熱絕緣體或隔熱層下的鋼管腐蝕問題是石油、化工和天然氣行業(yè)中經(jīng)常遇到的一個嚴重的問題。目前,用來檢測這類腐蝕,采用的是一種費時耗力的過程,首先去掉隔熱層,用常規(guī)無損評估(NDE)技術(shù)如視覺、超聲波或射線照相術(shù)進行檢測;然后重敷隔熱層。必要時可能要關(guān)閉設備,這進一步增加了工廠維護和運行過程的經(jīng)濟負擔。為了經(jīng)濟的檢測和維護這些鋼管,因此就需要不要求去掉隔熱層或中斷設備運行的NDE技術(shù)。諸如射線照相術(shù)及低頻渦流技術(shù)在滿足這些目標要求方面已顯露希望。在過去的幾年間,西南研究院(SwRI)一直在研制開發(fā)一種新型的NDE技術(shù)(待批),該技術(shù)所用的磁致伸縮位移傳感器是基于鐵磁材料中的磁致伸縮效應。這些磁致伸縮探頭(MsS)能在鐵磁材料中產(chǎn)生彈性波(或機械波),在檢測時不需耦合介質(zhì)并且在探頭和檢測件表面之間有一定的縫隙(約幾個厘米)。這種新的NDE技術(shù)在對諸如橋梁鋼索和鋼筋混凝土梁之類結(jié)構(gòu)進行缺陷探測和動狀態(tài)監(jiān)測方面顯示了良好的潛力。而且,在裸露鋼索上,這種探頭在單一布置的情況下,檢測范圍超過100m,因此是一種非常快速及高效的檢測方法。從MsS在鋼纜上的能力看,可以確信該技術(shù)對隔熱層下鋼管檢驗也有良好的潛力,并且能滿足作為一種快速而經(jīng)濟的NDE技術(shù)和要求。為證實這種潛力,已在實驗室里進行了簡單的可行性試驗。本文對該試驗設施和詳細結(jié)果進行了探討。
2、實驗設施
可行性試驗中所用的設施和裝置。電阻焊制作的鋼管樣管為ASTMA-513GRADEI,6m長,外徑約38mm,壁厚約214mm。MsS由環(huán)繞線圈和偏轉(zhuǎn)磁場組成。在發(fā)射MsS中,線圈使鋼管內(nèi)產(chǎn)生一個按時間變化的磁場,通過磁致伸縮或JOULE效應,在鋼管材料中產(chǎn)生一個彈性波。彈性波沿鋼管長度方向向兩端傳播。在接收MsS中,線圈檢測鋼管中磁感應的變化,這是通過反向磁致伸縮,或Villari效應當彈性波通過線圈環(huán)繞的區(qū)域時實現(xiàn)的。偏轉(zhuǎn)磁場將直流磁場引入到鋼管中并使管壁保持磁化狀態(tài)。這個直流磁場對改善探頭靈敏度和保持電信號與彈性波之間的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系是必要的。
發(fā)射線圈由50匝26號線組成,接收線圈由160匝32號線組成。每一個線圈長約6.4mm,直徑約為64mm。為了模擬熱隔離層,樣管包裹了一層聚乙烯泡沫材料,這層材料填滿了線圈與鋼管外表面之間約30mm的間隙。發(fā)射線圈和接收線圈分別布置在離鋼管前端50mm和1200mm的位置。偏轉(zhuǎn)磁場由帶鋼磁極的磁條組成。偏轉(zhuǎn)磁場的方向沿鋼管長度方向。
發(fā)射線圈由一個100kHz電流(峰值約5A)進行脈沖激勵,該電流持續(xù)時間約60Λs,由信號發(fā)生器產(chǎn)生并經(jīng)功率放大器放大。接收線圈中的逆變電壓被放大(放大倍數(shù)約100dB),并經(jīng)中心頻率為激勵頻率的帶通濾波器進行濾波。濾波后再經(jīng)12位A/D轉(zhuǎn)換卡進行數(shù)字化及平滑處理。最后用計算機顯示并存儲。
選擇脈沖激勵是為了減少發(fā)射波的耗散,從而提高對缺陷的檢測能力。MsS配置及實驗中反復使用的100kHz激磁方式可在管壁中發(fā)射并檢測到二次縱波。
3、實驗結(jié)果和討論
實驗結(jié)果是從一根外表面上有狹長腐蝕的樣管上獲得的。個信號是加到發(fā)射線圈的初始脈沖信號,該脈沖信號耦合到接收線圈并經(jīng)放大器放大。距初始脈沖約0.21ms的第2個信號是發(fā)射的彈性波經(jīng)過接收MsS時檢測到的信號。因此在圖中用術(shù)語“一次波”來專指。第3個和第4個信號是端部反射信號。第1個端部反射信號是彈性波在鋼管遠端反射后探測到的信號,第2個端部反射信號是1個端部反射信號再次經(jīng)鋼管前端反射后檢測到的信號,因此,這兩個端部反射信號是由接收MsS至鋼管前端的,往返行程時間來區(qū)分的(約
0.45ms,產(chǎn)生的波速約5.35x105cms-1)。彈性波可用MsS進行發(fā)射和探測,即使探頭和鋼管外表面之間間隙相對較大(本試驗13mm),這可與電磁聲傳感器比較,電磁聲傳感器也是一種非接觸傳感器,但它的使用因提離效應而局限于很近的距離(典型的不超過1mm)。實驗結(jié)果分別是從帶有模擬腐蝕缺陷和凹槽 缺陷的兩根鋼管上獲得的,模擬腐蝕缺陷是橢圓形的,壁厚是梯度變化(厚度約018mm,對應于33%的壁厚),縱橫比為2:1(縱向和橫向各約為25mm和13mm)。腐蝕缺陷是用磨床加工形成的,距樣管前端的傳感器約3171m。凹槽缺陷距是用一個直徑25mm,厚0.6mm的砂輪沿鋼管圓周方向加工出來的,距樣管前端的傳感器約2139m,槽長約13mm,最深約1.2mm,對應于50%壁厚。兩個模擬的缺陷都產(chǎn)生了容易探測到的信號,證明了MsS技術(shù)在隔熱層下鋼管檢驗方面具有良好的潛力。每個圖都顯示了相隔約0.45ms的兩個缺陷信號,如上述,這0.45ms是缺陷信號從鋼管前端反射回來引起的。由從一次波和一次缺陷信號的時間差(對腐蝕缺陷約0.94ms,對凹槽約0.44ms)決定的接收MsS的缺陷布置與已知缺陷距MsS的位置非常吻合。假設缺陷信號幅度與缺陷的橫截面成線性比例關(guān)系,
對100kHz波來說,其端部多次反射的衰減量大約是0.08dBm-1。這就是說如果鋼管為100m長,其一次端部反射信號在幅度上將減少約16dB。因此采用MsS技術(shù),用單個探頭可一次探測很長一段鋼管。
4、總結(jié)和建議
采用MsS技術(shù)對隔熱層下的鋼管進行檢驗的簡單可行性試驗表明:
(1)使用MsS技術(shù)可以檢測薄層和圓周分布的裂縫形缺陷
(2)只需裝一個探頭即可以檢測很長一段鋼管(100m以上)而且,該試驗所用的縱波遍布于整個壁厚。因此,不象渦流探傷只能檢測內(nèi)表面或外表面的缺陷,MsS技術(shù)對整個管體作99%檢測并可以檢測內(nèi)外表面缺陷。很長一段鋼管只用一個傳感器就可對整個管體進行檢測,探頭與鋼管外表面之間允許有較大的間隙,被檢材料的溫度可達到居里溫度(鋼大約為724℃),這些優(yōu)點說明MsS技術(shù)對隔熱層下鋼管進行高效的在線探傷具有良好潛力。考慮到MsS的能力和它的潛在的優(yōu)點,建議在下列領(lǐng)域繼續(xù)研究和開發(fā):
(1)應用于大口徑鋼管和隔熱層的探頭的開發(fā)
(2)對MsS檢測的能力和局限性進行詳細研究,包括分辨率、缺陷特性、鋼管整體狀態(tài)的評估以及隔熱層厚度和成分對探頭特性和性能的影響
(3)其他幾何或結(jié)構(gòu)因素(如彎曲,分支,焊接頭)對波的傳播的影響以及因此對鋼管檢驗產(chǎn)生的影響進行仔細研究
(4)磁場檢測儀器的開發(fā)。因為與EMATs相比,MsS在設計和使用上更簡單,因此在開發(fā)MsS儀器方面相對更容易
(5)MsS在其他領(lǐng)域的應用,如發(fā)電廠所用的鋼管檢驗(如鍋爐、凝結(jié)器和超熱管)及石油和天然氣用管道方面的檢驗。
