化工压力容器和管道壁厚的测定

 摘 要：化工压力容器和管道壁厚测定的原理、方法、选点及示值的可靠性分析。化工容器和管道受工艺介质的腐蚀和冲刷导致其壁厚的减薄和损坏，应力集中部位和焊接热影响区壁厚的测定和获得准确、可靠的数据在容器管道检测中具有的重要地位和作用。 
       关键词：压力容器 管道壁厚 测厚仪 

       一、测厚原理和测厚仪 
       测厚仪多为超声波测厚仪，其原理是基于超声波在工件中的传播和反射，因为超声波在同一均匀介质中传播声速为一常数，故被测工件越厚，超声波在工件中传播的时间越长。而且，当超声波通过不同介质的界面时会反射。测厚时，从探头换能器发出的脉冲超声波（老式共振法测厚时为连续超声波）经耦合剂到达被测工件。此时，部分超声波被工件表面反射，另一部分则穿过被测工件并被工件底面所反射，经换能器被仪器接收。测出工件表面反射形成的界面波及工件底面反射波之间的时间差，再根据声速、时间、距离（厚度）三者之间的关系，便可求出被测工件的厚度，即： 
       h=ct/2 
       式中 h—距离（厚度） 
       c—声速 
       t—声波传播时间 
       测厚仪分为单晶片探头和双晶片探头，如图1所示。图1中A为单晶片探头探测，B为双晶片探头探测。国内早期的测厚仪多为单晶片探头，探头晶片兼具发射和接受超声波之功能。双晶片探头是一个晶片T发射超声波，另一个探头R接收超声波。中间用隔声层隔开，并在晶片下加延迟块。这种探头的检测灵敏度较高，目前国内外仪器均采用。

图1 

       二、测量方法和注意事项 
       1．测量方法 
       ( 1)一次测量法。适用于接触面较大和内外表面不平行度较小（＜1/4波长的工件，此时一个点只需测量一次）。 
       (2)二次测量法。对背面有腐蚀坑或内外表面不平行度较大及曲率较大的工件，应在第一次测完后再将探头旋转90°取两次测量中的较小值作为测量值。 
       (3）线连续测量法。在一条固定线上每相距5mm或5mm以下测量一次，用此间隔连续进行测量，此法适用于测量背面有腐蚀沟槽的工件。 
       (4）圆圈内多点测量法。以一点为中心在某一直径范围内（一般以直径20一30mm为宜）测量，以找出最薄点，如图2所示。 
       (5)综合测量法：用于腐蚀严重或对测量结论要求较精确的场合，测量时以一点为中心，综合使用以上方法，以更小间隔移动探头，并将测量结果以等高线形式记录（图3)。此法可找出壁厚最薄点，确定小面积的腐蚀坑穴。

                                         

　　　　　　　　　　        
               图2                                                                                                                      　图3 
       2.  注意事项 
       老式仪器，如CH一J一1型，不但线路落后、结构笨重，而且由于采用单晶片探头，灵敏度低且不稳定，测厚时必须打磨出一平整光滑的测点，使用时由于静区开得太大出现双倍读数，再加上仪器的线性不好，常使某一区段的测值偏高或偏低。近年来出品的数码管高精度袖珍式仪器，由于采用了先进的工艺技术、元器件和双晶片分割式探头，具有检测灵敏度高、范围广、误差小、便于携带和调试等优点。用这种仪器测厚时，需注意以下几点： 
       (1)双晶片中，发射晶片的功率较大，使用时发射插座和接收插座的插位不应插错，否则灵敏度稍有降低。 
       (2)袖珍式数字测厚仪，由于检测灵敏度高，在工件表面有油漆、氧化皮或锈铁时，均可直接测厚（不平时稍加打磨），但此时测出的工件厚度包括了氧化层和涂层厚度，故应在示值中扣除。 
       (3)新式仪器在测曲率较大的工件或小直径管子时必须使用探头座，并使用黏度较大的耦合剂，使其接触良好。 
       (4)测量管壁厚度时，探头中间的隔声层应与被测管子的轴线平行，以增大探头晶片与工件的接触面，过去采取隔声层与管子轴线垂直的测量方法是不合理的。 
       (5)在测表面有严重麻点和凹坑的工件时，应选用声阻抗大、黏度高的甘油、凡士林或专用超声耦合剂。 
       (6)测厚中出现示值跳跃不定时，不要轻意确定测厚结果，此时可轻微移动探头，并用手指将探头压紧在测点上，待示值稳定不动时方可取值。 
       (7)测厚时示值轻微闪烁跳动，一般应以较小测值为准。 
       3．示值的可靠性及其分析 
       用测厚仪测出的示值有时与实际情况或预想的结果不符，可能有以下原因： 
       (1)仪器误差和精度。一般仪器误差为±0.1% --0.5%，再加上±0.1mm的精度误差另外，老式仪器的线路和元件受环境温度的影响颇大，故测量时应反复调整或校正。 
       (2)由于测量方法不当造成测量误差。如用双晶片探头测定曲率较大的管子时，如果隔声层垂直于管子轴线将使示值偏大。 
       (3)壁厚公差。管子制造时必然存在误差，如小于等于外径57mm的热轧无缝钢管，其公差为±15%，实测时虽然示值高出公称值也是可能的。 
       (4)氧化层或涂漆太厚。由于测值中包含了漆层及氧化铁厚度，所以示值偏大。 
       (5)材料代用或图纸资料有误。此种情况在工艺管道测量中较常出现，尤其是以厚代薄较为常见。由于检测示值与原资料所标厚度不符，引起对腐蚀减薄情况的错误判断。 
       (6)材料内部缺陷对测值的影响材料内部的缺陷如分层、夹杂、裂纹及含氢介质容器的氢腐蚀对测厚数值的影响很大。当探头轴线垂直或接近垂直缺陷的反射面时，仪器可能显示的是材料表面缺陷的厚度值，如图4所示。如果缺陷反射面倾斜角度较大或和探头轴线平行，则晶片可能接收不到回波而无读数或数字跳跃不稳，此时应多次移动探头，以获得稳定、准确的测值。 
       对含氢介质压力容器（如氨合成塔等），由于氢和钢中的渗碳体还原生成甲烷而导致晶界的腐蚀，产生大量微裂纹和脱碳，使超声波的衰减、反射、声速、频率均受到明显影响，致使声波的传播路线改变、声程加大，测厚示值增加。

图4 

       4．测厚部位的选择 
       测厚的目的是要查清被测物的壁厚状况，但由于腐蚀、冲刷、磨损的不均匀性，故应选准关键、薄弱部位，对确定所检物的安全状况是至关重要的。
(1)气、液体冲刷部位气、液相流动冲刷到的部位，如塔、器正对流体进口的器壁、管道的弯头拐角部位等。例如压缩机二段分离器（图5)，正对进气管的器壁已被气体冲刷掉一半壁厚，测厚时如不注意到此局部位置，就不能找出最薄弱点。

图5 

       直径700mm绕带式氨洗塔，大修时全面检验，发现塔内壁升气帽周围腐蚀冲刷严重。内筒已由原壁厚25mm，减到4.67mm（其他部位24mm)。又如压缩系统五段管线直径108mm，壁厚llmm，测厚时弯头处仅有7mm（图6)。 
       (2）易腐蚀部位。容器的气液相界面、沉淀物聚集的死角等部位较其他部位易腐蚀，如厂内1号饱和热水塔，大修测厚时发现，上塔气液相界面附近壁厚明显减薄（图7)，两塔组焊处由于聚集了沉淀物，也明显减薄。
　　　　            

                                                                             图6　　　　　　　　　　　　　　图7 

       (3)应力集中部位和焊接热影响区。金属材料在应力作用下腐蚀会加剧，即产生应力腐蚀。有的容器焊完后未进行焊后热处哩或热处理工艺不当，使用时在腐蚀性介质作用下（如氨水、硫化氢等），就会加剧腐蚀。容器组焊后，在熔合区和热影响区不仅引起金相组织和机械性能的变化，还会产生较大的焊接残余应力，加速了腐蚀。如碳化塔的筒体环焊缝两侧热影响区均发现明显的腐蚀减薄（图8)，有的容器焊缝附近未见壁厚减薄，但出现了穿孔或裂纹，如厂内的1号、2号综合塔回收段，塔壁双焊缝附近曾发生较大面积的穿孔、裂纹和渗漏，此种情况应引起注意。

图8