海洋工程管道腐蚀损伤深度无损评价方法_检测资讯

海洋工程管道腐蚀损伤深度无损评价方法

嘉峪检测网 2024-09-14 08:17

随着能源资源需求的日益增加，海洋资源的开发利用成为全世界发展的重点。管道系统作为人类社会的重要基础设施，与公路、铁路、空运及水运并称为五大运输方法，也是海洋资源开发的重要输送系统。由于海洋大气环境、海水介质、高静压低温环境和微生物等，海洋工程管道的腐蚀问题尤为严峻。据统计，腐蚀已成为海洋工程管道泄漏失效的最大影响因素，对管道系统的安全运行造成了严重威胁。因此，开展海洋工程管道腐蚀损伤无损评价研究具有重大的意义。

为保障海洋工程管道安全，世界各国均致力于研究和开发针对海洋工程管道腐蚀的无损检测技术，包括海上管道无损检测技术和水下管道无损检测技术，尤其是水下管道无损检测技术，因其复杂的环境，受到了国内外学者的广泛关注。

目前，研究主要聚焦检测方法、机器人技术及腐蚀损伤评估等方面。在检测方法方面，研究涵盖了超声、涡流、漏磁和射线等检测方法。

超声法在用于检测埋地或带保温管道时，需要开挖管道或拆除保温层，工作效率低，而且要求工作表面光滑；涡流法检测管道的影响因素很多，检测精度较低；漏磁法灵敏度低，且限制铁磁材料，被检件形状不可过于复杂；射线法具有无需拆保温层、成像直观等优点，可对缺陷定性与定位，但对腐蚀深度的定量较为困难。

近年来，国内外学者在管道腐蚀射线检测（包括切向法和灰度法）方面开展了不少研究，主要集中在图像灰度与透照厚度的关系模型、误差分析与校正、试验验证、图像处理及AI应用等方面，射线检测在管道腐蚀检测中得到了越来越广泛的工程应用。

另外，小焦点射线机、高分辨率平板探测器、先进的图像处理方法与人工智能深度学习算法等技术的迅速发展，为管道腐蚀射线检测技术应用提供了设备及技术支持；同时，国际标准ISO 20769-1:2018，ISO 20769-2:2018和国家标准GB/T 43658.1-2024，GB/T 43658-2:2024为射线检测技术在定性与定量评价管道腐蚀方面的进一步推广应用提供了规范支持。

技术原理与误差分析

1、切向法

利用切向法X射线或γ射线检测技术评估管道腐蚀状况，其核心原理在于测量管壁边界的壁厚变化。图1是切向法射线检测技术的两种透照布置方式，分别是射线源位于管道中心线的切向透照和射线源偏离管道中心的切向透照，其可在不拆保温层情况下检测。

图1 切向法透照布置示意

如图1所示，射线束与管道内壁及外壁相切，可对管道内外壁轮廓成像，检测有效区域为内外壁相切的中间区域（图中阴影部分），当被检区域内壁或外壁存在腐蚀等导致壁厚变化的情况时，可在检测图像中显示。

由于投影放大的原因，在检测图像上的影像会有所放大，放大倍数与焦距和管径（F/D0）的比值成反比。因此，不能直接以检测图像上的尺寸作为缺陷定量尺寸。

一般情况下，需采用标定器进行尺寸标定，以校正由于射线源、管道和成像器件的透照布置引起的影像尺寸几何放大。标定器采用已知直径和公差的球型对比试件，放置在靠近管道的位置，与管道壁厚上的切线位置在同一个平面上，如图2所示。

图2 对比试块尺寸标定的切向法射线检测示意

当采用切向法对管道腐蚀进行检测时，被检区域外壁透照厚度为0，内壁透照厚度（图1中AB）最大。

由图3可见，最大透照厚度与管径及壁厚成正比，当管径大于200 mm，壁厚大于10 mm时，最大透照厚度接近100 mm。因此，国内外学者认为切向法射线检测一般应用于20.32 cm以下的管道腐蚀检查，对于更大管径的管道，边界轮廓会变得模糊，定量误差较大。同时，受管道边蚀效应影响，切向法射线检测对管道外壁的腐蚀检测也存在较大的定位误差。

图3 不同管径和壁厚对应的最大穿透厚度

2、灰度法

由Beer定律可知，射线穿透工件后的强度I(w)与透照厚度w存在关系式：

I(w)=I(0)exp(-μw)

式中：I(0)为入射射线强度；μ为衰减系数。

透照厚度差会引起底片黑度或数字图像灰度的相应改变，如果两个不同透照厚度值w1和w2的入射射线强度和衰减系数相同，则满足：

w2-w1=(1/μ)·ln[I(w1)/I(w2)]

对于射线成像系统，其接收的射线强度（曝光量）与图像灰度G呈线性关系，如公式(1)所示：

因此，可采用测量的最小灰度差比值确定数字射线成像的辐射强度比，如公式(2)所示：

式中：k为检测系统灰度转变常数；G0为本底灰度；G1和G2分别为w1和w2处的图像灰度。

通过测量衰减系数、正常区域灰度、腐蚀区域灰度，可计算出腐蚀区域的壁厚损失量。因此，材料衰减系数的测量对灰度法检测管道腐蚀尤为重要，衰减系数与射线能量、物质的原子序数和密度均有关，与管电压成正比，与透照厚度成反比。

对于管道腐蚀检测，被测材料的有效线衰减系数可能受到散射线影响。在被检测工件上放置一个小阶梯试块，且阶梯试块每层台阶精确加工的厚度已知，测量不同厚度处的灰度值，并拟合成公式(1)指数趋势，从而计算出被检测材料的衰减系数。

然而，根据射线成像原理，与透照中心相比，管道或弯头的射线检查图像在边缘处的透照厚度更大，且随着距管道透照中心线距离的增加，透照厚度增加。透照厚度的变化可分解为轴向位置影响和径向位置影响，为提升公式(2)计算值的准确性，需分析轴向位置和径向位置的穿透厚度与壁厚的换算关系。

透照厚度的径向变化

如图4所示，随着射线束与水平面之间角度的增加，透照厚度增加。从图中的三角形关系可知AB=CD，其透照总厚度为AB+CD，在ΔOAB中，径向透照厚度wJ 满足关系式(3)：

式中：R为管半径；sj 为径向夹角。

图4 灰度法射线检测横截面示意

透照厚度的轴向变化

在轴向，随着射线束偏离中心，透照厚度也增加，然而与径向变化不同的是，透照厚度的轴向变化需要考虑直管段和弯管。如图5所示，不同情况下射线束的透照厚度计算方式有所不同。

图5 灰度法射线检测轴向截面示意

对于直管段，如图5(a)所示，透照厚度wZ的计算公式见关系式(4)：

对于外凸弯管，如图5(b)所示，透照厚度的计算公式见关系式(5)：

对于内凹弯管，如图5(c)所示，透照厚度的计算公式见关系式(6)：

因此，总透照厚度需结合径向和轴向增量变化计算，如图6所示，对于s处的透照总厚度，根据公式(3)计算径向增量，再代入到对应的轴向变化公式，即公式(4)~(6)得到：

式中：sZ为轴向夹角；d为轴向距离；F为透照焦距；Rp为管道曲率半径。

图6 检测影像示意

3、海洋工程管道应用分析

由于介质差异，海上管道与水下管道的检测区别较大。海水环境对射线的衰减大，且潜水员辐射防护控制难，以往水下射线检测（UWRT）应用有限。但水下检测机器人的发展解决了水下辐射安全问题，射线检测法具有定位定量方便、结果直观等优势，使水环境中的管道腐蚀无损评价已成为可能。

GB/T 43658.1-2024标准要求，切向法射线源至探测器的距离lSDD需满足：lSDD≥lPDD+3.5D0，其中lPDD为管道中心至探测器距离，D0为管外径。

水的衰减系数约为钢的1/5，切向法检测海水环境中管道的腐蚀情况，其实际穿透厚度约等于管径。因此，切向法一般仅应用于小径管的检测，若需检测更大径管，可使用气囊或特殊工装，减少海水的影响。

从灰度法透照布置可知，海水环境对灰度法检测管道腐蚀情况影响较小，其主要影响因素为管道内部介质的情况，若管道内部充满了液体介质，由于介质对射线的衰减，其检测范围和灵敏度均有一定的下降。

因此，当采用射线检测对海洋工程管道腐蚀情况进行无损评价时，应根据被检对象规格、环境等因素，开发适应性的检测工艺及水下检查机器人。

检测试验验证

1、切向法

试验设计模拟试样，规格为ϕ60 mm×5 mm，并在内壁/外壁刻一排ϕ5 mm阶梯孔，孔深分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mm。采用X射线数字成像系统对模拟试样进行检测，采用直径为10 mm的小球作为标定器，试验工艺参数如表1所示。检测图像见图7，采用小球试块对尺寸标定后，用交互式方法测量管壁厚度和所有平底孔的深度，表2为测量结果及误差。

图7 切向法检测图像

表1 试验工艺参数

表2 切向法平底孔深度测量结果及误差

由表2可知，测量值与实际值误差不超过0.2 mm，轴向偏移对切向法测量腐蚀深度影响较大，正确采用切向法对管道腐蚀缺陷进行定性与定量具有一定的可行性。

2、灰度法

试验采用ERESCO MF4型射线机，管电压10~300 kV，管电流0.5~6 mA，有效焦点1 mm。平板探测器型号为CareView 750，像元尺寸120 μm，模/数转换位数为16 bit。

试验试样包括阶梯试块和腐蚀样管。阶梯试块的尺寸为12 mm×12 mm，厚度分别为4，5，6，8，10，12，14 mm；腐蚀样管的尺寸为ϕ60 mm×5 mm，2排阶梯孔，孔径分别为5和8 mm，孔深分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 mm。

采用灰度法对管道腐蚀深度进行定量分析，需确保射线检测图像灰度与接收射线强度呈现良好的线性关系，在测量被检工件的衰减系数后进行射线透照试验，可通过公式(2)计算管道腐蚀深度。

射线检测系统线性测试

为验证试验用数字射线成像系统接收射线强度与底片灰度间具有良好的线性，采用阶梯试块，固定电压、电流分别为120 kV和1.5 mA，选用不同的曝光时间进行垂直透照试验，选取图像中阶梯试块上3个固定位置的灰度取平均值。根据数据绘制灰度值与曝光时间的曲线，如图8所示，数字射线成像系统测得的灰度值与曝光时间呈良好的线性关系。