带温工业管道在线超声波检测
合肥通用机械研究所 阎长周
摘要: 本文叙述了带温状况下超声波的特点，给出了部分试验结果，并通过现场实例分析并讨论检测过程应注意的一些问题。
关键词：带温、压力管道、在线、超声波检测
1．前言
常温下压力管道及管道对接接头的超声波检测技术已比较成熟，并已大量应用于现场检测。但在许多情况下，人们往往希望在带温状况下，对运行中的压力管道进行在线检测或监测，以达到掌握其是否存在缺陷特别是裂纹类危害缺陷、缺陷是否扩展、缺陷尺寸是否在安全容限范围等等。在这些方面超声波检测相比较其它常规无损检测方法可以有更大作用。
美国、德国等工业发达国家在上世纪七十年代初开展高温状况下超声波检测研究工作，如热钢板、高温锻件的超声波检测，并且开发出了用水冷却的超声波探头[1~2]。对高温状况下材料声速变化、声压幅度衰减特性也进行了研究工作[3~4]。其后，开始研究高温焊缝缺陷检测技术，包括研制高温探头以及高温耦合剂等。目前德国K.K. 公司、美国泛美（PANAMETRICS ）公司、SONOV ATION 公司等，已有高温探头、高温耦合剂出现在市场上。
近年来，合肥通用机械研究所为满足石化行业生产需要，开展了带温状况下超声波检测技术的研究工作。主要针对运行温度在50~450℃的压力管道及压力容器的在线检测和监测，取得了一些成果。
2．带温状况下超声波检测的一些特点
不用温度下，材料中超声波传播的速度及声压幅度的衰减都会发生变化。多数情况下，随着温度的升高，声速降低、声压幅度衰减变大。通常压力管道检测使用横波法即斜探头进行，一定温度下材料声速的变化必然会影响到探头的K 值和仪器的扫描时基线，进而会影响反射回波的判断和缺陷的定位等。另外，由于声压幅度衰减发生变化，甚至变化很大，也会影响检测灵敏度和缺陷定量等。
因此美国ASTM E587规定：检测温度大于52℃时，应使用耐热耦合剂，标定检测条件的温度与被检工件的温度差异应限制在14℃以内。
因此在检测管道之前，首先应在实验室条件下掌握待检材料在工作温度状况下的声学特性，主要指声波传播速度和声压幅度衰减的变化规律。
试验采用泛美公司高温探头和耦合剂：探头用楔块为ABWVHT-7T-45º/60º（260℃）和ABWVHT-7T-45º/60º（480℃）；传感器为A549S ；耦合剂为PANAMETRICS F（260℃）和PANAMETRICS E（540℃）两种。在试块特定反射体上测试不同温度下声速及声压幅度衰减相对变化情况。下面两图是某种常用材料声速变化和声压幅度变化示意图。
图2 声压幅度相对变化示意图
3．检测实例[5]
现场检测时首先要根据待检测压力管道的工作温度与常温下材料声速的变化情况来调节仪器扫描线，再根据材料声压幅度变化的dB 数和使用或参考的标准来确定检测灵敏度。另外，由于受到所使用高温探头参数的限制，如探头前沿、探头K 值等，可能会对检测的管道规格（外径和壁厚等）有一定的限制。
3.1 某炼油厂制氢装置B 列管线，其工作压力：2.15MPa ，工作温度：170℃，管程规格：Φ377×12，材质：0Cr18Ni9Ti 。通过检测在管线一对接接头内壁热影响区发现两处缺陷，均判断为裂纹：一处长70mm ，另一处长10mm 。根据检测结果，用户及时采取了措施，防止事故发生。
3.2 某石化公司3000装置转化气管道工作温度：370℃，工作压力：2.5MPa ，管线规格：Φ325×10，材质：1Cr18Ni9Ti ，99年投用，2001年巡检中发现管道本体出现长15mm 的环向裂纹，厂方进行带压、带温堵漏以维持生产。同年3月，合肥通用机械研究所对该管道泄漏点周围区域（长3m 左右）进行带温在线超声波检测，在4个区域发现大量环向裂纹。检测后，厂方立即采取了措施，以保证安全生产。
4．讨论
（1）带温状态下超声波检测技术的研究对于压力管道乃至压力容器的使用管理有着非常重要的意义。目前应用这项技术主要目的在于在运行状态下检测管道或设备是否存在危害性缺陷、或者已经发现此类缺陷而用来监测其扩展情况，以帮助用户确定修理方案和修理计划，从而保证管道或设备在安全运行的前提下获得经济效益。
（2）不同温度状态下高温探头楔块的声速也会有所变化，再加上待检材料声速的变化，二者均会影响到缺陷的判断和准确定位。此外随温度变化，不同的反射体回波幅度可能有不同的变化规律，不同的探头晶片频率也会有不同的声速及声压幅度变化曲线。因此今后要在这些方面进一步加强研究工作。
参 考 文 献
［1］ Lynnworth, L., “Use of Ultrasonics for High Temperature Measurements” Materials
Evaluation, Vol. 27 No. 3, March 1969, pp60~66.
［2］ Silber, F., and O. Ganglbauer “Ultrasonic testing of Hotwelds” NDT International, Vol. 3
No. 6, Dec. 1970, pp471~476.
［3］ Canella, G . and F. Monti, “Ultrasonic Inspection of Hot Thick Steel Products” NDT
International, Vol. 13 No.6, 1980, pp10~14.
［4］ J. Kubpta, S. Sasaki, etc., “A Improved Electromagnetic Ultrasonic Testing Technique for
Flaw Detection for Hot Steel” Materials Evaluation Vol. 46 March 1988, pp523~527.
［5］ 合肥通用机械研究所压力容器检验站检测报告(内部资料), 2000~2002年.
带温工业管道在线超声波检测
合肥通用机械研究所 阎长周
摘要: 本文叙述了带温状况下超声波的特点，给出了部分试验结果，并通过现场实例分析并讨论检测过程应注意的一些问题。
关键词：带温、压力管道、在线、超声波检测
1．前言
常温下压力管道及管道对接接头的超声波检测技术已比较成熟，并已大量应用于现场检测。但在许多情况下，人们往往希望在带温状况下，对运行中的压力管道进行在线检测或监测，以达到掌握其是否存在缺陷特别是裂纹类危害缺陷、缺陷是否扩展、缺陷尺寸是否在安全容限范围等等。在这些方面超声波检测相比较其它常规无损检测方法可以有更大作用。
美国、德国等工业发达国家在上世纪七十年代初开展高温状况下超声波检测研究工作，如热钢板、高温锻件的超声波检测，并且开发出了用水冷却的超声波探头[1~2]。对高温状况下材料声速变化、声压幅度衰减特性也进行了研究工作[3~4]。其后，开始研究高温焊缝缺陷检测技术，包括研制高温探头以及高温耦合剂等。目前德国K.K. 公司、美国泛美（PANAMETRICS ）公司、SONOV ATION 公司等，已有高温探头、高温耦合剂出现在市场上。
近年来，合肥通用机械研究所为满足石化行业生产需要，开展了带温状况下超声波检测技术的研究工作。主要针对运行温度在50~450℃的压力管道及压力容器的在线检测和监测，取得了一些成果。
2．带温状况下超声波检测的一些特点
不用温度下，材料中超声波传播的速度及声压幅度的衰减都会发生变化。多数情况下，随着温度的升高，声速降低、声压幅度衰减变大。通常压力管道检测使用横波法即斜探头进行，一定温度下材料声速的变化必然会影响到探头的K 值和仪器的扫描时基线，进而会影响反射回波的判断和缺陷的定位等。另外，由于声压幅度衰减发生变化，甚至变化很大，也会影响检测灵敏度和缺陷定量等。
因此美国ASTM E587规定：检测温度大于52℃时，应使用耐热耦合剂，标定检测条件的温度与被检工件的温度差异应限制在14℃以内。
因此在检测管道之前，首先应在实验室条件下掌握待检材料在工作温度状况下的声学特性，主要指声波传播速度和声压幅度衰减的变化规律。
试验采用泛美公司高温探头和耦合剂：探头用楔块为ABWVHT-7T-45º/60º（260℃）和ABWVHT-7T-45º/60º（480℃）；传感器为A549S ；耦合剂为PANAMETRICS F（260℃）和PANAMETRICS E（540℃）两种。在试块特定反射体上测试不同温度下声速及声压幅度衰减相对变化情况。下面两图是某种常用材料声速变化和声压幅度变化示意图。
图2 声压幅度相对变化示意图
3．检测实例[5]
现场检测时首先要根据待检测压力管道的工作温度与常温下材料声速的变化情况来调节仪器扫描线，再根据材料声压幅度变化的dB 数和使用或参考的标准来确定检测灵敏度。另外，由于受到所使用高温探头参数的限制，如探头前沿、探头K 值等，可能会对检测的管道规格（外径和壁厚等）有一定的限制。
3.1 某炼油厂制氢装置B 列管线，其工作压力：2.15MPa ，工作温度：170℃，管程规格：Φ377×12，材质：0Cr18Ni9Ti 。通过检测在管线一对接接头内壁热影响区发现两处缺陷，均判断为裂纹：一处长70mm ，另一处长10mm 。根据检测结果，用户及时采取了措施，防止事故发生。
3.2 某石化公司3000装置转化气管道工作温度：370℃，工作压力：2.5MPa ，管线规格：Φ325×10，材质：1Cr18Ni9Ti ，99年投用，2001年巡检中发现管道本体出现长15mm 的环向裂纹，厂方进行带压、带温堵漏以维持生产。同年3月，合肥通用机械研究所对该管道泄漏点周围区域（长3m 左右）进行带温在线超声波检测，在4个区域发现大量环向裂纹。检测后，厂方立即采取了措施，以保证安全生产。
4．讨论
（1）带温状态下超声波检测技术的研究对于压力管道乃至压力容器的使用管理有着非常重要的意义。目前应用这项技术主要目的在于在运行状态下检测管道或设备是否存在危害性缺陷、或者已经发现此类缺陷而用来监测其扩展情况，以帮助用户确定修理方案和修理计划，从而保证管道或设备在安全运行的前提下获得经济效益。
（2）不同温度状态下高温探头楔块的声速也会有所变化，再加上待检材料声速的变化，二者均会影响到缺陷的判断和准确定位。此外随温度变化，不同的反射体回波幅度可能有不同的变化规律，不同的探头晶片频率也会有不同的声速及声压幅度变化曲线。因此今后要在这些方面进一步加强研究工作。
参 考 文 献
［1］ Lynnworth, L., “Use of Ultrasonics for High Temperature Measurements” Materials
Evaluation, Vol. 27 No. 3, March 1969, pp60~66.
［2］ Silber, F., and O. Ganglbauer “Ultrasonic testing of Hotwelds” NDT International, Vol. 3
No. 6, Dec. 1970, pp471~476.
［3］ Canella, G . and F. Monti, “Ultrasonic Inspection of Hot Thick Steel Products” NDT
International, Vol. 13 No.6, 1980, pp10~14.
［4］ J. Kubpta, S. Sasaki, etc., “A Improved Electromagnetic Ultrasonic Testing Technique for
Flaw Detection for Hot Steel” Materials Evaluation Vol. 46 March 1988, pp523~527.
［5］ 合肥通用机械研究所压力容器检验站检测报告(内部资料), 2000~2002年.