LNG,超低温管道腐蚀电磁超声检测技术

吴 斌 张 皓 谷 涛 贠智强 刘振东 魏 杨 韩荣鑫 王剑琨

（1.中国石化青岛液化天然气有限责任公司；
2.山东省特种设备检验研究院集团有限公司）

液化天然气 （Liquefied Natural Gas，LNG）主要成分是甲烷，还有少量的乙烷和丙烷，被公认为是地球上最干净的化石能源。

LNG 在常压下-162 ℃左右可液化，液化天然气的体积约为气态天然气体积的1/625。

管道是目前在储运、 加工LNG 过程中常用的承载方式，LNG 内部因含有一些杂质而具有一定的腐蚀性，需要对管道腐蚀情况进行检测［1～4］。由于在LNG 接收站等场合，管道温度可低至-160 ℃左右，给现有的腐蚀检测带来了困难［5］。

超声检测技术（UT）是一种重要的工业无损检测技术，广泛应用于线材、板材、管道及压力容器等重要工业对象的生产制造、现场安装和服役过程的质量安全检测当中［6］。

按照超声波的产生方式来分类， 主流的超声检测技术主要包括：压电超声技术、电磁超声技术、空气耦合技术和激光超声技术［7～11］。

其中，压电超声技术应用最为广泛，可以对金属材料和非金属材料进行检测。

目前国内已经有大量成熟的设备在现场检测中使用，发挥着重要的作用［12］。

超声测厚是目前对腐蚀厚度进行测量的最常用技术，然而LNG 管道温度低，常规压电超声需要使用耦合剂，属于接触式检测，限制了在超低温场合的应用。

电磁超声技术属于非接触式测量，检测过程中无需使用耦合剂，探头与试件的距离可高达数毫米，可以避免探头与试件的直接接触。

目前，电磁超声腐蚀厚度测量技术在石油化工高温、超高温管道得到了广泛应用［13］，但是在超低温在线监测领域应用还鲜有报道［14］。

此外，温度变化会造成超声在材料中传播声速的变化，需要进行温度补偿［15～17］。

然而，现在还没有超低温下LNG 管道材料所用的声速表。

为此， 需要对超声在超低温下的声速进行测量，形成准确的温度补偿曲线，以保证测量精确度。

笔者将从电磁超声技术在LNG 超低温管道腐蚀检测上开展研究。

电磁超声技术的核心设备是电磁超声换能器（Electromagnetic acoustic transducer，EMAT）。EMAT 通常由永磁体、线圈和被测试件本身构成，如图1a 所示为典型的体波测厚传感器示意图。铁磁性材料中，EMAT 共有3 种作用机理：洛伦兹力机理、磁化力机理和磁致伸缩机理。EMAT 通过洛伦兹力机理的原理如图1b 所示［18～20］。

当EMAT线圈中通以高频交变电流时， 由于电磁感应作用，金属试件表面会感应出同频涡流。

涡流受静磁场作用会产生洛伦兹力。

洛伦兹力带动粒子的交变振动，这种振动以波的形式传播即产生了超声波。

由此可见，电磁超声技术是一种直接在试件表面激发超声波的技术， 试件本身就是声源，因此使用时无需耦合剂。

这一点与压电超声技术先从探头中产生超声波，然后通过耦合剂把超声波传递到试件内部有本质的区别。

图1 电磁超声换能器结构示意和基本原理

EMAT 接收超声波的过程与上述过程相反。当超声波发射至试件表面时，由于质点振动而切割磁感线，金属表面产生感应电动势，进而产生涡流。

而涡流产生的交变磁场被EMAT 线圈拾获，转换为电信号，完成超声波的接收。

LNG 管道所用的材料通常是304 不锈钢、304L 不锈钢，为此，笔者对这两种材料电磁超声声速进行测试。

测试试件在超低温下测试，需要使用液氮并控温，难度较大。

据相关文献记载，金属材料的声速和温度呈现近似线性关系。

采用普通恒温箱（通常最低-40 ℃）测试材料的温度曲线，如果发现线性度较好， 则可以反算超低温下的声速；
如果线性度较差，则需要在超低温下进行测试。

先在-40～26 ℃范围内对这两种材料声速进行测试，查看材料声速曲线线性度。

若线性度不佳，将在超低温恒温箱中进行测试。

2.1 低温情况下温度-声速曲线

分别加工了厚度6、10、12 mm 的304、304L不锈钢试块，采用如图2 所示的普通恒温箱进行测试。

测试仪器采用零声科技ETG-200 电磁超声测厚仪。

声速测量采用仪器自带的声速校准功能，输入材料厚度，即可反算声速。

分别测试在26、20、10、0、-10、-20、-30、-40 ℃下的材料声速。每一种温度测试中，当恒温箱温度达到待测温度后，保温20 min，直至试件温度恒定，声速不再变化为止。

测试得到的声速列于表1、2。

图2 实验室测定低温声速曲线实验装置

表1 304 不锈钢试块测试声速表

表2 304L 不锈钢试块测试声速表

对上述声速进行曲线拟合，可得到对应的温 度-声速曲线（图3）。

图3 不同试块的温度-声速曲线（-40～26 ℃）

根据图3 计算得到的304 和304L 不锈钢温度-声速曲线的线性度分别为0.998 4、0.998 5。在这种线性度下，-160 ℃左右的声速依旧可能存在较大误差， 采用这种拟合预测超低温的声速，预计还是会造成较大偏差。

为此，寻找了能够实现超低温恒温的实验系统。

2.2 LNG 管道材料超低温度-声速补偿曲线

如图4 所示，将试块放置到液氮低温综合试验箱中，分别在25、0、-50、-100、-150、-190 ℃下测量当前温度下的声速。

图5 为液氮低温综合试验箱及试验箱主要参数，其测试温度范围可达-190～150 ℃。

图4 超低温下试件温度-声速曲线测试示意图

图5 液氮低温综合试验箱及试验箱主要参数

将304 不锈钢试块、304L 不锈钢试块分别放入试验箱中，每个试块上放置一个探头，探头用绝热棉包裹。

将试验箱分别设置到25、0、-50、-100、-150、-190 ℃，用电磁超声测厚仪校准模式下，测量当前温度下的声速。

测量得到的声速列于表3、4。

表3 304 不锈钢试块测试超低温下声速表

对表中数据用二阶多项式拟合，得到拟合后的系数。

设v 对应材料声速，T 对应当前温度，则v=aT2+bT+c。

超低温下304、304L 不锈钢温度-声速曲线如图6 所示，304 不锈钢温度-声速曲线拟合后系数为：a=-0.001421，b=-0.8003，c=3175；
304L 不锈钢温度-声速曲线拟合后系数为：a=-0.001345，b=-0.7994，c=3180。

图6 超低温下304、304L 不锈钢温度-声速曲线

表4 304L 不锈钢试块测试超低温下声速表

试验温度的变化会对超声声速产生一定的影响，由于温度条件的不同，导致温度-声速曲线的线性度有较大偏差，实验选用10 mm 厚的试块在超低温温度条件下，采用常规电磁超声测厚和导入温度补偿曲线的电磁超声测厚进行对比，所测数据列于表5。

表5 超低温条件下试块厚度表 mm

由此可知，超低温条件下，常规电磁超声测厚所得数据偏差较大，且稳定性较低，所测得的数据误导性更大；

当电磁超声测厚仪导入温度-声速补偿曲线之后，在超低温条件下所测得的数据更贴近试块的真实厚度数据，且稳定性较高。

为了测试电磁超声技术在现场测试中的可行性，选择了某LNG 接收站低温管道进行厚度测量。

被测LNG 管道为304 不锈钢材质，表面有小于1 mm 的漆层，管道介质温度-150 ℃。

采用零声科技公司ETGmini-X1 电磁超声测厚仪， 该测厚仪可以方便进行温度补偿。

使用前，先导入温度补偿曲线，选择304 不锈钢材质，输入试件温度，进行LNG 管道现场厚度测量，实验证明，在现场能够成功完成LNG 管道厚度的测量， 稳定性好，可以满足现场测试需求。

在实验室内超低温环境下对标准试块进行厚度测量，从而得到温度-声速曲线，实验证明，在超低温环境下导入温度补偿曲线后的电磁超声测厚比普通电磁超声测厚所测得的数据更贴近真实数据，且稳定性较高，对恶劣环境条件的适应性较强。

在实际工程应用中，LNG 管道的壁厚检测往往受超低温环境的影响，常规检测方法的误差较大， 采用温度-声速补偿曲线的电磁超声测厚不仅可以精确地测量真实壁厚，而且还免去了常规测厚方法在超低温环境下耦合剂的适应性问题，克服了超低温（-160 ℃）环境下管道壁厚无法精准检测的难题， 基于温度-声速补偿曲线的电磁超声测厚技术，实现了LNG 管道腐蚀壁厚的精准测量，为现场实际检验提供技术支撑，对保障管道安全运行具有重要意义。

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