GB/T 26954-2011焊缝无损检测  基于复平面分析的焊缝涡流检测

  2) GB/T 26641-2011无损检测  磁记忆检测总则

  3) GB/T 12604.10-2011无损检测术语磁记忆检测

  4) GB/T 28705-2012无损检测  脉冲涡流检测方法

  5) GB/T 28704-2012无损检测  磁致伸缩超声导波检测方法

  6) ISO／DIS 20669 Non-destructive testing—Pulsed eddy current testing of ferromagneticmaterial components

本项目成果首次系统解决了我国大型承压设备不停机检测和安全评价的瓶颈性技术难题，实现了带油漆层、不拆或局部拆除保温层等工况的大型承压设备不停机检测，解决了长期困扰政府和企业的瓶颈性技术难题，极大的推动了承压设备安全科学技术的进步。对我国大型电力和石化装置的运行周期科学延长至3～6年发挥了关键作用。表2为国内外承压设备不停机检测技术的比较，我国处于世界领先水平。

4应用情况

  本项目成果提出的4项检测方法，已形成了5项国家和1项国际检测技术标准，且已被质检总局颁布的多项特种设备安全技术规范采纳，得到全社会共享，取得了良好的社会效益。

  本项目成果于2005年开始进行工程检测应用，近十年来已在燕山石化、天津石化、镇海炼化、江西铜业公司、克拉玛依石化、河北华能发电厂等数十家企业对近百套大型发电或石化装置多次进行了在线检测和安全评价应用，产生了可观的经济效益和社会效益，深受企业欢迎。仅对13家被服务电力和石化公司进行统计，通过本成果的应用为他们减少停产时间带来了26.77亿元的经济效益。同时这些成果的应用及时发现和排除了这些装置上存在的安全隐患，大大提高了它们的安全状况，产生了客观的经济效益。另外，本项目成果还在国防装置、大型常压储罐、大型桥梁和钢结构上得到检测应用，仅在装甲装备上的应用，即产生了10亿元的经济效益。

  本项目开发研制的磁记忆一复平面涡流检测一体机、脉冲涡流检测系统和电磁导波检测系统，为这些技术在我国的全面推广应用提供了硬件保障，同时打破了国外公司的技术垄断，使其降价30%以上，为国内检测机构大大降低了购买仪器成本，使国内检测机构提升高端检测能力成为可能。本项目开发出铁磁性管道电磁导波检测系统，实现了管道腐蚀非接触的远距离快速检测，该系统最新型号的性能指标大幅超过美国仪器的技术指标，价格不到国外产品的40%；研制的可实现保温层下铁磁性材料腐蚀检测的脉冲涡流检测系统，仪器指标优于国外同类产品，但价格仅为其50%。开发的磁记忆一复平面涡流检测一体化仪器，实现了带涂层内部应力损伤的定位和焊缝表面裂纹的快速检测，仪器功能和指标大幅领先于国外同类设备，并实现了产业化，近几年每年销售100多台，市场占有率超过70%。