分享：海洋工程管道腐蚀损伤深度无损评价方法

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[1]。《2022年中国海洋经济统计公报》显示,全国海洋生产总值94 628亿元,占国内生产总值的7.8%,其中海洋油气等资源生产总值2 724亿元,油、气产量分别同比增长6.2%和10.2%,海上油气勘探开发向深远海拓展。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[2],也是海洋资源开发的重要输送系统。由于海洋大气环境[3]、海水介质[4]、高静压低温环境[5]和微生物[6]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,这对管道系统的安全运行造成了严重威胁[7]。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[1]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[8-11]、机器人技术[12]及腐蚀损伤评估[13]等方面。在检测方法方面,研究涵盖了超声检测法[8-9]、涡流检测法、漏磁检测法[10]和射线检测法[11]等。超声检测法在用于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；在用涡流法检测待测管道时,影响因素很多,检测精度较低；漏磁检测法灵敏度低,且限制铁磁材料,被检件形状不可过于复杂；射线检测法是根据射线穿透物质的衰减规律,通过成像器件将衰减信息以图像的形式呈现,当被检管道局部存在腐蚀等缺陷时,穿透厚度不一致,因此射线强度衰减程度不一致。该方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[14-15]和灰度法[16-19])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[16-17]、误差分析与校正[17-18]、试验验证[14-18,20]、图像处理及AI应用[19]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(AI)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。 

笔者介绍了切向法和灰度法射线检测在定量测定腐蚀损伤深度方面的原理,分别对两种方法的检测误差进行了理论分析,基于径向和轴向穿透厚度变化规律,提出了灰度法射线检查厚度修正方法。以平底阶梯孔试样为试验对象,分别进行了切向法和灰度法射线检测。 

1.   技术原理与误差分析

1.1   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

Figure  1.  Schematic diagram of penetration arrangement for tangential radiography:(a)source on the pipe centre line; (b)source offset from the pipe centre line

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,见图2。 

图  2  对比试块尺寸标定的切向法射线检测示意

Figure  2.  Schematic diagram of tangential radiography of comparators for dimensional calibration

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,见式(1)。 

式中：L为最大透照(穿透)厚度,mm；D0为管外径,mm；T为管壁厚,mm。 

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[20],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

Figure  3.  Maximum penetration thickness for different pipe diameters and wall thicknesses

1.2   灰度法

由Beer定律可知,射线穿透工件后的强度与透照厚度存在以下关系[16],见式(2)。 

式中：w为透照厚度；I(w)为w穿透厚度时的射线强度；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,则满足式(3)。 

对于射线成像系统,其接收的射线强度(曝光量)与图像灰度呈线性关系,见式(4)。 

式中：G为图像灰度；k为检测系统灰度转变常数。 

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,见式(5)。 

式中：G0为本底灰度；G1为w1处图像灰度；G2为w2处图像灰度。 

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[18]。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(4)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。为提升式(5)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。 

1.2.1   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4中三角形关系可知,AB=CD,其透照总厚度为AB+CD,在ΔOAB中,根据余弦定理,wJ满足关系式(6)。 

式中：wJ为径向透照厚度；R为管半径；s为∠AOB。 

图  4  灰度法射线检测横截面示意

Figure  4.  Schematic diagram of cross-section of gray radiography detection

根据正弦定理,s满足关系式(7)。 

式中：sj为径向夹角。 

1.2.2   透照厚度的轴向变化

在轴向方向,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

Figure  5.  Schematic of the axial cross-section of gray radiography detection:(a) straight section of pipe; (b) elbow extrados; (c) elbow intrados

对于直管段,如图5(a)所示,透照厚度计算公式见式(8)~(9)。 

式中：wZ为轴向透照厚度；sZ为轴向夹角；d为轴向距离；F为透照焦距。 

对于外凸弯管,如图5(b)所示,透照厚度计算公式见式(10)。 

式中：Rp为管道曲率半径。 

对于内凹弯管,如图5(c)所示,透照厚度计算公式见式(11)。 

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(6)计算径向增量,再代入到对应的轴向变化公式,即公式(8)、(9)和(11),如式(12)所示,且sZ、sj和F满足关系式(13)~(14)。 

图  6  检测影像示意

Figure  6.  Schematic diagram of radiographic image

1.3   海洋工程管道应用分析

前文讨论了管道腐蚀射线检测的原理,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《无损检测　管道腐蚀及沉积物X和伽马射线检测　第1部分：切向射线检测》标准要求,切向法射线源至探测器的距离需满足式(15)。 

式中：lSDD为射线源至探测器距离；lPDD为管道中心至探测器距离。 

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。 

2.   检测试验验证

2.1   切向法试验验证

试验设计模拟试样,规格为?60 mm×5 mm,并在内壁/外壁刻一排?5 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

Figure  7.  Images of tangential radiography: (a) flat bottom stepped holes on the inside; (b) flat bottom stepped holes in the outer wall

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。 

2.2   灰度法试验验证

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(A/D)转换位数为16 bit。试验试样包括阶梯试块和腐蚀样管,被检试样信息见表3。 

根据2.2节的介绍,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,可通过式(5)计算管道腐蚀深度。 

2.2.1   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、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,结果见表4。 

根据表4中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。 

图  8  射线检测系统线性测试结果

Figure  8.  Linearity test results of radiographic inspection systems

2.2.2   衰减系数测定

设置透照焦距为900 mm,采用不同的透照参数对阶梯试块进行透照试验,测量图像中各阶梯试块中心区域的灰度值,测量点数量不低于3处,取其平均值,结果见表5。 

根据式(8),射线强度(灰度值)与透照厚度呈指数关系,对表5中的数据进行拟合,得到不同透照参数下灰度值与阶梯试块厚度的对应关系见图9,其中虚线为拟合后的指数关系。如图9所示,图像灰度值与阶梯试块厚度呈类似指数关系,衰减系数随着透照电压的增加而减小。 

图  9  不同透照参数下灰度值与阶梯试块厚度的关系曲线

Figure  9.  The relationship curves between gray value and the thickness of step test block under different transmission parameters

2.2.3   腐蚀样管试验

采用双壁双影透照技术,分别对腐蚀样管中?5 mm平底孔和?8 mm平底孔进行数字射线成像,管电压140 kV,焦距900 mm,透照中心为1.5 mm深平底孔,透照布置见图10,衰减系数为0.211(参考图9)。根据式(5),可通过测量母材和平底孔的灰度值(D母材和D孔)计算平底孔的厚度(w孔),见式(16)。 

图  10  透照布置示意

Figure  10.  Schematic diagram of penetration arrangement

在试验工艺下,实际透照厚度近似于双壁厚度(误差小于0.02 mm),可忽略因轴向位置导致的透照厚度差。图11为?5 mm平底孔和?8 mm平底孔的射线检测图像及孔中心的灰度值分布,分别测量平底孔中心和孔外母材均匀部分的灰度值(测量点数量不少于3个),取其平均值,根据式(16)将灰度值换算成厚度,数据记录见表6。 

图  11  ?5 mm和?8 mm平底孔的射线检测图像及孔中心的灰度值分布

Figure  11.  X-ray detection image and gray value distribution of hole center of ?5 mm (a, b) and ?8 mm (c,d) flat bottom hole

根据表6结果可知,测量值与实际值误差不超过0.1 mm,采用灰度法对管道腐蚀缺陷进行定性与定量测定具有一定的可行性,这为钢管服役腐蚀检查提供了参考。 

3.   结论

(1)基于切向法和灰度法射线检测测量缺陷深度的理论,对该方法进行了误差分析,并分析了切向法误差来源及其局限性,推导了灰度法实际透照厚度与焦距、管道规格、径向位置、轴向位置、弯头曲率的关系,给出了计算公式。 

(2)管道腐蚀试样射线检测结果表明,实测结果与真实值误差很小,低于0.2 mm,灰度法射线检测误差低于0.1 mm,可用于管道腐蚀深度测量。 

(3)由于透照厚度变化较大,切向法检测内外壁腐蚀宜用不同检测参数,轴向偏移对切向法深度定量测定精度影响较大；灰度法测量腐蚀深度对衰减系数的测量要求较高。

文章来源——材料与测试网