特种设备检验检测新技术相关知识

特种设备检验检测新技术相关知识2012年3月30日1一. 基于风险的检测(RBI)

二. 衍射时差法超声检测（TOFD）

三. 相控阵检测

四. 声发射检测（AE）授课内容21. RBI技术概述危险与风险危险：可能产生潜在损失(损伤)的征兆，客观存在，无法改变风险：危险事件发生的概率 一定程度上可以随危险一旦出现的后果严重程度与损失大小 着人的意志而改变

社会与环境企业自身3基于风险检测(Risk-BasedInspectionRBI)理念：安全性＋经济性原理：失效可能性×失效后果 风险排序关键：优化检验策略目的：本质安全＋节约成本WHAT： 要检查何种类型的缺陷？WHERE：何处去寻找缺陷？缺陷的位置/可接近性？HOW： 能发现缺陷的最佳技术？破坏形式(减薄，裂纹等)WHEN： 从风险级别和经济性平衡角度确定最佳检验时间？避免检验不足与检验无效过度检验4RBI风险矩阵失效概率5ⅢⅢⅢⅣⅣ4ⅡⅡⅢⅢⅣ3ⅠⅠⅡⅢⅣ2ⅠⅠⅡⅡⅢ1ⅠⅠⅡⅡⅢ

ABCDE失效后果设备风险等级表等级风险区采取的对策Ⅰ低风险区酌情减少检查保养Ⅱ中风险区应进行定期保养及检验Ⅲ次高风险区进行在线监测和无损检测(缩短检验周期)Ⅳ高风险区重点加强管理，进行整改，彻底消除事故隐患风险矩阵5RBI过程示意图检验计划风险评估ABCDE12435风险矩阵680%的损失是由20%的设备引起的

风险系数不是越小是好，安全与经济的统一“二八”理论模型9风险演化与寿命关系寿命风险如果进行风险管理浴盆曲线102. API581简介API581于2000年5月出版，文件由正文和附录组成

正文的主要内容介绍 RBI的基本概念 风险分析 重要度风险 可靠性分析 检测程序 工厂基础标准数据表等11附录的主要内容:附录ARBI定性分析工作手册附录BRBI半定量分析工作手册附录CRBI定量分析工作手册附录D管理系统评价工作手册附录EOSHA1910和EPA危险化学品表附录FAPI和ASTM的RBI比较12附录G 腐蚀减薄模式(其中包括HCL，高温硫和环烷酸，高温H2S/H2，H2SO4，HF，酸性水，胺，高温氧的各种腐蚀数据和判据)附录H 应力腐蚀裂纹模式(其中包括以下应力腐蚀裂纹的数据表和判据：碱，胺，硫化物，HIC/SOHIC-H2S，炭酸，连多硫酸，HSC-HF，HIC/SOHIC-HF附录I 高温氢腐蚀模式附录J 炉管模式附录K 材料疲劳(仅管线)模式附录L 脆断模式附录M 设备衬里模式附录N 外部损坏模式132.1API581与其它规范的关系API581

提供基于风险分析检测计划程序，有关检测的实施仍需参照其它的API规范，例如：API750过程危害性管理API510

压力容器检测、评级、修理和变更规范API570在役压力管道检测、修理、变更和维护规范API653储罐检测、修理、变更与重建规范API530

石化炼油厂计算热交换管壁厚的实例API581

分为定性分析、半定量与定量分析定性分析主要适用于较大范围的评估，如工厂、装置区。定量分析主要适用于特定设备的评估，主要项目包含有塔器、储罐、转动机械与管线。API581注重评估因腐蚀所造成穿透泄漏等危害风险。14API750API510API570API653评估损坏的危险性和剩余寿命执行的文件供研究参考文件API-BRD581RISKBASEDINSPECTION执行的文件MPCFITNESSFORSERVICERBI文件APIRP579APIRP580目前152.2RBI分析层次定性 半定量 定量高详细技术分析程度低数据资料收集失效后果失效可能性减低风险检验计划制订风险等级确定重新评估风险评估RBI计划编制方法162.3风险评估的执行步骤

分类工艺设备定性分析定量分析设备类型可靠度PlotPlansPFD/P&ID失效概率

损坏后果等级失效概率

健康后果等级可燃性风险毒性泄放风险环境污染风险生产中断风险(两者中最坏情况)半定量分析或火灾爆炸风险毒性外泄风险172.4定性RBI分析－依据APIRP580Risk-BasedInspection－风险的意义：Risk＝Frequency×Consequence 风险＝(概率)×(后果)概率分析(六项系数)设备系数损坏系数检测系数维修状况系数工艺系数机械设计系数后果分析损坏后果或健康后果(六项系数)(四项系数)化学物质系数毒性量系数物质存量系数扩散性系数状态系数保护系数自燃系数人口系数

保护系数压力系数18

定性RBI分析——失效概率系数构成设备系数EquipmentFactor损坏系数DamageFactor检测系数InspectionFactor++维修状况系数ConditionFactor工艺系数ProcessFactor机械设计系数MechanicalDesignFactor+++19定性RBI分析——损坏后果系数构成化学物质系数ChemicalFactor物质存量系数QuantityFactor状态系数StateFactor++自燃系数Auto-IgnitionFactor压力系数PressureFactor保护系数CreditFactor+++20定性RBI分析——健康后果系数构成毒性量系数ToxicQuantityFactor++保护系数CreditFactor+扩散性系数DispersibilityFactor人口系数PopulationFactor21定性RBI分析——失效概率等级划分失效概率系数构成：设备系数＋损坏系数＋检测系数＋维修状况系数＋工艺系数＋机械设计系数失效概率等级失效概率系数失效概率等级0～15116～25226～35336～50451～75522定性RBI分析——后果等级划分──后果等级由损坏后果等级和健康后果等级较高的确定损坏后果系数构成：化学物质系数＋物质存量系数＋状态系数＋自燃系数＋保护系数＋压力系数＋损坏可能系数健康后果系数构成：毒性量系数＋扩散性系数＋保护系数＋人口系数健康后果等级损坏后果等级健康后果系数健康后果等级＜10A10～19B20～29C30～39D>40E损坏后果系数损坏后果等级0～19A20～34B35～49C50～70D>70E23定性RBI分析——风险矩阵风险增加ABCDE12345失效慨率

失效后果24

损伤机理 加氢裂化装置腐蚀减薄

——酸性水腐蚀、锅炉水腐蚀、冷却水腐蚀、盐酸腐蚀、高温H2S/H2腐蚀、高温硫及环烷酸腐蚀应力腐蚀开裂

——HIC/SOHIC、碳酸盐SCC、硫化物SCC、胺SCC、PTA连多硫酸SCC ——SCC敏感性为“高”和“中”的设备和管道主要集中在101工段(加氢裂化系统)、301(脱丁烷/己烷系统)和401(酸性气处理系统)工段外部腐蚀

——大气腐蚀和保温层下腐蚀

——外部腐蚀比较严重的管道主要集中在201工段(新氢系统)和302工段(分馏系统)高温氢腐蚀

——101工段(加氢裂化系统)中的4台换热器和3条管道

——P-059的氢腐蚀敏感性为“高”，表明该管道发生氢腐蚀损伤的可能性相对较大。P-059氢腐蚀敏感性高的主要原因是该管道材质为A-106B，属一般碳素钢，操作条件下不能抗氢腐蚀。253.3已完成10套装置损伤机理表茂名乙烯裂解装置损伤机理分布26茂名加氢裂化装置损伤机理分布27广州石化加氢精制装置(2B)损伤机理分布28《固定式压力容器安全技术监察规程》中规定

7.8基于风险的检验（RBI）7.8.1应用条件使用满足以下条件的大型成套装置的使用单位，可以向国家安全监察机构提出应用基于风险的检验技术申请：（1）具有完善的管理体系和较高的管理水平；（2）建立健全应对各种突发情况的应急预案，并且定期进行演练；（3）压力容器、压力管道等设备运行良好，能够按照有关规定进行检验和维护；（4）生产装置及重要设备资料齐全、完整；（5）工艺操作稳定；（6）生产装置采用数字集散控制系统，并且有可靠的安全联锁保护系统。297.8.3检验周期确定（1）参照《压力容器定期检验规则》的规定，确定压力容器的安全状况等级和检验周期，可根据压力容器风险水平延长或者缩短，但最长不得超过9年。（2）以压力容器的剩余寿命为依据，检验周期最长不超过压力容器剩余寿命的的一半，并且不得超过9年。

30二、衍射时差法超声检测技术（TOFD）PE的特点TOFDTOFD工作原理TOFD在焊缝检测中的应用TOFD技术优缺点31A型脉冲反射式超声检测（PE）利用声波：挑西瓜超声波：大于20000Hz32PE检测的特点比较大小，当量，波高相当的量。φ1×6+9dB，φ2×40－4dB，33PE检测的特点超声波遇到界面有反射、折射衍射现象，就像光线。焊缝检测一般用横波斜探头，既做发射又做接受。缺陷的当量大小与超声波声束与缺陷的方向（夹角）关系很大，垂直时当量最大。34衍射时差技术首先应用上世纪60年代的英国核工业领域，作为一种精确的缺陷定量定位技术很快广泛应用于其它无损检测领域，如石化、锅炉压力容器、电力、长输管线等。目前，TOFD技术已经得到ASTME2373-04，ASMEVIIICode2235，CENENV583-6(2000)，BS7706(1993)等标准的认可。国内于2001年首先成功引入TOFD技术，用于国家重点工程-西气东输项目。TOFD技术背景35什么是TOFD?TOFD-衍射时差法超声检测技术：TOFD采用一发一收两个探头产生非聚焦的纵波，从待检工件内部结构（主要是指缺陷）的“端角”和“端点”处得到的衍射能量，用于缺陷的检测、定量和定位。36衍射现象

缺陷衍射波衍射波入射波反射波基于惠更斯原理衍射波向各个方向传播衍射能量低衍射方向不取决于入射角37探头架3839波束扩散模拟600纵波探头6mm圆晶片在碳钢中进行波束模拟4060°5MHz6mm波束模拟41TOFD:典型的设置发射探头接收探头直通波上端点下端点底面反射信号42相位变化上端点下端点直通波LW底面反射波BW+-+-需要不检波的A扫来显示相位的变化43传播时间发射探头接收探头SSdLWBWt0t0始脉冲t44TOFD深度计算公式

45A扫信号－灰度图为了便于缺陷判读，通常TOFD采用灰度图显示46典型的TOFD图像47上表面开口缺陷48下表面开口缺陷49内部埋藏缺陷50TOFD技术优越性缺陷定量定位精度高，可检出焊缝中任意走向的缺陷；可以识别向表面延伸的缺陷；检测速度快，缺陷定量、定位精度高。根据TOFD可进行ECA分析（寿命评估）；采用TOFD和脉冲回波相结合，可以实现100%焊缝覆盖。51TOFD技术局限性在被检工件上、下表面存在盲区对“噪声”敏感夸大了一些良性的缺陷,如气孔,冷夹层,内部未熔合。TOFD一维扫查不能确定缺陷在焊缝水平方向的位置。52《固定式压力容器安全技术监察规程》

无损检测方法选择（1）压力容器的对接焊接接头应当采用射线检测或超声检测，超声检测包括衍射时差法超声检测（TOFD）、可记录的脉冲反射法超声检测和不可记录的脉冲反射法超声检测；当采用不可记录的脉冲反射法超声检测时，应当采用射线检测或者衍射时差法超声检测做为附加局部检测；（2）有色金属制压力容器对接接头应当尽量采用X射线检测；（3）焊接接头的表面裂纹应当优先采用表面检测；（4）铁磁性材料制压力容器焊接接头的表面检测应当优先采用磁粉检测。53国内TOFD标准NBT47013.10-2010(JBT4730.10)承压设备无损检测第10部分：衍射时差法超声检测.pdf5455超声相控阵技术背景超声相控阵工作原理超声相控阵在无损检测中的应用超声相控阵技术的优点三、超声相控阵技术56超声相控阵技术最早应用于军用雷达。现在医院里采用的B超也是基于相控阵技术。加拿大OlympusNDT公司（即以前的R/DTech）最早将相控阵技术引入到工业无损检测领域。目前在世界范围内有超过1000台超声相控阵系统正应用于不同无损检测领域，包括电厂、石化、航空航天、工业在线、锅炉压力容器、长输管线等。国内于2001年首先引入相控阵系统-PipeWIZARD全自动超声检测系统，成功应用于国家重点工程-西气东输。超声相控阵技术背景57超声相控阵定义

通过软件可以单独控制相控阵探头中每个晶片的激发时间，从而控制产生波束的角度、聚焦位置和焦点尺寸。

58相控阵探头类型

线形阵1维线形阵2维矩形阵59相控阵探头类型

圆形阵1维环形阵2维扇形阵60相控阵探头设计参数

相控阵探头晶片由复合材料制成，比常规压电陶瓷材料探头的信噪比高10-30dB。将复合材料用机械方法切割成若干个小晶片，每个晶片都可以单独激发。61波束形成

每一个晶片的激发时间可以单独控制，产生的球面波在传播过程中波前相互叠加。如果所有晶片的激发时间都相同，形成的波阵面为纵波。62电子扫查探头不作任何机械移动，而波束沿晶片阵列方向作电子扫查。通过对激活晶片组进行多路延时，使波束产生移动。扫查宽度局限于:阵列中晶片的数量采集系统支持的通道数量63波束偏转

波束偏转是通过软件控制每一个晶片激发的延时使波阵面沿特定角度传播来实现的。DirectionofenergyDirectionofenergy64波束聚焦

波束聚焦是通过软件控制每一个晶片的触发时间使波前在指定的位置进行叠加实现的。焦点尺寸取决于所用晶片的大小和数量。FocussedtocrossatthispointFocussedtocrossatthispoint65相控阵三维视图IndexaxisScanaxisVC-SIDE(B)VIEWUsoundaxisIndexaxisUsoundaxisVC-END(D)VIEWScanaxisVC-TOP(C)VIEWIndexaxisScanaxis66超声相控阵技术典型应用67焊缝检测-扇形扫查

68全自动超声相控阵焊缝检测69T型焊缝扫查70厚壁压力容器焊缝检测71插管焊缝检测72涡轮燕尾槽/转子检测73相控阵技术优势实时彩色成像，包括A/B/C/D和S-扫描，便于缺陷判读；相控阵技术可以实现线性扫查、扇形扫查和动态深度聚焦，从而同时具备宽波束和多焦点的特性，因此检测速度可以更快；相控阵具有更高的检测灵活性，可以实现其它常规检测技术所不能实现的功能，如对复杂工件的检测；容易检出各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，定量、定位精度高；扫查装置简单，便于操作和维护；检测结果受人为因素影响小，数据便于存储，管理和调用

。74四声发射检测声发射检测发展史声发射检测原理声发射在无损检测中的应用声发射技术的优缺点75声发射检测发展史50年代:德国人Kaiser发现Kaiser效应50-70年代:实验室阶段70-80年代工程应用

90-本世纪初:迅速发展、广泛应用76声发射检测原理材料在塑性变形或损伤破坏过程中释放应变能/产生应力波——声发射（AE）AE源信号包括：裂纹、腐蚀、分层/脱粘、泄漏。。。。。。传感器接收AE信号，通过系统进行信号处理、分析进行缺陷分析和无损检测

(fromASTME610-82)StressAESystem77声发射检测机理

声发射(AcousticEmission简称AE)又称应力波发射，是材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限

s而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。在外部条件作用下，固体（材料或零部件）的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦为声发射。78声发射检测机理声发射波的频率范围很宽，从次声波、声波直到超声波。它的幅度动态范围亦很广，从微弱的位错运动直到强烈的地震波。然而，声发射作为无损检测与无损评价手段，则是采用高灵敏度传感器，在材料或构件受外力的作用，且又远在其达到破损以前，接收来自这些缺陷与损伤开始出现或扩展时所发射的声发射信号，通过对这些信号的分析、处理来检测、评估材料或构件缺陷、损伤等内部特征。79系统组成系统应包含DSP处理器系统功能:滤波