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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-11-29 14:18
發(fā)展氫能是實(shí)現(xiàn)中國(guó)能源綠色轉(zhuǎn)型的重要途徑，氫能儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)，氫能儲(chǔ)運(yùn)的方式主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)存、液態(tài)儲(chǔ)存、固態(tài)儲(chǔ)存等方式。液氫是一種低溫（−253 ℃）的深冷液體，密度為0.0709 g/cm3，具有壓力低、熱值和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，液態(tài)儲(chǔ)氫在氫能儲(chǔ)運(yùn)中的優(yōu)勢(shì)十分明顯。
隨著氫能的快速發(fā)展，更多的液氫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備投入使用，液氫管道是氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的連接樞紐，在液氫輸送、儲(chǔ)存、加注等環(huán)節(jié)中發(fā)揮不可替代的作用。
通過(guò)前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，液氫管道一般采用高真空多層絕熱方式，管道材料一般采用奧氏體不銹鋼，管道內(nèi)管的連接采用焊接方式實(shí)現(xiàn)。
為了保障氫能的可持續(xù)發(fā)展，氫安全防護(hù)和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速。管道運(yùn)行期間，定期檢驗(yàn)是保證液氫管道安全使用的必要手段。
按照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》的要求，管道一般需要排空液體介質(zhì)后停止運(yùn)行再實(shí)施停機(jī)檢驗(yàn)，而液氫管道介質(zhì)清空的周期長(zhǎng)、成本高，即使排空液體介質(zhì)，其內(nèi)管和外管的雙層全封閉結(jié)構(gòu)亦使得常規(guī)檢測(cè)難以實(shí)施，故需要研究針對(duì)性的檢測(cè)技術(shù)，實(shí)施在線檢測(cè)，從而保障液氫管道的安全運(yùn)行。
一、在役液氫管道失效和損傷模式分析
液氫管道可能出現(xiàn)的失效和損傷模式包括真空性能下降、低溫脆斷、疲勞斷裂、氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、安全附件失效等。
真空性能下降
高真空度是液氫管道絕熱性能的重要技術(shù)指標(biāo)。雙層管夾層的絕熱空間真空度應(yīng)抽到10-3 Pa以下，絕熱性能對(duì)液氫管道安全主要有兩個(gè)方面的影響：
其一是隨著真空度的降低，夾層氣體的熱傳導(dǎo)率提高，造成液氫管道外管結(jié)霜或結(jié)冰，甚至造成管件凍裂；
其二是液氫管道的絕熱性能下降，液氫溫度升高氣化，導(dǎo)致液氫體積膨脹壓力升高，使管道壓力超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道破裂以及液氫泄漏，發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸的嚴(yán)重后果。
低溫脆斷
液氫的溫度極低（20 K），可能使管道材料的機(jī)械性能下降。當(dāng)管道材料和焊接接頭存在不連續(xù)且不連續(xù)處的應(yīng)力超過(guò)斷裂韌性臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。低溫脆斷的危害性極大，而且不易察覺(jué)。
液氫管道的內(nèi)管直接和液氫接觸，內(nèi)管的安裝一般采用整體性能好的對(duì)焊焊接，焊接接頭采用100%射線檢測(cè)，不允許存在裂紋、未熔合等危害性缺陷。
疲勞斷裂
液氫管道的周期性運(yùn)行、液氫的加注、啟停等工序下，壓力、溫度大幅度變化，易導(dǎo)致管道應(yīng)力集中部位形成裂紋源及疲勞裂紋。
疲勞的影響因素包括壓力、溫度的變化幅度和循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力集中部位包括管道的角焊縫、焊縫中的缺陷等不連續(xù)部位。
氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂
300系列不銹鋼屬于氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感材料，對(duì)于300系列不銹鋼制容器和管道，損傷機(jī)理識(shí)別需要考慮氯化物的影響。
靠近冷水塔或下風(fēng)口的不銹鋼管道，或者沿海的液氫裝置，漂水或海風(fēng)中攜帶的氯離子會(huì)在其表面或管托等處冷凝積聚，可能在管道拉應(yīng)力作用下發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。
安全附件及儀表失效
液氫深冷工況對(duì)壓力表、安全閥、緊急切斷閥等安全附件及儀表的可靠性是個(gè)極大的考驗(yàn)。
在極低的溫度下，壓力表的指示可能出現(xiàn)異常，無(wú)法反映管道的真實(shí)壓力，以及安全閥的出口可能結(jié)冰堵塞，存在安全閥、緊急切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)失靈等安全隱患，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生氫氣超壓泄漏或管道破裂等事故。
二、液氫管道在線檢測(cè)技術(shù)
液氫管道檢驗(yàn)應(yīng)依據(jù)在役液氫管道失效和損傷模式分析，采取相對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)檢測(cè)方法，根據(jù)前期的資料審查和管道的運(yùn)行情況制定在線檢驗(yàn)方案。
在線檢測(cè)技術(shù)包括目視檢測(cè)、壁厚檢測(cè)、真空度和泄漏檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)、射線數(shù)字成像檢測(cè)（DR）等。
目視檢測(cè)
主要通過(guò)肉眼進(jìn)行直接目視檢測(cè)，必要時(shí)配備輔助光源和低倍放大鏡等工具，檢測(cè)內(nèi)容包括：
① 檢查管道結(jié)構(gòu)，相鄰管道的間距是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求、管道有無(wú)異常振動(dòng)或相互摩擦、管道的支吊架是否變形或者開(kāi)裂、支座是否下沉傾斜、基礎(chǔ)有無(wú)損壞、地腳螺栓是否完好；
② 管道的外表面、閥門、法蘭、真空密封接頭是否結(jié)霜、結(jié)冰；
③ 管道閥門、法蘭焊縫、外管連接焊縫和容器本體連接焊縫的外表面有無(wú)裂紋、腐蝕等缺陷；
④ 安全閥的出口和排放管是否堵塞或結(jié)冰，緊急切斷閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)和安全閥的限位裝置是否異常；
⑤ 如果管道有法蘭跨接導(dǎo)線或安裝了接地裝置，對(duì)跨接電阻和接地電阻進(jìn)行測(cè)量，避免管道產(chǎn)生靜電（靜電能形成點(diǎn)火源或者干擾管道電氣設(shè)施的正常運(yùn)行）。
壁厚檢測(cè)
管道壁厚檢測(cè)一般采用脈沖反射式超聲測(cè)厚，選擇彎管、變形等有代表性的位置進(jìn)行測(cè)厚，管道直管段進(jìn)行壁厚抽查，要保證足夠的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)。
帶有防腐層的管道可以采用電磁超聲或渦流測(cè)厚，電磁超聲測(cè)厚和渦流測(cè)厚都不需要耦合劑，不需要去除防腐層能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，檢測(cè)效率高。
真空度和泄漏檢測(cè)
如果液氫管道預(yù)留了真空度測(cè)量接口，則可使用真空計(jì)對(duì)雙層管夾層的真空度進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)管道存儲(chǔ)液氫時(shí)的真空度是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
對(duì)于未留有真空度測(cè)量接口的液氫管道，可以進(jìn)行泄漏檢測(cè)，即利用真空管道夾層的內(nèi)外壓力差，使用檢漏液對(duì)法蘭、閥門等密封結(jié)構(gòu)易發(fā)生泄漏部位進(jìn)行泄漏檢測(cè)。
但是，泄漏檢測(cè)只能對(duì)密封結(jié)構(gòu)或者焊縫是否泄漏進(jìn)行定性測(cè)量，不能用于絕熱材料放氣等導(dǎo)致真空度降低的檢測(cè)。
滲透檢測(cè)
液氫管道采用奧氏體不銹鋼非鐵磁性材料，磁粉檢測(cè)無(wú)法實(shí)施，因此滲透檢測(cè)是其表面檢測(cè)的重要手段。
與渦流檢測(cè)比較，滲透檢測(cè)不受管道和焊縫等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響，多用于管道閥門、法蘭和設(shè)備接口的角焊縫檢測(cè)，溶劑去除型滲透檢測(cè)方法無(wú)需水電，適用于現(xiàn)場(chǎng)的在線檢測(cè)，但對(duì)表面的光潔度要求比渦流檢測(cè)的要求高。
渦流檢測(cè)
渦流檢測(cè)可以檢測(cè)液氫管道的管子和焊縫表面及近表面缺陷，對(duì)于表面光潔度要求低。隨著電磁學(xué)研究的深入，研究人員在渦流檢測(cè)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)新技術(shù)，比如陣列渦流和脈沖渦流檢測(cè)。
陣列渦流不受缺陷方向的影響，檢測(cè)效率和靈敏度高；脈沖渦流可以對(duì)一定深度的缺陷實(shí)施檢測(cè)，液氫管道壁厚薄，甚至可以實(shí)現(xiàn)全壁厚檢測(cè)。
對(duì)于表面開(kāi)口缺陷的檢測(cè)如氯化物應(yīng)力開(kāi)裂，渦流檢測(cè)的靈敏度低于滲透檢測(cè)。
紅外熱成像檢測(cè)
紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)以紅外輻射的原理為基礎(chǔ)，通過(guò)檢測(cè)熱量在物體內(nèi)部的傳遞狀況來(lái)進(jìn)行缺陷的判別。
液氫為深冷液體，液氫和周圍環(huán)境存在巨大的溫差，在雙層管內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱量的流動(dòng)。如果雙層管內(nèi)部存在裂縫和缺陷，或者夾層真空性能下降，管道溫度分布則會(huì)不均勻，從而形成“熱點(diǎn)”高溫區(qū)，通過(guò)紅外熱像儀可以顯示溫度的差異。即通過(guò)液氫管道熱狀態(tài)的變化和異常，來(lái)判斷管道絕熱效果的可靠性。
通過(guò)紅外熱成像檢測(cè)焊縫、閥門、法蘭等易泄漏部位，找出溫差異常部位，可檢測(cè)設(shè)備的絕熱性能和液氫泄漏情況。
紅外熱成像可以不直接接觸液氫管道實(shí)施遠(yuǎn)程檢測(cè)，掃查范圍大。作者所在團(tuán)隊(duì)對(duì)LNG裝置工藝管道進(jìn)行了紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用，結(jié)果表明該技術(shù)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道絕熱性能異常部位。
射線數(shù)字成像檢測(cè)
液氫管道焊縫埋藏缺陷的檢測(cè)技術(shù)以射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)為主，液氫管道的材料為奧氏體不銹鋼，壁厚偏薄，焊縫奧氏體晶粒粗大，超聲檢測(cè)（包括衍射時(shí)差法和相控陣超聲檢測(cè)）效果不理想，而且超聲檢測(cè)不能對(duì)內(nèi)管實(shí)施檢測(cè)。
液氫管道由于內(nèi)管不可見(jiàn)的特殊性，上述目視檢測(cè)、壁厚檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)只能用于外管的檢測(cè)，而液氫管道的內(nèi)管和液氫直接接觸，損傷風(fēng)險(xiǎn)更高且不易察覺(jué)。
通過(guò)對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)對(duì)象適用性的比較，發(fā)現(xiàn)目前只有射線檢測(cè)技術(shù)可以用于內(nèi)管焊縫缺陷的在役檢測(cè)。
射線檢測(cè)包括射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)和射線膠片照相，射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)射線膠片照相原理相同，不同點(diǎn)主要在于接收器件和顯示方式上。
相比于傳統(tǒng)的膠片照相，射線數(shù)字成像檢測(cè)厚度、寬容度和動(dòng)態(tài)范圍大，圖像對(duì)比度、信噪比高，檢測(cè)圖像可以通過(guò)軟件進(jìn)行后期處理，沒(méi)有暗室處理環(huán)節(jié)，缺陷的顯示更加直觀便于評(píng)定，在液體管道檢測(cè)上優(yōu)勢(shì)明顯。可以現(xiàn)場(chǎng)初步評(píng)定檢測(cè)結(jié)果。
為了驗(yàn)證液氫管道DR在線檢測(cè)的可行性，為液氫管道在線檢測(cè)提供依據(jù)，對(duì)含有人工缺陷的雙層管內(nèi)管加注液體介質(zhì)，進(jìn)行帶液雙層管內(nèi)管焊縫DR檢測(cè)試驗(yàn)。
三、帶液雙層管DR檢測(cè)試驗(yàn) 試件設(shè)計(jì)
管道試件的材料選用304奧氏體不銹鋼，結(jié)構(gòu)為內(nèi)外雙層管，內(nèi)管采用對(duì)接焊接接頭，焊縫中預(yù)先制作氣孔、未焊透和裂紋等典型缺陷。雙層管試件的具體規(guī)格和缺陷類型如表1所示，檢測(cè)試驗(yàn)如圖1所示。
表1 含典型缺陷的雙層管試件規(guī)格(mm)
圖1 雙層管試件和檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
射線數(shù)字成像系統(tǒng)
射線數(shù)字成像系統(tǒng)的主要設(shè)備有高頻射線機(jī)、探測(cè)器、單絲和雙絲像質(zhì)計(jì)等。
X射線機(jī)型號(hào)為MG452，焦點(diǎn)0.4/1.0 mm，管電壓20~450 kV可調(diào)，管電流0~15 mA可調(diào)。
探測(cè)器型號(hào)為XRD1621，轉(zhuǎn)換屏型號(hào)為DRZ，像素200 μm，16位，成像面積409.6 mm×409.6 mm。
試驗(yàn)實(shí)施
內(nèi)管試件在人工缺陷制作完成后，先采用射線膠片照相檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)，獲得了較高的圖像質(zhì)量和較好的缺陷檢出效果，檢測(cè)完成后再安裝外管進(jìn)行帶液雙層管DR檢測(cè)試驗(yàn)。
試件介質(zhì)采用汽油，汽油的密度為0.75 g/cm3，液氫的密度為0.07 g/cm3。試件介質(zhì)如能采用液氫，試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際最為貼近，但液氫制取困難，而且液氫的溫度極低，絕熱性能要求很高，試件制作困難、成本高，試驗(yàn)的安全防護(hù)難度大，而且試件含有危害性缺陷，試驗(yàn)可能出現(xiàn)不可預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)。
考慮試驗(yàn)的安全和可操作性，試驗(yàn)液體介質(zhì)使用汽油代替液氫。介質(zhì)密度和射線的衰減近似呈正比關(guān)系，故為了保證射線穿透力，需要相應(yīng)地提高透照電壓。
先進(jìn)行不帶介質(zhì)的雙層管試件內(nèi)管焊縫的DR檢測(cè)，再加注介質(zhì)進(jìn)行帶液DR檢測(cè)，按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測(cè)》進(jìn)行兩種工況下的圖像質(zhì)量評(píng)定。
試驗(yàn)結(jié)果分析
對(duì)DR檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行采集，在不同工況下，對(duì)液體介質(zhì)和雙層管外管的圖像質(zhì)量和缺陷的檢出情況進(jìn)行分析。
1、圖像質(zhì)量的影響
對(duì)圖像質(zhì)量的兩個(gè)重要指標(biāo)（靈敏度和分辨率）進(jìn)行比對(duì)和評(píng)定，無(wú)介質(zhì)的內(nèi)管DR檢測(cè)圖像的靈敏度高，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。
受制于探測(cè)器結(jié)構(gòu)和制作技術(shù)，DR的分辨率要低于膠片系統(tǒng)，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)補(bǔ)償原則，圖像靈敏度可以滿足標(biāo)準(zhǔn)。
檢測(cè)時(shí)，液體介質(zhì)吸收射線，造成射線能量衰減。隨著管徑的增加，介質(zhì)的等效厚度增大，靈敏度下降一個(gè)等級(jí)，分辨率下降1~2個(gè)等級(jí)。
DN80和DN100管徑的分辨率通過(guò)補(bǔ)償原則，還是不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，圖像質(zhì)量如表2所示（括號(hào)內(nèi)的靈敏度和分辨率為標(biāo)準(zhǔn)要求）。
表2 各試件內(nèi)管檢測(cè)圖像質(zhì)量
2、缺陷的檢出影響
液體介質(zhì)等效于透照厚度的增加，會(huì)使得缺陷的對(duì)比度下降，靈敏度降低，細(xì)小的缺陷難以檢出，而且缺陷的細(xì)節(jié)變得模糊或者難以分辨，缺陷定性變得困難，容易發(fā)生誤評(píng)和漏評(píng)。
對(duì)兩種工況下DR檢出缺陷進(jìn)行評(píng)定，氣孔、未焊透和裂紋等缺陷均可以檢出，如圖2~9所示。
圖2 φ25×4內(nèi)管裂紋在有無(wú)介質(zhì)狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果
圖3 φ32×4內(nèi)管未焊透在有無(wú)介質(zhì)狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果
圖4 φ38×4內(nèi)管裂紋在有無(wú)介質(zhì)狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果
圖5 φ45×4內(nèi)管未焊透在有無(wú)介質(zhì)狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果
圖6 φ57×4內(nèi)管未焊透在有無(wú)介質(zhì)狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果
圖7 φ76×4內(nèi)管未焊透在有無(wú)介質(zhì)狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果
圖8 φ89×4內(nèi)管裂紋在有無(wú)介質(zhì)狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果
圖9 φ108×4內(nèi)管裂紋在有無(wú)介質(zhì)狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果
3、外管的影響
雙層管外管對(duì)射線檢測(cè)的影響不可忽略，外管的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。
其一是外管的壁厚增加了透照厚度，提高了透照管電壓，使圖像質(zhì)量下降。
其二，外管和內(nèi)管的距離使得探測(cè)器不能貼近內(nèi)管，被動(dòng)地增加了射線數(shù)字成像放大倍數(shù)。特定的成像系統(tǒng)存在一個(gè)最佳放大倍數(shù)，超過(guò)最佳放大倍數(shù)時(shí)，射線檢測(cè)的質(zhì)量隨之下降。
外管壁厚和液體介質(zhì)使得透照厚度增加，需要使用較大的焦點(diǎn)提高射線能量。外管的綜合影響會(huì)降低圖像靈敏度和分辨率，導(dǎo)致缺陷的細(xì)節(jié)模糊甚至消失。裂紋末端的微小鋸齒形狀難以辨識(shí)，缺陷的定性容易誤判，如圖10所示。
圖10 φ108×4內(nèi)管裂紋在外管安裝前后的檢測(cè)結(jié)果
結(jié)論
(1) 采取目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)等檢測(cè)技術(shù)，可以有效檢測(cè)管道的結(jié)構(gòu)和外觀；采取真空度檢測(cè)，輔以泄漏檢測(cè)和紅外熱成像檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)液氫管道的絕熱性能檢測(cè)。
(2) 液氫管道內(nèi)管液體介質(zhì)DR檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了在役液氫管道數(shù)字成像技術(shù)在線檢測(cè)的可行性和有效性。試驗(yàn)介質(zhì)密度比液氫的密度大，試驗(yàn)結(jié)果是偏保守的。如果介質(zhì)為液氫，檢測(cè)圖像質(zhì)量和缺陷對(duì)比度還會(huì)得到相應(yīng)的提升。
作者：郝剛1,2，段志祥1,2，代淮北1,2，胡杭健1,2，李璐3，楊坤3
工作單位：1. 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院
2. 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（氫能儲(chǔ)運(yùn)裝備安全）
3. 北京中科富海低溫科技有限公司
第一作者簡(jiǎn)介：郝剛，工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)及相關(guān)科研工作。
來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2024年9期
來(lái)源：無(wú)損檢測(cè)NDT
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