竺國(guó)榮 王 杜 錢(qián)盛杰 趙盈國(guó)

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

在石油化工行業(yè)中，壓力管道主要用于輸送工藝介質(zhì)，是工藝流程中關(guān)鍵的特種設(shè)備。 由于壓力管道具有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的特性，因此對(duì)安全性和可靠性的要求較高［1］。 寧波某公司ABS裝置壓力管道到期進(jìn)行定期檢驗(yàn)，在無(wú)損檢測(cè)和宏觀檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)天然氣管線(xiàn) （管道編號(hào)LNG-Y-0001-R2，管道級(jí)別GC2級(jí)）存在超標(biāo)缺陷，故需按照TSG D7005—2018 《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《檢規(guī)》）第三章規(guī)定評(píng)定管道的安全狀況等級(jí)：

a. 安全狀況等級(jí)為1級(jí)、2級(jí)的，GC1、GC2級(jí)管道一般不超過(guò)6年檢驗(yàn)一次，GC3級(jí)管道不超過(guò)9年檢驗(yàn)一次；

b. 安全狀況等級(jí)為3級(jí)的，一般不超過(guò)3年檢驗(yàn)一次，在使用期間，使用單位應(yīng)當(dāng)對(duì)管道采取有效的監(jiān)控措施；

c. 安全狀況等級(jí)為4級(jí)的， 使用單位應(yīng)當(dāng)對(duì)管道缺陷進(jìn)行處理，否則不得繼續(xù)使用。

在檢驗(yàn)過(guò)程中，射線(xiàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該天然氣管線(xiàn)某直管與彎管的對(duì)接焊縫處存在多處圓形缺陷。根據(jù)《檢規(guī)》要求，安全狀況等級(jí)定為4級(jí)，無(wú)法繼續(xù)使用。 考慮到該管道無(wú)法停機(jī)修理，為了保證管道的安全運(yùn)行，企業(yè)提出對(duì)超標(biāo)缺陷的安全性進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)。 而合于使用評(píng)價(jià)的前提是要獲得壓力管道的基本參數(shù)和缺陷尺寸、位置等信息。 為此，筆者采用相控陣技術(shù)對(duì)該管道缺陷進(jìn)行精確定位和定量研究， 最后進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)。

1 常規(guī)無(wú)損檢測(cè)

針對(duì)該管道，制定的檢驗(yàn)方案是宏觀、測(cè)厚、表面和埋藏缺陷檢驗(yàn)。 宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該管道的直管段與彎管存在一定錯(cuò)邊，錯(cuò)邊量2.5 mm，超過(guò)公稱(chēng)厚度的25%。測(cè)厚檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該管道的壁厚范圍為6.8～6.9 mm。表面檢測(cè)采用磁粉檢測(cè)技術(shù)，未發(fā)現(xiàn)缺陷信號(hào)，說(shuō)明缺陷不在焊縫表面，具有一定的埋藏深度。 埋藏缺陷檢測(cè)采用射線(xiàn)檢測(cè)方法，檢測(cè)出多處圓形缺陷，部分射線(xiàn)底片如圖1所示。 其中，A片為合格的底片圖像，B片、C片和D片均含有大量的圓形缺陷。 但常規(guī)射線(xiàn)檢測(cè)難以確定缺陷的深度、自身高度等信息。 相控陣技術(shù)可以通過(guò)聚焦法則的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)聲束在焊縫中的高精度掃描， 從而可以更好地分辨出細(xì)小的缺陷。因此，筆者借助相控陣技術(shù)對(duì)上述缺陷進(jìn)行精確測(cè)量。

圖1 射線(xiàn)底片

2 相控陣檢測(cè)

相控陣技術(shù)具有掃查范圍大、 分辨率高、缺陷表征優(yōu)及可跟蹤性強(qiáng)等特點(diǎn)［2］。 采用相控陣扇形掃查方法，一次波覆蓋焊縫的下部，二次波覆蓋焊縫的上部，并用編碼器記錄探頭移動(dòng)的相位信息， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該對(duì)接焊縫的超聲相控陣檢測(cè)，并檢測(cè)出與射線(xiàn)底片對(duì)應(yīng)的缺陷信號(hào)。 相控陣檢出的缺陷圖譜如圖2所示， 將存在的體積型缺陷的部分劃分為5個(gè)區(qū)域，圖中紅圈為1～5號(hào)區(qū)域的缺陷，藍(lán)圈為錯(cuò)邊結(jié)構(gòu)回波信號(hào)。

圖2 相控陣檢出的缺陷圖譜

經(jīng)相控陣檢測(cè)可以看出，1號(hào)區(qū)域?yàn)閱蝹€(gè)氣孔， 直徑為0.9 mm；2號(hào)和3號(hào)區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)狀密集氣孔， 單個(gè)氣孔的直徑在1.0～3.0 mm之間；4號(hào)區(qū)域?yàn)殒湢蠲芗瘹饪祝?單個(gè)氣孔的長(zhǎng)度在1.0～3.0 mm之間；5號(hào)區(qū)域?yàn)辄c(diǎn)狀密集氣孔和鏈狀密集氣孔，單個(gè)氣孔的直徑在1.0～2.5 mm之間， 單個(gè)氣孔的長(zhǎng)度在1.0～3.0 mm之間。 缺陷位置和尺寸信息詳見(jiàn)圖3和表1。

圖3 缺陷位置和尺寸信息

表1 缺陷位置和尺寸信息 mm

3 合于使用評(píng)價(jià)

合于使用評(píng)價(jià)是指對(duì)含有超標(biāo)缺陷的結(jié)構(gòu)或裝備能否繼續(xù)使用以及如何使用而進(jìn)行的定量工程評(píng)價(jià)［3，4］。本次合于使用評(píng)價(jià)工作分為兩個(gè)步驟：

a. 按照《檢規(guī)》對(duì)超標(biāo)缺陷安全狀況等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，若評(píng)定缺陷安全狀況等級(jí)為2級(jí)或3級(jí)，則可以在不對(duì)缺陷處理的情況下繼續(xù)使用。

b. 若評(píng)定認(rèn)為缺陷安全狀況等級(jí)為4級(jí)，則按照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》 對(duì)安全狀況等級(jí)為4級(jí)的缺陷進(jìn)一步評(píng)定。 對(duì)按照GB/T 19624—2019進(jìn)行評(píng)定認(rèn)為安全的缺陷， 可在不對(duì)缺陷處理的情況下繼續(xù)使用，否則管道停用或返修［5］。

3.1 《檢規(guī)》評(píng)定

該天然氣管線(xiàn)是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、審核、檢驗(yàn)、檢測(cè)的，可以認(rèn)為其滿(mǎn)足《檢規(guī)》第3.2.6.1款的6點(diǎn)要求，可以利用《檢規(guī)》對(duì)焊接缺陷進(jìn)行安全狀況等級(jí)劃分。 本次檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷為圓形缺陷。根據(jù)《檢規(guī)》第3.2.6.2款規(guī)定，射線(xiàn)底片圓形缺陷率約為13.9%（大于5%）， 安全狀況等級(jí)定為4級(jí)。 此外，經(jīng)宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)邊量超過(guò)公稱(chēng)厚度的25%，且該焊接接頭存在超標(biāo)缺陷，故安全狀況等級(jí)也可定為4級(jí)。

3.2 合于使用評(píng)價(jià)方法

根據(jù)《檢規(guī)》規(guī)定，當(dāng)管道不滿(mǎn)足《檢規(guī)》評(píng)級(jí)要求或利用《檢規(guī)》評(píng)級(jí)為4級(jí)的缺陷時(shí)，可采用GB/T 19624—2019 中的安全評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)估［6］。 一般認(rèn)為將體積型缺陷按平面缺陷處理得到的評(píng)價(jià)結(jié)果更為安全。 該焊縫雖為彎頭焊縫，但位于直管段， 故采用GB/T 19624—2019附錄G《壓力管道直管段平面缺陷安全評(píng)定方法》 對(duì)該焊縫進(jìn)行評(píng)估。

壓力管道直管段平面缺陷安全評(píng)定方法如下：

3.3 評(píng)定方法參數(shù)和基礎(chǔ)條件選取

對(duì)壓力管道直管段平面缺陷進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)需做以下工作：

a. 確定管道壁厚。 管道內(nèi)介質(zhì)為天然氣，可認(rèn)為管道不發(fā)生腐蝕。 根據(jù)實(shí)際焊縫附近的實(shí)測(cè)壁厚對(duì)焊縫進(jìn)行評(píng)價(jià)。 本次檢驗(yàn)中LNG-Y-0001-R2 管道的W73 接頭附近的最小檢驗(yàn)壁厚為6.8 mm，故評(píng)價(jià)用壁厚為6.8 mm。

b. 應(yīng)力分析。 確定管道承載情況，為缺陷評(píng)定做準(zhǔn)備；管道承載較為復(fù)雜，除了受內(nèi)壓載荷外，還有拉、彎、扭、熱應(yīng)力、位移載荷等多種形式的載荷。對(duì)LNG-Y-0001-R2管道進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)W73焊口周邊的應(yīng)力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 故參考管道設(shè)計(jì)規(guī)范條件，取管道許用應(yīng)力為［σ］。

c. 缺陷表征。 缺陷表征是缺陷評(píng)定的首要工作。 這是因?yàn)閷?shí)際缺陷形狀是不規(guī)則的，需要進(jìn)行規(guī)則化處理，使之成為便于進(jìn)行力學(xué)分析的形狀和尺寸，缺陷評(píng)定中稱(chēng)之為缺陷的表征。 本次檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)LNG-Y-0001-R2管道的W73接頭存在多個(gè)內(nèi)部缺陷，按GB/T 19624—2019進(jìn)行缺陷規(guī)則化，再將公共面積進(jìn)行合并。 因此，缺陷表征為缺陷自身高度4 mm、 缺陷長(zhǎng)度為整圈的表面裂紋。

d. 明確材料性能。鋼管材料（鋼號(hào)SA-53B）的常溫強(qiáng)度指標(biāo)有σs=241 MPa，σb=414 MPa，［σ］=138 MPa。

e. 確定材料斷裂韌度。壓力管道的斷裂韌度是含缺陷管道安全評(píng)定的重要參數(shù)。 獲得斷裂韌度的最佳方法是試驗(yàn)測(cè)定，但本次評(píng)估缺少該數(shù)據(jù)。 根據(jù)GB/T 19624—2019附錄G的規(guī)定，評(píng)定用材料斷裂韌度的下限值可取JIC=1.1KV2。在缺乏材料KV2值的情況下，對(duì)于無(wú)脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，取壓力管道材料容許的最低值KV2=27 J。 因此推薦管道材料斷裂韌度JIC=29.7 N/mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)在檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一條含缺陷天然氣管線(xiàn)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和合于使用評(píng)價(jià)。 無(wú)損檢測(cè)后，經(jīng)《檢規(guī)》評(píng)定該管道的安全狀況等級(jí)為4級(jí)，不能繼續(xù)使用。 在不影響企業(yè)正常工作和保證管道安全運(yùn)行的前提下，采用相控陣技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位和定量研究。 最后進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，結(jié)果為在下一返修周期（2年）內(nèi)，該壓力管道可以正常使用。 文章所述內(nèi)容，為含缺陷壓力管道的安全正常使用提供了一個(gè)典型案例。 采用合于使用評(píng)價(jià)方法對(duì)該類(lèi)缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)判別含缺陷壓力管道的安全性能具有重大意義。