焊缝表面裂纹场梯度成像检测技术的应用研究

唐飞阳亮，祝加轩，解志刚，张文泽

(中国石油 独山子石化分公司研究院，新疆 独山子 833699)

小接管是炼化装置中压力容器、压力管道中常见的结构形式之一。在2019年由中国石油炼化企业腐蚀与防护工作中心起草编制的《炼化装置小接管管理导则》中规定：在设备本体或管道上直接开孔，采用焊接方式连接的DN50及以下的半管接头、支管座、支管的结构，统称为小接管。例如与容器本体或者管道连接安全附件、仪表(热电偶、压力表、液位计、流量计)、排液导淋、蒸汽扫线、排气阀和跨线等，一般在第一道阀门以内的管道。

小接管具有径小、壁薄、结构变化大、几何形状不连续等特点，所以在制造和使用过程中较纵、环向对接焊缝更易产生未焊透、裂纹[1]等缺陷。但是在我国目前的法律、标准体系中，如《国家特种设备目录》《固定式压力容器安全技术监察规程》(TSG 21—2016)、《压力容器 第1部分 通用要求》(GB 150.1—2011)、《压力管道安全技术监察规程-工业管道》(TSG D0001—2009)、《压力管道规范-工业管道》(GB/T 20801.1—2020)等，均未对小接管提出设计、管理、监督要求。因此小接管成为压力容器、压力管道制造安装及长周期安全运行中的薄弱环节，易发生腐蚀、开裂、泄漏等问题。

本文阐述了现阶段小接管焊缝无损检测的局限性，介绍了一种能够检测小接管焊缝表面、近表面裂纹的技术手段，为小接管焊缝表面裂纹[2]缺陷的检测提出了新思路。

1 小接管焊缝无损检测技术的局限性

目前，小接管焊缝的无损检测[3]方法开展起来存在较多的难点，具有一定局限性(见表1)。

表1 小接管焊缝的无损检测方法局限性

由此可见，目前还没有较为完整可靠的小接管焊缝的检测方法。如何有效通过无损检测发现小接管的潜在隐患，保证容器、管道本体的安全运行，成为当前亟待解决的问题。

2 焊缝表面裂纹场梯度成像检测技术

2018年12月，国内首次从英国引进焊缝表面裂纹场梯度成像检测技术(以下简称FGI-3D)。该技术集裂纹检测、安全评估与评价为一体，检测过程中可以瞬时检测成像，反映出裂纹的方向、深度和长度信息。FGI-3D是集电磁阵列(EMA)、增强型交流场测量(ACFM+)、典型涡流相位阻抗(ECT)、C扫描等技术于一体的非接触式场梯度成像技术，可用于各种复杂结构或焊缝的表面、近表面缺陷(裂纹、腐蚀坑)检测，无需去除工件表面涂层或防腐层，可高温500 ℃在线不停机测量，单次扫描即可完成裂纹长度和深度的精确测量。

FGI-3D技术基于电磁感应原理[9]，在导体表面建立梯度场(电场和磁场)，通过测量导体表面、近表面缺陷(裂纹、腐蚀坑)的尖角和轮廓对梯度场的扰动，来精确测量缺陷的三维尺寸信息(见图1)。(梯度场)能量聚焦于工件表面，有效地减轻或去除了材料电导率及磁导率不均匀性的影响，极大地提高了检测灵敏度。

图1 FGI-3D技术原理图

FGI-3D技术通过研究磁感应强度的变化，对缺陷进行检测和测量(见图2)。

图2 缺陷测量原理

当测量裂纹长度时，电流沿Y方向流动，正常情况下Z方向的磁感应强度Bz为零。出现裂纹时，裂纹的2个尖端的电流方向发生偏转，根据右手螺旋法则，会使磁感应强度Bz信号产生一个波峰和波谷，以此来表征裂纹的长度信息。

当测量裂纹深度时，电流沿Y方向流动，正常情况下X方向的磁感应强度Bx无变化，另外2个方向的磁感应强度(By和Bz)为零。出现裂纹时，电流流过裂纹底端，裂纹底端的电流密度最低，所产生的磁感应强度Bx最小，所以会导致Bx信号产生一个波谷，以此来表征裂纹的深度信息。

近几年，该技术在国内迅速推广。2019年研究成果在“远东无损检测新技术论坛山东专场发布会”“黑龙江省机械工程学会无损检测专业大会”发布；2021年，杭州市特检院利用该技术完成28台压力容器高温在线不停机检验。随着FGI-3D技术在煤化工、电厂、石油炼化等多个行业广泛应用，其技术优势日趋显现。

3 小接管角焊缝检测试验

为了验证FGI-3D技术在小接管角焊缝检测工程中应用的可行性，笔者进行检测试验。首先制作了典型的小接管对比试样(见图3)，小接管直径为48 mm，壁厚为5 mm，表面有2处不同方向(周向、轴向)的裂纹(见图4)。

图3 小接管对比试样

a) 轴向 b) 周向

3.1 FGI-3D与渗透检测技术对比试验

利用FGI扫查装置沿着小接管快速旋转1周，汇总检测数据，并与渗透检测进行对比验证(见表2)。

表2 FGI-3D与渗透检测技术的对比试验

试验小结：通过试验对比，验证了FGI-3D焊缝表面裂纹场梯度成像检测技术能有效检测出小接管角焊缝的表面裂纹，虽然对于缺陷的定性显示没有传统的磁粉、渗透方法直观，但是该技术提供缺陷定性数据更加精准。

3.2 涂层检测对比试验

为了验证FGI-3D焊缝表面裂纹场梯度成像检测技术对于无法去除涂层、漆层、锈蚀的小接管角焊缝的检测能力，将上述试验中的对比试样刷涂3～5 mm的防锈漆，再次对2处缺陷进行检测，汇总检测数据见表3。

表3 涂层检测对比试验

试验小结：通过试验对比发现，漆层的存在对于该技术的检测结果影响不大。这是因为该技术兼容了多种电磁技术，提离距离最高可达到5～12 mm，在小接管专用工装的加持下，进一步稳定了检测探头的扫查过程，有利于在线检测。

4 应用案例

2021年2月，某炼化企业加氢裂化装置循环氢气压缩机厂房中的1#压缩机组一级进气缓冲罐发生氢气泄漏。根据现场固定式可燃气体监测仪的监测数据初步判定泄漏部位为该罐南侧测压接管，立即采取了紧急停机处理。对缓冲罐南侧测压接管根部角焊缝进行打磨去除表面覆盖层，露出金属本体光泽，然后进行渗透检测，发现一条长度超过3/4周的裂纹，开裂发生角焊缝热影响区，而在附近缓冲罐壳体和角焊缝上未检出任何外表面裂纹类缺陷(见图5)。

a) 泄漏接管

b) 裂纹

通过分析泄漏的原因和机理，最终确定该接管是因为悬臂梁的结构特征，造成根部应力最大，接管在压缩气体的脉动作用下处于受迫振动状态，承受疲劳载荷，最终产生疲劳裂纹。为了防止再次发生类似情况，使用单位拟对其他类似情况的缓冲罐小接管在不停机状态下，进行有针对性的无损检测。该类缓冲罐小接管的公称直径为25 mm，壁厚为4 mm。用传统无损检测技术无法对这样的角焊缝疲劳裂纹在不停机状态下进行有效检测，笔者利用FGI-3D焊缝表面裂纹场梯度成像检测技术成功地完成了本次检测任务。

本次检测采用的是Lizard M8多通道检测系统(见图6)，使用标准笔式阵列探头(LCP801)(见图7)。由于使用单位要求不停工进行检测，现场无法对检测部位打磨，为了确保探头的提离距离，本次检测配备独特专业的接管工装(见图8)。

图6 Lizard M8多通道检测系统

通过对2套压缩机组的8台缓冲罐、共28条小接管的检测，发现可疑缺陷1处，检测图谱如图9所示，通过对3D模式图和C扫描彩色轮廓图进行分析，并采用精确测量模式，确定该缺陷深度为2.8 mm，长度为21.8 mm。为了进一步确认该小接管的情况，使用单位对该缓冲罐紧急停工，打磨去除小接管表面的漆层、浮锈，肉眼可见在焊缝熔合线附近存在裂纹缺陷。利用X射线数字成像技术对裂纹长度进行测量，发现该裂纹沿周向向内壁扩展，裂纹长度为23 mm；沿轴向解剖裂纹，金相宏观观察，该裂纹最深处深度为3.1 mm(见图10)。

图7 笔式阵列探头

a) 设计建模

b) 工装实物

图9 检测图像和数据

a) 裂纹外观 b) X射线数字成像测长度 c) 金相宏观测高度

通过其他技术手段的验证，证明了FGI-3D焊缝表面裂纹场梯度成像检测技术可以在不去除焊缝表面涂层、污垢、锈蚀，即使在设备运行期间，也可对小接管表面裂纹进行在线检测，保证炼化设备长周期安全运行。

5 技术发展趋势

为了解决电磁技术中“趋肤效应”[10]的局限性，目前技术发展趋势是将FGI-3D技术与直流磁化装置组合应用(简称为FGI-DC-3D扫描)。这样可以实现强直流磁场叠加弱涡流电磁场，不仅可以检测表面开口裂纹，而且可以使信号渗透深度增加，可以检测近表面埋藏裂纹及焊缝根部腐蚀，埋藏深度可达3～4 mm；这种FGI-DC-3D扫描技术已经成功应用在大管径的管道、压力容器焊缝检测中(见图11)。

6 结语

FGI-3D技术是一种新兴的综合电磁阵列成像扫描技术，兼容了多种电磁技术(EMA、ECT、ACFM+、FGI)，可检测碳钢、合金钢、奥氏体不锈钢、铸铁、铜、钛、铝等一切导电材料；无须去除工件表面涂层或防腐层，无需耦合剂，节省打磨涂层的成本和时间；单次扫描即可完成裂纹长度和深度的精确测量，为安全评估提供可靠依据。

目前，为小接管检测设计制作的直流磁化装置即将研发成功。届时，FGI-3D技术可以完成对炼化装置小接管表面、近表面、埋藏缺陷的全面检测，将成为保障炼化装置长周期安全运行的一个重要手段。