浦定艷* 華羅懿 劉書宏
（1.上海化學(xué)工業(yè)公共管廊有限公司 2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）
在化工企業(yè)中，保溫層常應(yīng)用于管道、容器和設(shè)備表面，不僅可以降低散熱損失，同時(shí)還能確保設(shè)備及管道的生產(chǎn)安全，有效節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。
保溫層下腐蝕（CUI） 一直是煉油廠發(fā)生頻率較高和難以避免的腐蝕事件[2]。在工藝環(huán)境下，氯離子和硫化物在金屬表面聚集，無論是碳鋼、低合金鋼，還是不銹鋼，都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕[3]。在石化行業(yè)，每年因CUI 引發(fā)泄漏、停工等造成的損失可達(dá)上百億元。
數(shù)字射線(DR)檢測(cè)不同于常規(guī)射線檢測(cè)。DR 檢測(cè)將常規(guī)射線檢測(cè)使用的膠片替換為成像板，將X射線經(jīng)過成像板轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)傳輸至電腦生成數(shù)字圖像[4]，最終實(shí)現(xiàn)了以數(shù)字圖像替代膠片成像的目標(biāo)，如圖1 所示。
圖1 數(shù)字射線檢測(cè)原理
DR 檢測(cè)與常規(guī)射線檢測(cè)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。DR 檢測(cè)具有更高的對(duì)比度，可以發(fā)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象中的微小缺陷；
其次，DR 檢測(cè)可以使不同厚度的檢測(cè)對(duì)象同時(shí)成像，因此可以帶物料、帶保溫進(jìn)行檢測(cè)[5-6]。本文提出了一種基于數(shù)字射線的他比式管道壁厚測(cè)量方法，可以更加直觀、精確地測(cè)量管道壁厚，及時(shí)發(fā)現(xiàn)CUI，避免管道出現(xiàn)泄漏和失效等嚴(yán)重后果。
根據(jù)DR 檢測(cè)特點(diǎn)可知，該技術(shù)可以在不拆除保溫和停輸物料的情況下進(jìn)行他比式管道壁厚測(cè)量。具體步驟如下：
（1）采用已知尺寸的物體作為標(biāo)定物，緊挨著被檢測(cè)管道并放置在側(cè)面，且要確保與管道軸線在同一平面上；
（2）采用較低能量的X 射線檢測(cè)拍攝被檢測(cè)管道圖像，低能量的X 射線要求能清晰觀測(cè)到管道外壁輪廓；
（3）在射線影像上選中標(biāo)定物，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)的像素?cái)?shù)量。將標(biāo)定物的實(shí)際尺寸除以像素?cái)?shù)量，得到圖像的單個(gè)像素尺寸；
（4）采用較高能量的X 射線檢測(cè)拍攝被檢測(cè)管道圖像；
（5）將步驟3 和步驟4 拍攝的圖像進(jìn)行合并。統(tǒng)計(jì)圖像中管道側(cè)壁的壁厚方向上的像素?cái)?shù)量，乘以單個(gè)像素尺寸，從而得到管道2 個(gè)側(cè)壁的壁厚絕對(duì)值；
（6）分別重復(fù)步驟（3）～步驟（5），測(cè)量管道不同部位的壁厚絕對(duì)值。
此次檢測(cè)對(duì)象為在役高溫蒸汽管道，采用直徑為10 mm 的鋼球進(jìn)行標(biāo)定。射線機(jī)型號(hào)為YXLON 300 DS，數(shù)字射線成像板型號(hào)為DeReO UP 2530。采用低能量的X 射線檢測(cè)拍攝，X 射線電壓為50 kV，電流為0.5 mA，時(shí)間為30 s，得到如圖2 所示管道圖像，其中可以清晰觀測(cè)到標(biāo)定物。采用高能量的X 射線檢測(cè)拍攝被檢測(cè)管道圖像，X 射線電壓為200 kV，電流為1.5 mA，時(shí)間為30 s，得到如圖3 所示的管道圖像。二者合并后的圖像如圖4 所示，可以清晰觀測(cè)到管壁輪廓。
圖2 低能量檢測(cè)
圖3 高能量檢測(cè)
圖4 圖像合并
在本次測(cè)量中，選用鋼制圓球作為標(biāo)定物，圓球直徑為10 mm。對(duì)壁厚進(jìn)行測(cè)量前，需要對(duì)圓球進(jìn)行標(biāo)定。通過上述3 個(gè)圖像可知，在低能模式下，在管道檢測(cè)圖像中，標(biāo)定物的外輪廓清晰，因此在低能模式下對(duì)圖像單個(gè)像素尺寸進(jìn)行標(biāo)定，建立單個(gè)像素尺寸與實(shí)際被檢管道尺寸的關(guān)系。在數(shù)字射線編輯軟件中選定標(biāo)定圓球進(jìn)行標(biāo)定，如圖5 所示。
圖5 圓球進(jìn)行標(biāo)定
在圖像中，測(cè)量工具穿過圓心，生成一維的圖像灰度曲線，分別將灰度突變的波峰和波谷平均值處作為起點(diǎn)和終點(diǎn)，如圖6 所示 。在標(biāo)定圓球左邊邊界測(cè)得位置為2 593，右側(cè)邊界位置為5 877，因此圓球直徑方向上的像素?cái)?shù)量為3 284。由于已知圓球直徑為10 mm，因此計(jì)算得到單個(gè)像素尺寸約為0.003 mm。
圖6 標(biāo)定圓球的圖像灰度曲線
在標(biāo)定完成后進(jìn)行管道壁厚測(cè)量，最終測(cè)量管道左側(cè)邊緣壁厚為4.63 mm，右側(cè)邊緣壁厚為4.53 mm，管道壁厚無減薄。超聲測(cè)厚儀測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，左側(cè)邊緣壁厚為4.80 mm，右側(cè)邊緣壁厚為4.68 mm。他比式數(shù)字射線壁厚測(cè)量技術(shù)與超聲測(cè)厚方法2 種方法測(cè)量得到的數(shù)據(jù)較為接近，測(cè)量最大誤差為3.5%。
根據(jù)上述檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法，再次測(cè)量不同尺寸的管道。此次測(cè)量管道直徑為60.3 mm，標(biāo)稱壁厚為3.91 mm，選用10 mm 鋼制圓球?yàn)闃?biāo)定物。采用型號(hào)為YXLON 300 DS 的射線機(jī)，數(shù)字射線成像板型號(hào)為DeReO UP 3543。采用較低能量的X 射線檢測(cè)拍攝被檢測(cè)管道圖像，X 射線電壓為50 kV，電流為0.5 mA，時(shí)間為30 s；
采用高能量的X 射線檢測(cè)拍攝被檢測(cè)管道圖像，X 射線電壓為170 kV，電流為1.5 mA，時(shí)間為30 s。最終測(cè)量管道左側(cè)邊緣壁厚為3.86 mm，右側(cè)邊緣壁厚為3.84 mm，管道壁厚無減薄。超聲測(cè)厚儀測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，左側(cè)邊緣壁厚為4.02 mm，右側(cè)邊緣壁厚為3.95 mm。他比式數(shù)字射線壁厚測(cè)量技術(shù)與超聲測(cè)厚方法2 種方法測(cè)量得到的數(shù)據(jù)接近，測(cè)量最大誤差為4%。
在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，針對(duì)某化工企業(yè)在役壓力管道進(jìn)行保溫層下腐蝕壁厚測(cè)量。此次試驗(yàn)的檢測(cè)對(duì)象規(guī)格為DN 100 mm ×6.02 mm，該管道設(shè)計(jì)工作溫度為120 ℃，材料為碳鋼。檢測(cè)時(shí)不拆除管道外保溫層，檢測(cè)設(shè)備參數(shù)可見表1。
表1 數(shù)字射線檢測(cè)參數(shù)
通過上述檢測(cè)方法對(duì)管道壁厚進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可見，管道保溫層和管道本體圖像清晰，還可以觀察到保溫中纏繞的金屬鐵絲。
圖7 在役壓力管道保溫層下腐蝕檢測(cè)
根據(jù)他比式數(shù)字射線方法，對(duì)管道內(nèi)彎和外彎進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得管道內(nèi)彎處的最小壁厚為6.22 mm，管道外彎處的最小壁厚為5.88 mm。在制造管道彎頭時(shí)，其內(nèi)彎受到的擠壓程度大于外彎，所以測(cè)量結(jié)果顯示外彎壁厚小于內(nèi)彎，測(cè)量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。由圖7可知，管道本體壁厚均勻，不存在壁厚減薄部位。
采用數(shù)字射線檢測(cè)的他比式方法測(cè)量結(jié)果顯示管道內(nèi)沒有發(fā)生腐蝕，為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，拆除了該彎頭處的保溫，如圖8 所示。該管道正在運(yùn)行，根據(jù)紅外測(cè)溫顯示，管道壁溫為113.6 ℃，管道外部殘留外保溫材料附著在管道表面，如圖9 所示。傳統(tǒng)超聲測(cè)厚儀的測(cè)厚方式通常一次只能測(cè)量單點(diǎn)壁厚，不能透過保溫層進(jìn)行測(cè)厚。當(dāng)保溫層下存在嚴(yán)重腐蝕時(shí)，表面出現(xiàn)大量凹坑，超聲耦合難度增大，測(cè)量精度也降低。對(duì)于高溫管道，聲速發(fā)生改變，檢測(cè)人員容易燙傷，操作難度增大。采用高溫測(cè)厚儀對(duì)管道進(jìn)行測(cè)厚，未發(fā)現(xiàn)管道腐蝕，測(cè)厚數(shù)據(jù)顯示管道內(nèi)彎處的壁厚為6.18 mm，外彎處的壁厚為6.03 mm。超聲測(cè)厚結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果更厚，這是因?yàn)槌暅y(cè)厚還受到管道外表面油漆的影響，而采用數(shù)字射線可以避免管道外表面狀況的影響。
圖8 現(xiàn)場(chǎng)拆除管道保溫進(jìn)行驗(yàn)證
圖9 采用紅外線進(jìn)行檢測(cè)
本文提出的數(shù)字射線測(cè)量方法通過圖像測(cè)量的方式得到壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)，可以更加直觀地觀測(cè)到管道本體狀況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道存在腐蝕減薄情況時(shí)，通過數(shù)字射線檢測(cè)圖像更容易測(cè)量減薄程度，并得到管道腐蝕最嚴(yán)重部位的壁厚最小值。因此，數(shù)字射線壁厚測(cè)量技術(shù)相比傳統(tǒng)單點(diǎn)超聲壁厚測(cè)量更容易發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄情況。
該方法基于數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)，測(cè)量在役管道側(cè)壁部位的壁厚絕對(duì)值，現(xiàn)階段其他無損檢測(cè)方法目前還無法實(shí)現(xiàn)這一功能。將已知尺寸的物體作為標(biāo)定物，可以實(shí)現(xiàn)在不知道管道尺寸的情況下，直接測(cè)量管道壁厚絕對(duì)值。該方法可以與數(shù)字射線缺陷檢測(cè)合并進(jìn)行，從而降低檢測(cè)次數(shù)，提高檢測(cè)效率。在測(cè)量管道側(cè)面外部邊緣線性區(qū)域內(nèi)的壁厚，與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)的單點(diǎn)測(cè)厚相比，測(cè)量區(qū)域更大。另外，該方法在測(cè)量過程中，可以根據(jù)灰度發(fā)現(xiàn)管道是否存在腐蝕，并能精確對(duì)腐蝕最嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行壁厚測(cè)量。相比超聲測(cè)厚，只能測(cè)量超聲探頭部位下的管道厚度，常常無法精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)壁厚最小部位。
綜上所述，本文采用數(shù)字射線對(duì)管道保溫層下腐蝕深度進(jìn)行測(cè)量，相比傳統(tǒng)超聲測(cè)厚方法，數(shù)字射線壁厚測(cè)量的結(jié)果更加直觀，測(cè)厚精度更高。
通過選定標(biāo)定物來標(biāo)定圖像中的像素尺寸，計(jì)算單個(gè)像素與已知尺寸的比例關(guān)系，得到圖像中管道壁厚的尺寸。他比式的管道壁厚數(shù)字射線在役測(cè)量方法可以對(duì)保溫層下管道進(jìn)行壁厚測(cè)量，測(cè)量最大誤差為4%，測(cè)量精度能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。
在實(shí)際應(yīng)用過程中，數(shù)字射線在檢測(cè)時(shí)需要搭設(shè)專用腳手架用于放置射線機(jī)和成像板，檢測(cè)效率相對(duì)較低。因此該方法主要用于在役管道不停車狀況下的壁厚測(cè)量。
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