石油化工装置无损检测方法新进展研究

耿雪峰 薛小龙

摘 要：无损检测技术是一门新兴的综合学科，它在对被检测对象不破坏或不损坏的基础上，通过分析材料内部异常结构或者存在缺陷引发的热、光等变化，进一步对各种工程材料、零部件、结构件等内部缺陷积极探测，并且准确评价缺陷的类型、性质变化。石油化工企业创造最佳经济效益的措施就是长期安全运行设备。在无损检测方法中射线检测技术可以快速辨别工艺中需要优化的问题，准确测量容器内固体与高粘度液体料位，迅速明确设备的内漏及检测装置内停留物料时间，对于解除装置故障，实现长期稳定运转发挥了重要意义。

关键词：石油化工装置 无损检测 射线检测

中图分类号：F407.22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0016-03

1 石油化工装置无损检测简介

在石油化工装置建设过程中无损检测是一个关键工序，是确保焊接质量的主要手段，利用无损检测，可以对焊缝内部质量情况有效检查，及时处理各种超标缺陷，并且采取预防措施，提升焊接质量，进一步确保工程整体质量，为装置安全运行提供保证。装置无损检测的关键是锅炉、压力容器和压力管道，在总检测量中它们的检测量之和超过了80%，装置在运行过程中它们也是出现最多隐患的部位，因此，在无损检测中属于重中之重，随意需要精心策划检测工作，认真对过程进行控制，加强管理。石油化工装置无损检测工作重点在于检测工作量较大，检测时间有限，交叉复杂的工序，与安装工作彼此互相干扰；射线损害人体，无法同步开展操作时间与安装作业时间，对无损检测进度造成了严重的制约，对检测质量工作造成了阻碍。

2 无损检测的发展和常见的无损检测方法

2.1 无损检测的发展

2.1.1 无损检测的任务与挑战

如今社会亟需各种安全保障。很多安全保障的物质与基础都是无损检测。我国无损检测事业发展迅速。管理人员、技术人员、操作人员，甚至决策人员也开始慢慢接受了无损检测理念，而检测理念也由单纯的从发展缺陷为目的转变为无损评价和质量控制。其队伍正在不断地发展，逐渐壮大。研究和引进检测有关理论及新技术方法，开发智能化、自动化的检测无损仪器，检测规范标准化，日益壮大的实力。

发展无损检测水平是国家工业发达程度的主要标志。虽然我国在无损检测方面获得了很大的进步，科室总体水平还不够高，与发达国家相比差距还是很大的。研究和应用新技术并未充分普及，在培养高级人才问题上差距太大，由于过分地追求近期经济效益，导致投入无损检测有关基础研究远比发达国家少。为了保证我国持续发展无损检测技术，必须重视以上问题。此外，持续扩大的无损检测对象和积极提高的无损检测要求，也形成了不少具有挑战性的问题。

2.1.2 为国家需求积极服务

WTO的加入，使我国经济发展快速汇聚到全球经济发展中。与此同时，国外投资严格要求产品质量与高度重视保护环境也促使了逐渐更新换代无损检测技术。为了能够为国家提供更好的服务需求，发展无损检测的基本推动力是以应用目标为导向。在全球经济一体化发展的状态下，前进的速度慢了也就意味着退步。责任感和使命感推动大家持有更加明确的目标投入工作。从整体上分析，尽管我国与发达国家的差距很大，但我国无损检测正在接轨于国际的发展，这也是很显著的成绩。

微电子技术、处理数字信号技术和计算机技术等突破性发展推动人类进入了信息社会。它们的进步发展，既对传统无损检测提出了非常严格的要求，也为发展无损检测技术提供了很强的基础。尤为关键的是，由此产生的国际产业大转移推进中国制造业形成了极大的发展空间。我国已经出台了发展成为国际制造中心的政策，势必为发展无损检测事业制造非常好的机会。制造大国若缺少了较高水平的无损检测，就无法成为制造强国。

2.1.3 无损检测技术的研究与开发

促进我国发展无损检测事业，必须对其进行研和开发。具体指针对某一对象的无损检测技术方法的研究、与无损检测有关的基础研究与应用研究和开发无损检测设备等。从这个意义上来看，无损检测是一门具有较强交叉性的综合多种学科的技术，与其他学科和技术的发展紧密相连。

现如今，很大一部分无损检测技术的原理采用的某些物理效应。无损检测过程是首先通过探测信号携带物体内部信息，然后在接收信号中获取信息，最后得出结论。所以一定要有效重视两个方面：（1）怎样通过探测信号带出信息，（2）怎样从信号中获得信息。在信息科学中的不少成功经验都引入到无损检测之中；反之，在无损检测中其成功应用也会有效丰富信息科学的知识库。无损检测系统从传送信息的角度分析，包含电子线路、处理信息系统、检测对象以及传感系统三部分。对于检测设备，抓紧两头带中间，也即是提高传感系统和处理信号系统功能应成为主要研究方向。将无损检测与现代信息科学有效结合，造成无损检测出现飞跃性进步。

2.2 常见的无损检测方法

2.2.1 射线检测方法

采用射线检测方法，指的是通过各类型射线对材料投射性能及不同材料吸收、衰减射线的不同程度，使得底片感光成不同黑度的图像实行观察，射线检测已是一种可行性的、不可或缺的检测材料内部缺陷的方法，为很多工业部门所应用。

X射线检测是一般常采用的方法，被检测物体透过射线时，根据有缺陷部分和无缺陷部分吸收射线能力不同进行判断，一般情况下是通过有缺陷部位的射线强度比无缺陷部位的高，所以利用对被检测物体的穿透射线强度差异，可以对被测物体中是否存在缺陷进行判断（图1）。

2.2.2 超声检测法

在工业无损检测技术中，应用最广泛的技术之一就是超声检测技术，也是在无损检测领域中研究最活跃的技术。共阵法、投射法与脉冲反射法在超声检测中应用最多。

（1）共阵法应用的原理是共振，通过探头将超声波辐射至试件之后，利用不断调整声波的频率，从而积极改变其波长，当试件的厚度与整数倍声波半波长相当时，就会在试件中形成驻波，然后对超声波的频率和共振次数进行检测，最后计算试件的厚度。

（2）投射发是应用最早的一种超声检测技术。其机理是在试件的两个对立面分别放置发射探头与接收探头，按照超声波对试件进行穿透获得变化的能量，有效实施判断试件内部质量，如果试件内部无缺陷，当声波穿透试件后衰减小，那么获得较强的接收信号；若是试件内部有小的缺陷，声波部分在传播过程中被缺陷遮挡，使得其在缺陷之后产生了阴影，而接收探头只可以对微弱的信号有效接收；如果试件中缺陷面积大于声束截面，全部声束都会被缺陷遮挡，接收探头也就接收不到任何发射信号。

（3）脉冲反射法。它是目前应用最广的一种超声波检测方法。脉冲反射法是利用在试件内超声脉冲传播时，如果遭遇相差较大的声阻抗介质时，将会出现反射检测，利用一个探头当作发射和接收设备，将接收信号在探伤仪的荧光屏上显示，并且按照大小反射波、缺陷及底面有无和在基轴上的部位对缺陷的有无雨大小做进一步的有效判断。

2.2.3 磁粉检测法

磁粉检测方法是指通过聚集磁粉体现铁磁性材料和其工件表面以及近表面缺陷的无损检测方法，结合缺陷的漏磁磁场强度与磁通密度之间的正比关系，试件的磁化强度和缺陷的位置、尺寸决定了其分布和强度，漏磁场强度越大，缺陷部位对磁粉越容易进行吸附，此外，内部缺陷的漏磁磁场要弱于缺陷的漏磁场，通过这一方法能够对缺陷的形状、大小有效显示，并且对缺陷性质积极确定。

进行磁粉检测时，被检工件需要被磁化，在磁化过程中，为获得较强的缺陷漏磁场，还要尽可能使工件内部的磁力线正交缺陷表面。

2.2.4 渗透检测

渗透探伤是一种表面缺陷的探伤方法，具体在金属材料中应用，采取的是红色渗透液或者黄绿色的荧光渗透液，因为其润湿功能和毛细现象而渗入表面开口的缺陷，然后被吸附和显像，经过对缺陷图像痕迹的显示放大，导致可以通过肉眼对试件表面的开口缺陷积极查找。

3 石油化工装置中射线检测技术的应用

3.1 γ射线扫描技术

3.1.1 γ射线扫描技术原理

首先，γ射线透过物体之后其衰减强度服从指数规律：

其中，I和I1分别为穿透物体和无待测物体过程中探测器的γ射线强度， 为质量修正吸收系数。

待测装置的两侧分别是射线源与探测器，设计一个扫描移动装置推动射线源和探测器沿着装置同步位移和测量，也就完成了射线扫描装置工作。

3.1.2 在塔设备操作中γ射线扫描技术的应用

在诊断新设备故障中广泛应用了γ射线扫描技术。具体是在设备两侧同时放置γ射线源与探测器，并且保证同步移动对设备内操作介质和密度积极检测。介质密度的不同是由于不同设备类型的不同位置而形成的，并且吸收γ射线也不一样。通过这个技术能够轻易对一些异常问题有效进行检测，包含：失踪或者塌陷的塔板、塌陷的填料层、严重起泡沫、脱落的塔板上的人通道板块等。但是对于一些不明显的现象，也很难正确解释扫描结果，这不仅要求具有的扫描知识经验必须丰富，了解该设备的相关知识也是必需的。

在塔设备的故障诊断不仅应用了γ射线扫描技术，可以无干扰、不停工监测塔设备。对于生产过程中的主要设备，采取经常性的γ射线扫描检查，能够确保稳定与安全的生产，特别是针对容易腐蚀、具有较大原料波动、结垢的分离塔设备的运行情况，应当构建设备历史操作数据库。此外，γ射线扫描技术还可以实行有目的的跟踪并发现部分主要参数的变化，可以对潜在问题故障早期发现并且迅速解决，确保正常开展生产。

（1）检测塔盘冲落故障。

某个分流操作存在着异常，为了寻找具体原因，通过γ射线扫描检测该塔，通过分析可知，波谷位置射线强度在塔盘11、14-15、18层的比其他塔盘要明显高，说明这些塔盘上不常有液体，也许这几层的塔盘很可能遭遇过冲翻或者掉落。之后抢修这些设备时，检查该塔发现，确实已经沖翻了这些层的塔盘。

某常压塔出现了故障，常一和常二存在着严重的重叠问题，从而使得产品质量下降，影响了低装置的经济效益，因为该厂的主要装置是常压塔，一般不会经常实施抢修工作。为了方便采取对应的措施，可以通过γ射线扫描检测常压塔故障所在位置。由于分两次扫描塔盘左右两边，每次扫描的情况也不尽相同，比如源与探测器的距离，所以射线强度无可比性。正常情况下的塔，每层塔盘都利用射线扫描形成了一个波峰和波谷。对于同一次扫描曲线，各个塔盘应具有相当的波峰或者波谷。通过分析可知，5-6、7-9层左边塔盘的波峰和波谷射线强度差值相对较少，波谷还高于其他塔盘，所以认为在这些层的塔盘已经出现了冲翻或者掉落问题。在对其实施抢修时，证实塔内情况完全符合检测结果。

（2）检测诊断液泛故障。

某个分馏塔塔底油箱没有油，无法找到具体原因，因此利用γ射线扫描检测该塔，结果见图。通过分析可知，塔盘3-5层之间射线强度最低，表明这个区间出现了大量液体，也就是在该区域产生了液泛；集油箱正在塔盘下面，射线通过集油箱的强度极大，表明集油箱无油或是极少。由此可知，3-5层塔盘之所以形成液泛，仅是因为塔盘或降液管出现了堵塞现象。经停工检修已证实符合检测结果。

刚检修完某污水汽提塔，开工之后就产生了故障：降低了处理能力，侧线带液，影响了生产以及环保。为了查明原因，通过γ射线检测该塔，通过结果可知，射线强度在塔盘13-22层之间最低，接近本底值，表明该层塔盘之间有许多液体，即出现了液泛问题。经车间联系检测结果，并科学地组织进行检修工作，发现13层降液管已被污泥堵塞。

（3）检测诊断泄漏与雾沫夹带故障。

某催化分馏塔塔顶操作产生了异常，因此通过γ射线扫描检测该塔，通过分析结果可知，20-27层塔盘之间出现了较低的波峰，表明这一区域形成了较大的气相区混相密度；20-27层塔盘之间出现了漏液或雾沫夹带故障；28-29层塔盘之间虽然波峰较低，但波谷也很低，所以属于正常范围。在扫描射线的过程中，一般在某一区间存在物体，比如厚度较大的法兰人孔能够衰减射线强度。

某脱硫塔γ射线扫描检测。从塔顶依次向下检测扫描，将射线源与探测器放置在栏杆之外，扫描步长约20 mm，每点采样时间为5s，通过分析测量结果可知，超过14层塔盘、7-8层塔盘之间测量的射线强度较低，主要原因是塔内存在的人孔，可以认为这些塔盘无故障；11-12层塔盘和5-6层塔盘之间受到管线的影响明显，射线测量强度较低，也可以认为无故障；9-10层塔盘可以认为受到了严重的雾沫夹带影响。

3.2 中子背散射测量技术

3.2.1 中子背散射原理

在测量化工反应器、容器或管道的壁厚与腐蚀形成的壁厚变化中采用中子背散射技术，但是其中一定拥有中子慢化剂的物质，例如水、酒精、碳氢化合物等。中子源发射出快中子，穿透器壁达到慢化介质。因为液体中其他质量数值原子、中子以及氢原子形成了较大作用截面，所以在慢化介质中，快中子渐渐地慢化并实现热平衡，从而产生热中子。

而热中子会出现背散射，一部分的反射中的热中子被器壁吸收。探测器探测到了由两部分组成的热中子，其一是遭遇器壁及结焦或者结垢形成的慢化，这一部分极少，基本能够忽略；其二是遭遇慢化介质的慢化。

在同一侧放置源与探测器，在方形铁箱中放入水，这一铁箱壁厚2mm。铁箱与探测器和源紧靠，水和探测器之间的距离是0，之后逐步将探测器和水箱之间的距离进行改变，并且对热中子积极测量，科学观察水和探测器之间的距离及其影响热中子计数的情况，见图2。

通过图2可知，热中子强度计数随着水与探测器间距离的增大而减小，距离和强度之间形成了函数关系，类似于γ射线指数衰变。利用下式表示反射规律：

因此，对热中子强度积极测量之后可以计算出水和探测器之间的距离。

综合分析可知，探测器与慢化介质间的距离可以利用中子背散射技术进行有效测量，同时探测器与慢化介质之间的距离由于结垢出现了变化，有效利用对这一距离的测量就能够间接对慢化介质料位有效测量。

3.2.2 在检测料位中利用中子背散射技术

在料位中利用中子背散射技术，测量或者检测压力容器器壁结垢界面，明确降液管中泡沫的高度或液位，明确反应器中催化剂料面，明确在填料塔中填料底层顶端和底端的位置等。

中子背散射技术在工业上应用广泛，常利用其对料位积极测量，又因为大多利用中子源Am-Be，而这一类型中子源拥产出不可控的中子，如果测量的反应器壁厚相对较大，就需要拥有较大活度的中子源，增加防护工作的难度。因此，利用了中子管替代中子源，可以控制中子管输出中子，并且中子管输出中子的活度也得到了有效提高。

某厂拥有气液分离罐和加氢反应器，对液位压差装置有可能造成堵塞导压管的可能性进行监控，由于无法立刻停工检修反应体系，所以亟需从外部积极了解装置内料位。该一分离器的壁厚为50mm，反应器厚度为100mm，同时它们形成了较高的压力操作，对料位准确测量造成了影响。另外，利用中子背散射技术扫描检测气液分离罐或者加氢反应器的料位，沿器壁外中子背散扫描结果见图3。从图中能够对料位准确判断。

3.3 放射性示踪技术

当前，在石油化工装置中还拥有放射性示踪技术，这是一种被广泛应用的射线检测技术。γ射线扫描和中子背散射技术归类于密封源放射技术，一般仅能从外部测量设备。但是，通常比较理想的是可以认真了解设备内部介质、速率与频率，可以通过采用在工艺流程中添加固体、液体或气体材料对上述问题有效解决。

4 石油化工装置中射线检测技术的新发展

4.1 数字射线照相技术时代

4.1.1 数字射线照相技术的优点

20世纪80年代出现了数字射线照相技术，之后根据工业需求积极改进，主要优点为其一有利于存档图像数据；其二方便记录报告结果；其三可以对信息实现共享；其四容易实现自动化检测；其五可以自动识别缺陷；其六加强处理数字；其七不需要消耗品以及化学药品；其八曝光时间短暂。

4.1.2 基本三要素

（1）像素。像素矩阵构成了数字图像。数字射线典型照片包含了几百万像素。当前比较流行的数码照相也是这样。事实上，数字射线照相和数码照相有很多相似的地方，二者全部是有限的像素数，一般像素尺寸要大于胶片颗粒，因此存在着分辨率以及图像清晰度问题。要对这些问题有效解决，可以利用小焦点或者微焦点放大投影。数字射线照相速度一般要快于胶片照相，就像数码照相芯片速度要快于胶片照相一样。对于射线检测人员来讲，利用数字射线照相要更加有利益身体健康。

（2）彼特。黑白数码照片一般包含了256个灰度层。使用8bir的图像，因为人眼无法对更小的灰度差进行识别。数字射线照相一般是12或者16bir的图像，也就是说，在理论上数字射线照相含有的信息量要超过人眼看到的信息。这些额外信息能够不更好的对图像进行处理，通常用于调节亮度以及显示对比度。

（3）压缩。一般在数码照相中使用压缩，主要是为了减少占用文档空间，但是压缩以后可能出现伪缺陷，会和真缺陷互相混淆。

4.1.3 数字射线照相技术成像系统及工作原理

（1）底片扫描法。

底片扫描法就是高分辨率扫描射线照相底片，把射线照相底片上的影像转变为数字图像。数字化底片影像之后扫面至计算机，不但可以保留底片高分辨率的优势，还能够利用数字加强处理方式令射线照相底片信息量有效增加。可以改变这一扫描的像素芯距，拥有良好的空间线性。

（2）CR成像系统。

这一系统并不是将传统医用或者工业射线胶片对信息进行记录与显示，而是应用可记录，并且通过激光读取射线影像信息的荧光成像板作为载体，通过射线曝光以及CR扫描器激光扫描读取信息，和影像处理软件配套通过计算机完成处理图像，进一步产生数字式二维平面图像。

IP荧光成像板 的主要涂层为荧光成像层，具体功能是在使用过程中成像板通过X线摄影产生潜影，在通过激光扫描形成荧光影像。成像物质是辉尽性荧光体。这一物质具备了光辉尽发光特点的物质。光辉尽发光便是记录最初受到光刺激的信号，当光再次进行刺激时，会释放出类似最初光刺激的信号。

（3）DR成像系统。

DR成像系统也就是数字射线照相系统，其不同于CR系统，具体是利用影像检测器代替工业射线胶片获得X射线影像，并且直接转变为数字影像，与处理影像软件配合通过计算机实行储存。

4.2 今后重点应用的技术

在21世纪初期，以下技术将会获得积极应用：（1）在制造、在役检验与过程控制方面数字X射线实时检测系统的应用。（2）具有交换数据、利用NDI工作站的计算机化的射线检测系统。（3）放大微焦点成像的X射线成像检验系统。（4）低成本、小型CT系统。（5）光电导X射线大面积摄像机。（6）高灵敏度小型X射线摄像机。

5 结语

大量工业实践说明，在石油化工装置故障中采用射线检测技术进行诊断体现出迅速、直观与准确的特点，能够确保正常生产以及可靠运作，尽量避免非正常停工以及减少停工现象，从而有效减少了因非正常停工造成的巨大经济损失，使石油化工装置安全、长期、稳定运行得到了有效保证。该技术除了用于检测石油化工装置故障之外，还能够评价装置工作情况、优化操作、增效挖潜以及完成预测维修等。在石油化工装置无损检测中推广应用射线检测技术，可以迅速提高装置运行水平。因此，该技术在石油化工领域具有十分广阔的应用前景。

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