摘要:工业压力管道损伤检测技术作为一个新型发展的研究领域,但其发展时间短,目前许多应用技术还不太成熟,许多检测方法都存在着不同程度的局限性,有很多问题有待解决。但是,压力管道的无损检测是维护管道安全运行的重要手段,文章对压力管道的损伤及其常用的检测方法进行了叙述,并对其优缺点进行了分析。
关键词:工业压力管道,检验方法,无损检测
中图分类号:TG441文献标识码:A
文章编号:1674-1145(2009)21-0150-02
一、压力管道的定义
压力管道——指符合原劳动部1996年4月颁布的《压力管道安全管理与监察规定》限定的各种管道。包括最高
工作压力大于等于0.1MPa(表压),输送介质为气(汽)体、液化气体、可燃易爆有毒有腐蚀性或最高工作温度高于等于标准沸点的液体的管道;输送介质最高工作压力虽低于0.1MPa(表压),但符合《职业性接触毒物危害程度分级》中规定的毒性程度为极度危害介质和GB50160《石油化工企业设计防火规范》以及GBJ160《建筑设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类介质的管道。
二、压力管道的破坏形式
通常,压力管道破坏形式可分为:韧性破坏、脆性破坏、腐蚀破坏、疲劳破坏、蠕变破坏,以及其他破坏形式。
(一)韧性破坏
韧性破坏是管道在压力的作用下管壁上产生的应力达到材料的强度极限,因而发生断裂的一种破坏形式。发生韧性破坏的管道,其材料本身韧性一般非常好的,而破坏往往是由于超压引起的。表现在管道上则是直径增大(或局部鼓胀)和管壁的减薄,周长伸长率可达10%~20%,所以具有明显的形状改变是韧性破坏的主要特征。
(二)脆性破坏
脆性破坏往往在一瞬间发生,并以极快的速度扩展,这种破坏现象和脆性材料的破坏很相似,故称为脆性破坏。又因为它是在较低的应力状态下发生的,故又叫作低应力破坏。脆性破坏的基本原因是材料的脆性和严重缺陷。前者可由焊接和热处理工艺不当而引起,后者包括安装时焊缝中遗留的缺陷和使用中产生的缺陷。此外,加载的速度、残余应力、结构的应力集中等都会加速脆断破坏的发生。
(三)腐蚀破坏
腐蚀破坏是由于受到内部输送物料及外部环境介质的化学或电化学作用(也包括机械等因素的共同作用)而发生的破坏。腐蚀破坏形态除全面腐蚀外,尚有局部腐蚀(点蚀、缝隙腐蚀、焊接接头腐蚀、磨损腐蚀、冷凝液腐蚀以及涂层破损处的局部大气腐蚀)、应力腐蚀破裂(碱脆、不锈钢氯离子应力腐蚀、不锈钢连多硫酸应力腐蚀破裂、硫化物腐蚀等)、腐蚀疲劳及氢损伤(氢鼓泡及氢诱发阶梯裂纹、氢脆、脱碳、氢腐蚀)。其中危害最大的当属应力腐蚀破裂,往往在没有先兆的情况下突然发生,造成预测不到的破坏。遭受腐蚀的管道,壁厚逐渐减薄,最后破坏。
(四)疲劳破坏
金属在承受大小和方向都随时间发生周期性变化的交变载荷作用时,尽管应力所产生的载荷并不大,而且往往低于材料的屈服极限,但如果长期受到这种载荷的作用,也会发生断裂。疲劳破坏最易在两处发生:一是结构的几何的不连续处,即管道的应力集中部位;二是存在裂纹类原始缺陷的焊缝部位。如果两种情况同时存在于一处,极易产生疲劳破坏。疲劳破坏仍为脆性性态的破坏,断口上有明显的裂纹产生区、扩区和最终断裂区。
(五)蠕变破坏
在高温环境下,只要温度达到一定的程度,钢材即使受到的拉应力低于该温度下的屈服极限温度,也会随时间的的延长而发生缓慢持续的伸长,这就是钢材的蠕变现象。由于金属蠕变产生的破坏,成为蠕变破坏。一般认为材料的使用温度不高于它的熔化温度的25%~35%,则可不考虑蠕变影响。材料发生蠕变破坏时具有明显的塑性变形,变形量的大小视材料的塑性而定。蠕变破坏的宏观断口呈粗糙的颗粒状,无金属光泽,管道在直径方向上有
明显的变形,并伴有许多沿径向方向的小蠕变裂纹。
三、常用的损伤检测方法
常用的压力管道损伤的检测方法主要有:漏磁检测法、涡流检测法、电流检测法、射线检测法以及超声检测法等。
(一)漏磁检测法
漏磁检测是一种多功能的无损检测技术,它有很高的检测速度。对于金属材料,它不仅能提供金属材料表面缺陷的信息,还能提供材料深度的信息,且不需要祸合剂。金属管道是电磁的良导体,利用漏磁检测技术可以检测管道的各种缺陷,如管道裂纹和管壁的受腐蚀减薄等。漏磁检测原理如下:当采用漏磁检测方法对管道的壁厚进行检测时,由线圈产生交变磁场进入被检测管壁。此时,若被检测管壁没有受损即不存在缺陷,则磁力线将不外溢;若被测管壁已受腐蚀减薄或者存在裂纹,部分磁力线将外溢,此时,利用磁敏探头采集到信号,通过对信号的分析,即可得知管壁的受损情况。
漏磁检测方法也存在局限性,例如,它只限于材料表面和近表面的检测,被检测管壁不能太厚;干扰因素多并且需要特殊的信号处理;需要存储的检测数据多,需要很大的存储空间;另外管道中的油或水对漏磁检测仪的检测也有很大影响。漏磁检测适合于检测管壁的细小缺陷如管壁裂纹和直径很小的腐蚀点等。
(二)涡流检测法
涡流检测法的原理是:从发射线圈发射出的电磁波的一部分从管外返回到管内,通过其到达接收线圈时的传送时间(发射与接收信号的相位差)决定管的壁厚,即根据相位差检测出腐蚀的损伤程度。这种方法广泛应用于非磁性管道探伤中。相反,如果是钢管那样的磁性管,管道质的电磁性(透射率等)不均匀,就会使信号中有较大的杂音,从而影响检测效果。遇到这种情况,通常可采用磁化式涡流法(使管道壁达到饱和,透磁率均匀化)和分割式涡流法(将线圈小型分割)。
(三)电流检测法
电流检测法的原理是:在被检表面通过一定值电流,其不同部位产生不同的电位分布,通过测量点位分布可判断它的厚度、裂纹的深度等。根据电流检测所使用的电流,可分为直流法和交流法两种。直流电流检测不受磁导率的影响,故检测较方便,但它必须有稳定性能好的恒流源和低噪音、高灵敏度的放大器。交流电流检测灵明度较高,且只需有频率稳定的振荡器,由于交流电有趋肤效应,测量电流较小,受工件形状的影响亦较小。该检测方法不仅与电导率有关,同时还受磁导率影响,因而操作较复杂。电流检测广泛使用于焊缝区熔合程度、管道腐蚀的检查,还用于测量裂纹深度及倾斜角。
(四)射线检测法
射线检测法是利用射线能穿透物质,并在物质中发生能量衰减的特性来检验物质内部缺陷的一种检测方法。射线检测方法有射线照相法、荧光屏观察法和工业X射线电视法等类型。工程中最常用的是射线照相法,其原理是:当射线透过管道材料内部的缺陷时,由于缺陷(如气孔、裂纹、非金属夹杂等)处吸收射线的能力较差,故投射到材料底部照相底片上相应部位的感光度较大,因此,可根据底片上的感光度鉴别出缺陷是否存在及其外形和大小。
(五)超声检测法
超声检测法是利用高频率的声波在不同的材料界面上能反射回来的特性来进行探伤的,本课题所采用的超声导波法就是在超声检测法的基础上发展而来的一种新型的检测技术。
四、结语
损伤检测是一个必要非充分问题有可能检测到的损伤不是真正的损伤,或者经过若干次检测只有几次得到真正的损伤。这其实就是一个关于可靠度的损伤检测问题。它包含两个方面的问题:(1)利用可靠度控制损伤与否的检测方法;(2)当经过若干试验检测出损伤位置,那么用此方法检测出来的可靠性又是多少。第二个方面内容其实是对损伤检测方法进行可靠性评估,这方面的工作比较少,或者只是针对具体的问题而做的,没有统一的方法。
参考文献
[1]深圳市锅炉容器检验所,深圳开展在用压力管道检验情况.中国压力容器安全,1999,15(5).
[2]张建霖,姜节胜,何长安,顾松年.一种结构故障的振动诊断法.应用力学学报,1990,1(7).
[3]高芳清,金建民,高淑英.基于模态分析的结构损伤检测方法研究.西南交通大学学报,1998,33(1).
[4]高芳清,王凤勤.模态变化对钢析梁桥的损伤检测研究.西南交通大学学,1999,34(2).
作者简介:陈庆勋,男,深圳市特种设备安全检验研究院检验师、工程师,硕士。
