吳 斌 張 皓 谷 濤 贠智強(qiáng) 劉振東 魏 楊 韓榮鑫 王劍琨

（1.中國(guó)石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司；2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院集團(tuán)有限公司）

液化天然氣 （Liquefied Natural Gas，LNG）主要成分是甲烷，還有少量的乙烷和丙烷，被公認(rèn)為是地球上最干凈的化石能源。 LNG 在常壓下-162 ℃左右可液化，液化天然氣的體積約為氣態(tài)天然氣體積的1/625。

管道是目前在儲(chǔ)運(yùn)、 加工LNG 過(guò)程中常用的承載方式，LNG 內(nèi)部因含有一些雜質(zhì)而具有一定的腐蝕性，需要對(duì)管道腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)［1～4］。由于在LNG 接收站等場(chǎng)合，管道溫度可低至-160 ℃左右，給現(xiàn)有的腐蝕檢測(cè)帶來(lái)了困難［5］。

超聲檢測(cè)技術(shù)（UT）是一種重要的工業(yè)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于線材、板材、管道及壓力容器等重要工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝和服役過(guò)程的質(zhì)量安全檢測(cè)當(dāng)中［6］。 按照超聲波的產(chǎn)生方式來(lái)分類， 主流的超聲檢測(cè)技術(shù)主要包括：壓電超聲技術(shù)、電磁超聲技術(shù)、空氣耦合技術(shù)和激光超聲技術(shù)［7～11］。 其中，壓電超聲技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，可以對(duì)金屬材料和非金屬材料進(jìn)行檢測(cè)。 目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有大量成熟的設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中使用，發(fā)揮著重要的作用［12］。

超聲測(cè)厚是目前對(duì)腐蝕厚度進(jìn)行測(cè)量的最常用技術(shù)，然而LNG 管道溫度低，常規(guī)壓電超聲需要使用耦合劑，屬于接觸式檢測(cè)，限制了在超低溫場(chǎng)合的應(yīng)用。

電磁超聲技術(shù)屬于非接觸式測(cè)量，檢測(cè)過(guò)程中無(wú)需使用耦合劑，探頭與試件的距離可高達(dá)數(shù)毫米，可以避免探頭與試件的直接接觸。 目前，電磁超聲腐蝕厚度測(cè)量技術(shù)在石油化工高溫、超高溫管道得到了廣泛應(yīng)用［13］，但是在超低溫在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用還鮮有報(bào)道［14］。

此外，溫度變化會(huì)造成超聲在材料中傳播聲速的變化，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償［15～17］。 然而，現(xiàn)在還沒(méi)有超低溫下LNG 管道材料所用的聲速表。 為此， 需要對(duì)超聲在超低溫下的聲速進(jìn)行測(cè)量，形成準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償曲線，以保證測(cè)量精確度。 筆者將從電磁超聲技術(shù)在LNG 超低溫管道腐蝕檢測(cè)上開(kāi)展研究。

1 電磁超聲換能器原理

電磁超聲技術(shù)的核心設(shè)備是電磁超聲換能器（Electromagnetic acoustic transducer，EMAT）。EMAT 通常由永磁體、線圈和被測(cè)試件本身構(gòu)成，如圖1a 所示為典型的體波測(cè)厚傳感器示意圖。鐵磁性材料中，EMAT 共有3 種作用機(jī)理：洛倫茲力機(jī)理、磁化力機(jī)理和磁致伸縮機(jī)理。EMAT 通過(guò)洛倫茲力機(jī)理的原理如圖1b 所示［18～20］。 當(dāng)EMAT線圈中通以高頻交變電流時(shí)， 由于電磁感應(yīng)作用，金屬試件表面會(huì)感應(yīng)出同頻渦流。 渦流受靜磁場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力。 洛倫茲力帶動(dòng)粒子的交變振動(dòng)，這種振動(dòng)以波的形式傳播即產(chǎn)生了超聲波。 由此可見(jiàn)，電磁超聲技術(shù)是一種直接在試件表面激發(fā)超聲波的技術(shù)， 試件本身就是聲源，因此使用時(shí)無(wú)需耦合劑。 這一點(diǎn)與壓電超聲技術(shù)先從探頭中產(chǎn)生超聲波，然后通過(guò)耦合劑把超聲波傳遞到試件內(nèi)部有本質(zhì)的區(qū)別。

圖1 電磁超聲換能器結(jié)構(gòu)示意和基本原理

EMAT 接收超聲波的過(guò)程與上述過(guò)程相反。當(dāng)超聲波發(fā)射至試件表面時(shí)，由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)而切割磁感線，金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生渦流。 而渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)被EMAT 線圈拾獲，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，完成超聲波的接收。

2 LNG 管道材料溫度補(bǔ)償曲線

LNG 管道所用的材料通常是304 不銹鋼、304L 不銹鋼，為此，筆者對(duì)這兩種材料電磁超聲聲速進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試試件在超低溫下測(cè)試，需要使用液氮并控溫，難度較大。 據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，金屬材料的聲速和溫度呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。 采用普通恒溫箱（通常最低-40 ℃）測(cè)試材料的溫度曲線，如果發(fā)現(xiàn)線性度較好， 則可以反算超低溫下的聲速；如果線性度較差，則需要在超低溫下進(jìn)行測(cè)試。

先在-40～26 ℃范圍內(nèi)對(duì)這兩種材料聲速進(jìn)行測(cè)試，查看材料聲速曲線線性度。 若線性度不佳，將在超低溫恒溫箱中進(jìn)行測(cè)試。

2.1 低溫情況下溫度-聲速曲線

分別加工了厚度6、10、12 mm 的304、304L不銹鋼試塊，采用如圖2 所示的普通恒溫箱進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)試儀器采用零聲科技ETG-200 電磁超聲測(cè)厚儀。 聲速測(cè)量采用儀器自帶的聲速校準(zhǔn)功能，輸入材料厚度，即可反算聲速。 分別測(cè)試在26、20、10、0、-10、-20、-30、-40 ℃下的材料聲速。每一種溫度測(cè)試中，當(dāng)恒溫箱溫度達(dá)到待測(cè)溫度后，保溫20 min，直至試件溫度恒定，聲速不再變化為止。 測(cè)試得到的聲速列于表1、2。

圖2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)定低溫聲速曲線實(shí)驗(yàn)裝置

表1 304 不銹鋼試塊測(cè)試聲速表

表2 304L 不銹鋼試塊測(cè)試聲速表

對(duì)上述聲速進(jìn)行曲線擬合，可得到對(duì)應(yīng)的溫 度-聲速曲線（圖3）。

圖3 不同試塊的溫度-聲速曲線（-40～26 ℃）

根據(jù)圖3 計(jì)算得到的304 和304L 不銹鋼溫度-聲速曲線的線性度分別為0.998 4、0.998 5。在這種線性度下，-160 ℃左右的聲速依舊可能存在較大誤差， 采用這種擬合預(yù)測(cè)超低溫的聲速，預(yù)計(jì)還是會(huì)造成較大偏差。 為此，尋找了能夠?qū)崿F(xiàn)超低溫恒溫的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.2 LNG 管道材料超低溫度-聲速補(bǔ)償曲線

如圖4 所示，將試塊放置到液氮低溫綜合試驗(yàn)箱中，分別在25、0、-50、-100、-150、-190 ℃下測(cè)量當(dāng)前溫度下的聲速。 圖5 為液氮低溫綜合試驗(yàn)箱及試驗(yàn)箱主要參數(shù)，其測(cè)試溫度范圍可達(dá)-190～150 ℃。

圖4 超低溫下試件溫度-聲速曲線測(cè)試示意圖

圖5 液氮低溫綜合試驗(yàn)箱及試驗(yàn)箱主要參數(shù)

將304 不銹鋼試塊、304L 不銹鋼試塊分別放入試驗(yàn)箱中，每個(gè)試塊上放置一個(gè)探頭，探頭用絕熱棉包裹。 將試驗(yàn)箱分別設(shè)置到25、0、-50、-100、-150、-190 ℃，用電磁超聲測(cè)厚儀校準(zhǔn)模式下，測(cè)量當(dāng)前溫度下的聲速。 測(cè)量得到的聲速列于表3、4。

表3 304 不銹鋼試塊測(cè)試超低溫下聲速表

對(duì)表中數(shù)據(jù)用二階多項(xiàng)式擬合，得到擬合后的系數(shù)。 設(shè)v 對(duì)應(yīng)材料聲速，T 對(duì)應(yīng)當(dāng)前溫度，則v=aT2+bT+c。 超低溫下304、304L 不銹鋼溫度-聲速曲線如圖6 所示，304 不銹鋼溫度-聲速曲線擬合后系數(shù)為：a=-0.001421，b=-0.8003，c=3175；304L 不銹鋼溫度-聲速曲線擬合后系數(shù)為：a=-0.001345，b=-0.7994，c=3180。

圖6 超低溫下304、304L 不銹鋼溫度-聲速曲線

表4 304L 不銹鋼試塊測(cè)試超低溫下聲速表

3 LNG管道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)溫度的變化會(huì)對(duì)超聲聲速產(chǎn)生一定的影響，由于溫度條件的不同，導(dǎo)致溫度-聲速曲線的線性度有較大偏差，實(shí)驗(yàn)選用10 mm 厚的試塊在超低溫溫度條件下，采用常規(guī)電磁超聲測(cè)厚和導(dǎo)入溫度補(bǔ)償曲線的電磁超聲測(cè)厚進(jìn)行對(duì)比，所測(cè)數(shù)據(jù)列于表5。

表5 超低溫條件下試塊厚度表 mm

由此可知，超低溫條件下，常規(guī)電磁超聲測(cè)厚所得數(shù)據(jù)偏差較大，且穩(wěn)定性較低，所測(cè)得的數(shù)據(jù)誤導(dǎo)性更大； 當(dāng)電磁超聲測(cè)厚儀導(dǎo)入溫度-聲速補(bǔ)償曲線之后，在超低溫條件下所測(cè)得的數(shù)據(jù)更貼近試塊的真實(shí)厚度數(shù)據(jù)，且穩(wěn)定性較高。

為了測(cè)試電磁超聲技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的可行性，選擇了某LNG 接收站低溫管道進(jìn)行厚度測(cè)量。 被測(cè)LNG 管道為304 不銹鋼材質(zhì)，表面有小于1 mm 的漆層，管道介質(zhì)溫度-150 ℃。 采用零聲科技公司ETGmini-X1 電磁超聲測(cè)厚儀， 該測(cè)厚儀可以方便進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 使用前，先導(dǎo)入溫度補(bǔ)償曲線，選擇304 不銹鋼材質(zhì)，輸入試件溫度，進(jìn)行LNG 管道現(xiàn)場(chǎng)厚度測(cè)量，實(shí)驗(yàn)證明，在現(xiàn)場(chǎng)能夠成功完成LNG 管道厚度的測(cè)量， 穩(wěn)定性好，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)超低溫環(huán)境下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行厚度測(cè)量，從而得到溫度-聲速曲線，實(shí)驗(yàn)證明，在超低溫環(huán)境下導(dǎo)入溫度補(bǔ)償曲線后的電磁超聲測(cè)厚比普通電磁超聲測(cè)厚所測(cè)得的數(shù)據(jù)更貼近真實(shí)數(shù)據(jù)，且穩(wěn)定性較高，對(duì)惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)性較強(qiáng)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，LNG 管道的壁厚檢測(cè)往往受超低溫環(huán)境的影響，常規(guī)檢測(cè)方法的誤差較大， 采用溫度-聲速補(bǔ)償曲線的電磁超聲測(cè)厚不僅可以精確地測(cè)量真實(shí)壁厚，而且還免去了常規(guī)測(cè)厚方法在超低溫環(huán)境下耦合劑的適應(yīng)性問(wèn)題，克服了超低溫（-160 ℃）環(huán)境下管道壁厚無(wú)法精準(zhǔn)檢測(cè)的難題， 基于溫度-聲速補(bǔ)償曲線的電磁超聲測(cè)厚技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了LNG 管道腐蝕壁厚的精準(zhǔn)測(cè)量，為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢驗(yàn)提供技術(shù)支撐，對(duì)保障管道安全運(yùn)行具有重要意義。