加氢装置厚壁钢管无损检测方法的选择

加氢装置厚壁钢管多,管道对接环焊缝无损检测比例高,焊缝无损检测工作量大,对接环焊缝无损检测受现场条件制约,采用射线检测往往存在一定难度,特别是随着装置大型化,该问题显得更加突出。而射线检测、超声波检测、磁粉检测和渗透检测作为常用的管道无损检测方法,由于受其原理的限制,每种无损检测方法均有其适用范围和优缺点,用单一的无损检测方法难以保证焊缝缺陷检出效果。在制定无损检测方案时,应根据不同材质管道的特点和焊接过程中容易产生的缺陷类型,选择两种或多种检测方法的无损检测组合方案,从而保证无损检测对缺陷的检出效果,进而保证焊缝质量。

石油化工装置管道的预制、安装大多在现场进行,由于受现场施工条件限制和环境影响,安装质量特别是焊接质量容易受到不良影响。因此选择合适的无损检测方法,能及时检测发现焊接缺陷,进而消除焊缝质量隐患,是保证管道焊接质量的重要措施之一。

加氢装置由于工况苛刻,厚壁钢管多,高压用厚壁钢管焊缝无损检测比例高,焊缝无损检测工作量大。因此,厚壁钢管焊缝的无损检测往往是影响加氢装置管道施工工期和质量的主要因素之一,随着装置的大型化,该问题更加突出。加氢装置常用的厚壁钢管材质如表1所示。管道公称直径一般为DN20DN600,管道壁厚管表号范围大多在SCH100SCH160

1常用无损检测方法

无损检测是指在不损害或不影响被检测对象使用性能、内部组织的前提下,以物理或化学方法为手段,借助现代化的技术和设备器材,对试件内部及表面的结构、性质、状态和缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。

加氢装置厚壁钢管焊缝常用的无损检测方法有:射线检测(简称RT)、超声波检测(简称UT)、磁粉检测(简称MT)和渗透检测(简称PT),这些检测方法统称为四大常规检测方法。其中RTUT主要用于检测试件内部缺陷,MTPT主要用于检测试件表面(近表面)缺陷。近年来,随着衍射时差法超声检测(TOFD)、相控阵超声检测(PAUT)等新技术的不断发展,使得焊缝检测方法的选择更加灵活。

2无损检测的原理及特点

2.1射线检测

2.1.1射线检测原理

射线检测的原理是基于射线通过密度不同的物质时,由于强度衰减不同,在底片上形成黑度差,使得缺陷影像在底片上得以显现。射线检测通常对体积状缺陷(气孔、夹渣)检出率较高,这是由于气孔、夹渣的密度与钢的密度相差较大,在底片上容易形成黑度差而得以显示

X射线和γ射线穿过被检管道(管件)时,根据缺陷部位对射线的衰减,使底片上接收的射线剂量不同,使得胶片的黑度变化不同所形成黑白图像,就可判断出有无缺陷,以及缺陷的种类、数量、大小等

2.1.2射线检测的特点

射线检测有以下主要特点:

1)几乎适用于所有管道材料,对检测物体形状及表面粗糙度无严格要求。

2)可以获得缺陷的投影图像,检测结果有直接记录——底片。

3)检测成本高,对人体有伤害,必须考虑辐射防护问题。

4X射线照相检测效率低且往往受现场作业空间限制,γ射线照相底片质量较低,且对安全防护要求高。

2.2超声波检测

2.2.1超声波检测原理

2.2.1.1脉冲反射超声波

脉冲反射法是利用了超声波在传播过程中的反射原理,通过超声波探伤仪探头将电信号转换为机械波发射脉冲超声波,经过耦合介质在被检工件中传播,当遇到缺陷或其他不同物质的界面时即产生反射,返回的超声波被探头接收,并转换为电信号在示波器上显示脉冲回波,根据回波情况来判断缺陷。

2.2.1.2衍射时差超声波(TOFD

衍射时差法超声波检测技术是在脉冲超声检测法的基础上发展起来的一种新的检测技术。其原理是利用缺陷端点的衍射波信号传播时间差,进行发现缺陷和测定缺陷尺寸的一种超声检测方法,一般使用纵波斜探头,采用一发一收模式。检测结果以电子文档保存,可打印输出,它克服了脉冲反射超声检测无记录的不足。

2.2.1.3相控阵超声检测(PAUT

相控阵超声检测是一种通过对阵列传感器的各独立阵元按一定的延迟法则进行激励、接收,合成特定形式的声场,进行超声波扫描成像检测的技术。

通过改变压电晶片阵列组合单元激励电脉冲的延时值,可改变声束聚焦深度、声束角度和波型,由此可实现对工件中的各种方向性缺陷的有效检测和对缺陷的准确定位和定量。相控阵检测技术比起A超来说具有独特的优势,如其扇扫扫查面积大、可达性好,同时进行BC扫并有现场实时记录功能,可以模拟缺陷的3D图像等。同时也带有A超的一些弊端,如缺陷的定性和缺陷自身高度的测量还有一定的难度等。

2.2.2超声波检测的特点

超声波检测有以下主要特点:

1)应用范围广,适合检验厚度较大的工件,不适合检验较薄的工件。

2)工件表面不平或粗糙会影响耦合和扫查。影响检测精度和可靠性。

3)检测速度快,仪器体积小,重量轻,方便现场使用,衍射时差法缺陷检出灵敏度高且有检测记录保存。

4)无法得到缺陷的直观图像。定性存在一定困难。

5)材质、晶粒度对探伤有影响,晶粒粗大的材料,例如铸钢、奥氏体不锈钢焊缝,一般认为不宜用超声波进行探伤。

6)检测结果受检测人员影响大。

2.3磁粉检测

2.3.1磁粉检测原理

铁磁性材料被磁化后内部产生很强磁感应强度,磁力线密度增大几百倍到几千倍。如果材料中存在不连续性(包括缺陷造成的不连续性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性),磁力线便会发生畸变,部分磁力线逸出材料表面,从空间穿过,形成漏磁场。漏磁场的局部磁极能够吸引铁磁物质,如磁粉,通过观察磁粉痕迹达到检测目的。

2.3.2磁粉检测的特点

磁粉检测有以下主要特点:

1)缺陷显示直观,灵敏度高,可以发现极细小的裂纹以及其他缺陷。

2)检测速度快,操作简单、成本低。

3)适宜铁磁材料探伤,不能用于非铁磁材料检验。

4)只能检出表面和近表面缺陷,不能用于检查内部缺陷。一般可检出深度为1~2mm的近表面缺陷,采用强直流磁场可检出深度达3~5mm的近表面缺陷。

5)能用于检测与磁场方向夹角较大的缺陷,不适用于检测与磁场方向夹角小于20°或平行的缺陷。

2.4渗透检测

2.4.1渗透检测原理

零件表面被涂含有荧光染料或着色染料的渗透液后,在毛细管作用下,经过一定时间,渗透液渗进表面开口的缺陷中;在显像剂的作用下回渗到工件表面;在一定的光源下(紫外线光或白光),缺陷处的渗透液痕迹被显示(黄绿色荧光或鲜艳红色),从而探测出缺陷的形貌及分布状态。

2.4.2渗透检测的特点

1)渗透检测可以用于除了表面疏松多孔性材料外任何种类的材料。

2)效率高,可检测形状复杂的部件。

3)不需要大型的设备,可不用水、电。

4)只可以检出表面开口缺陷,对埋藏缺陷或闭合型的表面缺陷无法检出。

5)检测灵敏度比磁粉检测低。

3管道安装无损检测方法的选用

3.1管道的无损检测方法的选择应考虑以下因素

1)工件结构设计特点和材料特性;

2)制造、焊接工艺和缺陷本身的特点;

3)各种检测方法的特点和检测方案的适用性;

4)可操作性及经济性;

5)检测时机的正确选择及抽查部位的代表性等等。

3.2管道焊接接头的无损检测

管道焊接接头常见的外观缺陷主要有咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形、未焊满等,有时也出现表面气孔和表面裂纹。单面焊的根部未焊透也位于焊缝表面。内部缺陷主要有气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等。焊缝的咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形、未焊满等缺陷一般通过目视外观检验即可发现。表面气孔和表面裂纹一般借助磁粉检测或渗透检测来确定,而内部气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等埋藏缺陷只能通过射线检测或超声波检测来发现。

射线检测由于有底片作为记录,对缺陷形状反映直观,容易被接受,所以,管道焊缝的检测一般多采用射线检测。但对于厚壁钢管,如果采用射线检测,由于曝光时间长、效率低。所以GB505172010《石油化工金属管道施工质量验收规范》规定“厚度大于30mm的焊缝可采用超声检测”。但由于超声检测受检测人员影响因素大,缺陷记录不直观,缺陷定性困难,因此GB505172010又规定“设计文件规定射线检测的焊接接头改用超声波检测时应征得设计单位和建设单位同意”。

根据现场实际检验情况,对于厚度大于25mm的奥氏体不锈钢管道,由于壁厚大,当采用双壁单影透照时,X射线衰减严重而不能穿透。采用超声波检测,由于晶粒粗大,杂波较多,检测灵敏度较低。而目前相关石油化工管道施工验收规范对该问题并未给出可行的解决方案。

近年来,TOFD(即衍射波时差法)已正式颁布实施,开始应用于厚壁承压设备的焊缝检测,相对传统的超声波检测,TOFD检测对缺陷定量准确,对缺陷性质有一定判断力,有检测记录。但TOFD仍未克服超声波检测的一些缺点:比如对检测图像的识别、缺陷性质的判断准确性受人为影响较大,检测设备投资较大等。而对于管道而言,由于管道口径相对较小,曲率大,壁薄,所以仅在大口径厚壁钢管上逐步使用。另外相控阵超声检测技术,近期也逐渐应用于管道无损检测。

4无损检测的难点及解决办法

根据目前施工规范的要求,加氢装置厚壁钢管对接焊缝一般采用RT检测,对碳钢和合金钢管道角焊缝采用MT,对奥氏体材料管道角焊缝采用PT检测。但对于现场安装的对接环焊缝,当采用RT检测时,多采用双壁单影透照,当管道壁厚大于25mm时,由于受X射线机的能力限制,只能γ射线检测。但是由于γ射线检测对安全防护距离要求较远,在装置现场往往难以达到要求,特别是对于周边有其他运行装置或施工的情况下,更是无法满足安全防护要求。由于射线检测需要防护的原因,检测期间现场无法开展其他作业,在工期控制上也带来严峻的考验。因此,无损检测往往成为加氢装置厚壁钢管施工的难点。

根据项目的具体实施情况,对于加氢装置厚壁钢管的环焊缝,目前常用的检测方法有如下几种方案:

1)对碳钢、合金钢管道对接环焊缝焊接厚度达到大约25mm时,停止焊接,进行RT检测,RT检测合格后,继续完成焊接,然后进行UT检测+TOFD检测+MT检测。

2)对碳钢、合金钢管道对接环焊缝焊接厚度达到大约25mm时,停止焊接,进行RT检测,RT检测合格后,继续完成焊接,然后进行UT检测+MT检测。

3)对奥氏体不锈钢管道对接环焊缝焊接厚度达到大约25mm时,停止焊接,进行RT检测,RT检测合格后,继续完成焊接,然后进行UT检测+PT检测。

4)对奥氏体不锈钢管道对接环焊缝焊接厚度达到大约25mm时,停止焊接,进行RT检测,RT检测合格后,继续焊接,逐层进行PT检测,然后进行UT检测。

5)对碳钢、合金钢管道对接环焊缝焊接完成后进行UT检测+TOFD检测+MT检测,并抽取一定比例进行RT检测。

6)对奥氏体不锈钢管道对接环焊缝焊接完成后进行UT检测+PT检测,并抽取一定比例进行RT检测。

上述每种检测方案都有其特点,由于UT检测对裂纹等面积型缺陷较敏感,对于碳钢、合金钢管道而言,宜选用上述方案(5)。特别是对于合金钢管道,当选用方案(1)或方案(2)时,如果中间停止焊接还需要进行后热处理,否则容易产生裂纹缺陷。而对于奥氏体不锈钢管道,由于焊缝晶粒粗大,晶界反射杂波强,对其厚壁钢管UT检测效果并不理想,因此宜选用方案(4)或方案(3)。

当然,要保证焊接质量,最根本的措施还是从焊接工艺、焊接材料、焊接过程控制、焊后热处理、焊接设备、焊接人员等方面进行综合控制,然后选用适当的无损检测方案,从而获得良好的焊接接头质量。根据目前的施工情况,建议加大管道的预制深度,减少现场的安装工作量,为焊接及无损检测提供良好的施工环境。

另外,随着无损检测设备和技术的进步以及检测工艺的成熟,应及时修订相关的管道施工验收规范,使无损检测新技术能及时应用于管道检测,并符合标准规范的要求。

5结论

由于每种无损检测方法都有其优点和局限性,因此在选用无损检测方法时,应根据材料特性、结构特点,可能出现的缺陷类型等因素综合考虑,选用合适的无损检测方法,有时还需要采用2种或多种无损检测方法对管道进行综合检测,以准确判断缺陷。另外,通过加大管道的预制深度,减少现场的安装工作量,为管道焊接及无损检测提供良好的施工环境,是提高管道施工质量的措施之一。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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