中国特检院攻克大型承压设备检测世界性难题

   祝贺“大型承压设备不停机电磁无损检测技术及应用”项目获得国家科技进步二等奖

   中国特检院攻克大型承压设备检测世界性难题

    大型承压设备检测实现不停机检测建立五项国家标准和一项国际标准

    □ 陈 刚 本报记者 赵陕雄

   新年伊始，我国特检战线喜传捷报，中国特检院沈功田研究员带领的科研团队，成功攻克大型承压设备检测的世界性难题，荣获国家科技进步二等奖。1月8日，在北京人民大会堂，沈功田应邀参加了2015年度国家科学技术奖励大会，受到国家领导人的接见并合影留念。中国特检院代表特检行业再次站上国家科技荣誉的时代巅峰。

    瓶颈性难题 世界性难题

   近年来，锅炉、压力容器和压力管道等承压设备，如雨后春笋般在石油、化工、电力、冶金、制药、城市公用等行业的大型项目中建设应用。作为大型成套装置中的核心装备，承压设备具有高温、高压、深冷、大型化等特点，比如千万吨炼油、百万吨乙烯、百万吨煤液化等装置中的承压设备，一旦发生爆炸事故，后果极其严重，因此，确保其安全运行，对保障能源安全和人民日常生活至关重要。长期以来，我国采用停产检验维修的方式，来保证承压设备的安全，停产期少则一年，多则一年半，停产损失巨大。

   新世纪以来，随着我国对能源需求的急剧增加，发电设备和石化装置能力日益严重不足，为了保证国家能源安全，应对国际竞争压力，大型成套装置开始了长周期运行，研发承压设备不停机检测技术成为迫切需求。

   大型机械和承压设备的不停机检测，很早就是国际上的研究热点。科研的核心问题是：如何在不停机不拆保温层情况下快速检测承压设备壳体的腐蚀减薄，局部拆除保温层带防腐层状态下快速检测焊缝的表面裂纹与内部损伤？为此，英国开展了金属材料表面裂纹的涡流检测研究，俄罗斯提出了采用金属磁记忆现象对材料中应力集中部位进行检测的思路，荷兰RTD公司开展了脉冲涡流检测保温层下腐蚀的检测应用研究，美国西南研究院开展了磁致伸缩超声导波检测技术的研究，这些研究表明了电磁检测技术在大型承压设备不停机检测的可行性和潜力，但仍然存在检测机理不清、检测方法和标准缺失、检测仪器不成熟等严重问题。

    产学研用联合攻关

   针对这一日常生产生活急需解决的技术难题，上世纪80年代开始，以中国特检院为首的科研团队开始了坚持不懈的科技攻关。科学研究的道路上从来就布满了荆棘和艰辛。但是，科研人员通过“七五”“八五”“九五”攻关，硬是先后解决了宏观缺陷的停机清理检测、老旧设备超期服役的检验检测与安全评价等问题。沈功田研究员团队经过近20年的不懈探索，推出了“金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用”的成果，在上世纪末实现了承压设备埋藏和内表面裂纹以及泄漏的不停机检测，获得了2010年国家科技进步二等奖。

   这是科研征途上的一座里程碑。但是，沈功田他们没有就此止步，他们还有更大的抱负，更远的目标。他的特检院团队联合华中科技大学武新军教授团队、清华大学李路明教授团队、爱德森（厦门）电子有限公司林俊明研究员团队、江西省锅炉压力容器检验检测研究院和河北省锅炉压力容器监督检验院等国内产学研用十多家单位，又开始攀登新的高峰。他们先后承担了1个国家“十五”科技攻关计划专题，3个国家“十一五”科技支撑计划专题和2个国家自然科学基金项目研究。60多名科技人员，围绕大型承压设备不停机电磁检测的若干科学技术问题，从检测机理、检测仪器、检测方法及检测标准等方面，开展了全链条系统深入的研究和应用，取得了全面突破。

   项目成果解决了长期困扰政府和企业的瓶颈性技术难题，极大地推动了承压设备安全科学技术的进步，获得发明专利13项，其他知识产权7项。研制的仪器系统打破了国外垄断，为大型承压设备不停机检测提供了硬件保障。

    填补多项国际空白

   10余年的创新与求索，沈功田他们成功揭示了大型承压设备常用金属材料腐蚀和应力损伤在不同电磁激励下的响应规律。针对国际上对磁记忆检测机理不清的状况，他们首创性的设计制作了基于三维亥姆霍兹线圈的磁场产生装置，构造了应力、磁场、传感器位置均精确可控的弱电磁研究环境，提出了非线性应力分布磁场畸变的计算方法，将基于线性应力分布的磁机械效应理论扩展到非线性区域，丰富完善了磁机械效应理论体系，获得了铁磁性材料表面漏磁场梯度与提离的对数放大曲线，揭示了钢焊缝表面裂纹信号的变化规律；针对保温层下腐蚀的检测机理，建立了减薄金属损伤的多涡流环响应模型，扩展了涡流环理论，获得了承压设备常用金属材料在不同提离状态下不同厚度的脉冲涡流信号响应规律；针对压力管道腐蚀的检测需求，获得了频散曲线、材料空间磁场分布特性，阐明了基于时空变换技术的磁致伸缩导波单方向激励和接收原理，建立了磁致伸缩导波单方向检测模型。

   10余年潜心科研，沈功田他们走出了全新的技术创新之路，开发出了具有自主知识产权的三种电磁检测仪器与系统。在理论研究的基础上，他们攻克了材料损伤微弱磁记忆信号的探测技术难题，设计制作了专门适用于钢焊缝表面裂纹检测的十字交叉探头和适用于材料内部应力损伤微弱磁信号探测的探头，开发了磁记忆-复平面涡流检测一体化仪器，实现了带涂层内部应力损伤的定位和焊缝表面裂纹的快速检测。针对保温层引起的大提离效应对检测信号的削弱，他们提出了一种基于检测信号与周期延拓的纯噪声信号相差分的中值滤波算法，提高了脉冲涡流检测信号的信噪比，研制出可实现保温层下铁磁性材料腐蚀检测的脉冲涡流检测系统；针对大多数承压设备保温层带铁磁性护层引起脉冲涡流信号强度下降的问题，发明了基于局部磁饱和的瞬变磁场屏蔽效应削弱技术，实现了带铁磁性保护层的保温层下腐蚀的检测；针对目前扭转模态导波仅能通过接触方式激励的不足，在深入研究非接触式电磁导波检测原理的基础上，发明了利用压力管道自身的威德曼（Wiedemann）效应和马特西（Matteucci）效应的非接触式扭转导波传感器，突破了管道轴向缺陷的检测技术难题；针对非接触磁致伸缩导波电磁-声换能效率低的问题，研制了大功率激励装置，开发出铁磁性管道电磁导波检测系统，实现了管道腐蚀非接触的远距离快速检测。

   10余年风雨兼程，他们提出了适用于不同材料腐蚀与应力损伤的四种电磁检测和结果评价方法。通过对数万米检测数据的总结，他们在国际上首次系统建立了应力集中和应力损伤的磁记忆评价方法，明确了磁记忆检测技术的适用条件。在大量现场真实工件表面裂纹检测试验的基础上，通过标准试样的比对，建立了基于复平面的裂纹尺寸当量化评价方法，提出了实际检测过程对腐蚀情况进行评价的方法。针对压力管道的运行特点，提出了一种基于距离幅度衰减特性的超声导波信号分级方法，实现了通过人工缺陷信号对实际缺陷产生的横截面积损失进行评价的方法。

   科技攻关路上从来都是一路艰辛。回忆过往，沈功田微笑着说：“我们最大的特点就是能吃苦。大量数据都在现场完成，露天30多摄氏度的高温，我们干起活儿来跟民工一个样，登上百米高塔是常有的事。”

   就是这样一群干起活来像民工的科研人员，为国家、为世界特检领域做出杰出贡献，建立了大型承压设备不停机电磁无损检测技术与标准体系。经过系统开展理论研究、仪器研制、检测方法工艺开发和现场工程应用，他们提出了采用电磁检测技术系统解决大型承压设备不停机检测问题的技术路线。通过实验室检测机理的系统研究和现场检测工艺及方法的应用实践，发展完善了磁记忆和复平面涡流检测标准，在国际上首次制定了脉冲涡流和磁致伸缩导波检测标准，形成了大型承压设备不停机电磁无损检测标准体系：《GB/T26954-2011 焊缝无损检测 基于复平面分析的焊缝涡流检测》、《GB/T 26641-2011 无损检测磁记忆检测总则》、《GB/T 12604.10-2011 无损检测术语磁记忆检测》、《GB/T 28705-2012 无损检测脉冲涡流检测方法》、《GB/T 28704-2012 无损检测  磁致伸缩超声导波检测方法》、《ISO/DIS 20669Non-destructive testing-Pulsed eddy current testing offerromagnetic material components》。我国因此在标准制定上领先于国际。

    技术领先国际

   他们的科研成果首次系统解决了我国大型承压设备不停机检测和安全评价的瓶颈性技术难题，对我国大型电力和石化装置的运行周期科学延长至3到6年发挥了关键作用，也让我国技术处于世界领先水平。

   与国外承压设备不停机检测技术相比较，新技术体系完整，适用范围更广。发达国家原料来源单一、成分稳定，设备制造质量好，日常维护规范，使得他们可以采用长期定点测厚检测的局部解决方案，譬如俄罗斯采用磁记忆、英国采用复平面涡流、荷兰采用脉冲涡流、美国则采用电磁导波技术。我国原料来源多样、存在低硫、高硫、高酸等复杂成分，设备设计思想滞后（按每年一停机检修设计），制造质量先天不足，管理维护水平参差不齐，失效模式呈现多样化。沈功田他们研制出综合配套应用的完整技术体系，适用于各种条件，设备检修周期大大延长。

   不仅如此，他们研制的检测仪器主要指标也是国际领先。科研项目开发的磁记忆/复平面涡流一体化检测仪具有多参数、检出率高、可适用于母材和焊缝、焊缝检测灵敏度更高（可检0.5mm深5mm长的裂纹）等特点；国外只有俄罗斯开发了单参数磁记忆检测仪器，检出率低、适用性差；英国开发的复平面涡流检测仪器，经测试尚不能检测出1mm深10mm长的焊缝裂纹。他们开发的脉冲涡流检测系统可透过铁磁性保护层检测200mm保温层下5%的腐蚀减薄，荷兰的相关设备只能检测150mm保温层下5%的腐蚀减薄，有铁磁性保护层时灵敏度下降50%。他们开发的磁致伸缩导波检测系统可在非接触条件下检测管道3%的横截面损失，美国的设备只有在打磨管道，接触条件下方可达到检测管道3%的横截面损失。

    经济效益社会效益双丰收

   项目成果已在数十家石化电力企业近百套成套装置和重要军事装备上得到成功应用，对其运行周期科学延长到3至6年发挥了关键作用。仅对14家用户统计，通过减少停产时间就带来了36.8亿元的经济效益，社会效益巨大。

   课题组开发出铁磁性管道电磁导波检测系统，实现了管道腐蚀非接触的远距离快速检测，打破国外垄断，该系统最新型号大幅超过美国仪器的技术指标，价格不到国外产品的40%。研制的可实现保温层下铁磁性材料腐蚀检测的脉冲涡流检测系统，仪器指标优于国外同类产品，但价格仅为其50%。开发的磁记忆-复平面涡流检测一体化仪器，实现了带涂层内部应力损伤的定位和焊缝表面裂纹的快速检测，仪器功能和指标大幅领先于国外同类设备，并实现了产业化，近几年每年销售100多台，市场占有率超过70%。

    《中国质量报》