压力管道对接焊缝表面裂纹电磁检测的可靠性研究.pdf

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1、第 4期 2 0 1 6年 4月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 1 6 1 压力管道对接焊缝表面裂纹电磁检测的可靠性研究 王海波， 宋树波， 侯哲生 ( 吉林化工学院 机电工程学院， 吉林 吉林1 3 2 0 2 2 ) 摘要： 压力管道是化工设备中的一个重要结构， 对接焊接方式在管道的施工中占有很大比例 ， 对接焊缝在管道运行中 不可避免会产生一定的表面裂纹。目 前表面裂纹检测方法中， 电 磁检测方法具有非常大的比较优势。 研究了表面裂纹分 析的可靠性数学模型， 采用电 磁检测设备和试件对压力管道对接

2、焊缝表面裂纹检测的可靠性进行了实 验， 通过对实验结 果分析可知， 对接焊缝裂纹检出可靠性不但与裂纹深度有关， 还与对接焊缝表面粗糙度与裂纹深度的比值有关， 并且在 相同条件下， 裂纹检出可靠性还与探头检测时的速度有一定关系。 关键词： 压力管道； 对接焊缝； 电磁检测； 可靠性 中图分类号： T H1 6 ； T H 7 0 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 l 6 ) 0 4 0 1 6 1 0 3 Re l i a b i l i t y o f Pr e s s u r e P i p e Bu t t We l d Su r f a c e C

3、r a c k E I e c t r O ma g n e t i c De t e c t i o n W ANG Ha i - b o ，S ONG S h u - b o ，HOU Z h e - s h e n g ， ( C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ， J i l i n I n s t i t u t e o f C h e m i c a l T e c h n o l o g y ， J i l i n J i l i n 1 3 2 0 2 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： P r e s

4、s u r e pip e l i n e i s a n i m po rt a n t s t r u c t u r e i n c h e m i c a l e q u i p me n t ，a n d b u t t w e l d i n g is a l a r g e pr o p o r t i o n i n t he p i p e l i ne c o n s t r u c t i o n ，b u t t w e l d w i l l gener a t e s o m e s u rf a c e c r ack s i n e v i t abl y i

5、n p ip e s r u n n i n g C u r r e n t l y ，e l e c t r o ma g n e t i c d e t e c t i o n h a s a v e r y 6 c o m p a r a t i v e a d v a n t a g e s u rf ace c r ack dete c t i o n met h o d s T h e s u o Cace c r ack a n a l y s is r e l i a b i l i t y m a t hem a t i c a l m o del i s r e s e a

6、 r c h e d ， t he p r e s s u r e p ipe b u t t w e ld s u o a c e c r ack det e c t i o n r e l i a b il i t y e x p e r i m e n t s are c a r r i e d o u t u s i ng e l e c t r o ma g n e t i c如 tec t ion e q u i p me n t a n d teS t p i e c e s a n d t he e x pe r i me n t a l res u l t s s h o w

7、 t h at b u t t w e l d c r a c k de t e c t ion r e l ia b il i t y r e l a t e s n o t D 嘶 c r ack d e p t h ， b u t a l s o t h e r a t io o f s u o Cace r o u g h nes s a n d c r ac k却 ， a n d u n d e r t h e删 c o n d it ion s ， t he r e is ac e rt a i n c o rr e l ati o n b e t we e n c r ack d

8、etec t i o n r e l i a b i l i t ya n dp r o b e s p e e d Ke y W o r d s ： P r e s s u r e P i p e ； Bu t t W e l d； El e c t r o m a g n e ti c De t e c tio n； Re l i a b i l i t y 1引言 石油化工行业是国民经济的重要支柱产业，石油化工产品 往往是有毒、 有害、 易燃、 易爆， 安全生产是保证行业发展的首要 前提， 化工装置中， 压力管道起着在装置间传递物料的作用， 它往 往由一些短管或弯头通过对接的方式焊接在一

9、起， 当化工装置停 产检修时， 压力管道焊缝必须要通过检测来保证未来一段时间的 安全运行l l- 3 l 。压力管道对接焊缝的各种缺陷中， 表面裂纹经过一 定时间的使用， 很容易扩展， 酿成泄露事故， 各种压力管道对接焊 缝表面裂纹检测方法中， 只有电磁检测方法具有方便、 无损、 无接 触、 不需耦合剂、 对操作环境没有特殊要求并且不会对相关人员 的身体产生损害l 町 。 电磁检测的检测质量与很多因素有关， 比如操 作人员、 操作工艺和操作条件等， 需要进行深入的研究 。 缺陷探测概率( 简称 P O D) 是一种无损检测可靠性分析的方 法 ， 它表示对某种尺寸缺陷的检出概率， 是衡量无损检测

10、系统可 靠性和灵敏度的技术 - 1o 。电磁检测压力管道对接焊缝表面裂纹 的可靠性研究内容 目前还没有报道， 需要采用理论和实践相结合 的方法对该内容进行研究。 2 P O D计算模型 P O D分析是以缺陷尺寸函数表示的一种方法。 分析时， 主要 有两种数据记录形式： 第一种是 h i t m i s s 数据； 第二种是信号响应 数据。有多种概率分布能用来描述这两种数据类型，其中 l 0 g o d d s 分布模型最适 h i ff mi s s 数据 ，对数正态分布模型最适合后 者。 2 1 l o g - o d d s模型 H i t Mi s s 数据的P O D函数， 采用 l

11、 o g - l o g i s t i c 分布形式分析， 其表达式为： f 1 P O D( a ) = _ ( 1 ) 1 + e ( 1n a -_ _ _ _mm1 式中： o 缺陷尺寸； m ， 平均值和标准差。令： 来稿日期： 2 0 1 5 - 0 8 - 2 1 基金项目： 吉林省科技厅科技发展计划资助项目( 2 0 1 1 0 5 0 6 5 ) 作者简介： 王海波， ( 1 9 7 4 - ) ， 男， 吉林蛟河人， 博士研究生， 副教授， 主要研究方向： 机电一体化及检测技术 1 6 2 王海波等： 压力管道对接焊缝表面裂纹电磁检测的可靠性研究 第4期 m = 一 则方

12、程( 1 ) 也可以表达 为： P O D( ) = ( 2 ) 方程( 2 ) 可进一步变形为： In (一POD ( a ) ： a ln n I n ( o d d s ) = o t + fl l n a ( 3 ) 式中： o d d s -一成功概率与失败概率的比值 ， 式( 3 ) 表明 o d d s 的对 数和a的对数呈线性关系： I n ( o d ds) l n a 2 2对数正态模型 对于任一长度( 或深度) 口的缺陷， P O D( a ) 可以用概率密度 函数 n ) ( 在 ) 表示为 ： POD ( a ) =J g ( n ) ( a ) d a 式中： a

13、_确定的阈值； 一测量数值； 陷尺寸， a 与缺陷长 度( 或深度 ) n 之间一般有如下关系： I n ( t1 ) = ri o 。 l n ( 口 ) 式中： I n ( 缺陷相对测量值； I n ( a ) 一缺陷的相对值： 一随机误 差、 取正态分布的平均值为0 、 同定标准偏离为 ； 卢 n I n ( 。 ) j每个分布的平均回归。 当a 时， 缺陷被认为存在， 并且尸 D D( n ) ) 可以写成： PO D ( a ) = P r o b a b i l i t y a a PO D ( a ) = P r o b a b i l i t y 1 n ( a ) l n (

14、 a ) 朋 D ( 。 ) ： l 一 ! 二 In 望 ! 竺 ( 4 ) 【 J 式中： 准正态分布。 采用极大似然法结合正态分布特性计算参数 。 和 O “ 5 后， 令： 则式( 4 ) 可以变形为对数正态分布函数的积分形式： ， 。 一 J zn cn 一 加 D (口 )= ! I o -s I 卢 。 3对接焊缝表面裂纹电磁检测可靠性试 验研究 3 1检测设备及试件 实验采用 WE L D S C O P E焊缝裂纹电磁探伤仪，如图 l 所 示。实验采用多个对接焊缝表面裂纹试件和非焊缝表面裂纹试 件，如图2所示。在两种试件的不同位置开出了从 l m m、 2m n 、 3 mm

15、、 4 m m四种不同深度的焊缝人_T裂纹和非焊缝人工裂纹。 图 1焊缝裂纹探伤仪 F i g 1 W e l d Cr a c k D e t e c t i o n I n s t r u me n t 图 2实验对比试件 F i g 2 Ex p e r i me n t a l Co n t r a s t T e s t P i e c e 3 2焊缝表面粗糙度对电磁检测可靠性的影响 压力管道对接焊缝在焊接过程中， F h 于 岂的影响， 表面相 对比较粗糙， 表面粗糙现象的存在， 会对电磁检测过程巾的可靠 性产生一定的影响，表面粗糙信号会很容易与缺陷信号混淆， 试 验中， 取焊缝表

16、面粗糙度值与裂纹缺陷深度的比值作为数据分析 的基础， 实验中探头运动方向与焊缝的方向垂直 在焊缝 J 升出 人 _ 裂纹， 裂纹方向与焊缝方向相同， 探头与裂纹的相对运动速 度为 2 m s ， 置信水平为9 5 将测得的数据， 进行数据模型分析 后， 获得的 P O D曲线， 如图 3所示。 嚣 。 喜 。 o 0 4 表 面粗糙腰 与裂纹深度 比值 罔 3裂纹检测可靠性与粗糙度和裂纹深度 比值关 系曲线 F i g 3 Th e Ra t i o Cu r v e Re l i a b i l i t y o f Cr a c k De t e c t io n a n d t h e R

17、a t i o B e t we e n t h e Ro u g h n e s s a n d t h e C r a c k De p t h 从图 3 可以观察到，当对接焊缝表面粗糙度与裂纹的深度 比值增大时， 焊缝表面裂纹的检出可能性是下降的， 比值为 1 时， 焊缝表面裂纹缺陷仍然能够检m， 这是南于焊缝缺陷的宽度 比其粗糙表面沟槽的宽度要小， 其电磁感应变化较敏感。当其比 值大于 1 2时候 ， 此时缺陷已经无法检 ， 需要对对接焊缝表面 进行处理或其它方法来进行表面裂纹检测。 3 3电磁检测探头运动速度对检测可靠性的影响 压力管道对接焊缝电磁检测方法与其它检测方法不同， 检 测

18、过程中探头与裂纹的相对运动速度对检测信号起到非常大的 影响， 直接影响焊缝表面裂纹的检测可靠性。 为了分析这种影响 实验中将探头取不同的运动速度， 在与焊缝垂直的方向平稳通 No4 A p r 2 0 1 6 机 械 设计 与 制造 1 6 3 过， 获取相应的检测信号值， 置信水平为 9 5 。如图 4 所示， 当探 头以6 m s 的速度沿着与向成角的方向运动时， 可以获得相应稳 定的测量数据， 对四种不同深度的焊缝裂纹， 进行数据模型分析 后， 获得的对接焊缝表面裂纹 P O D曲线， 如图5所示。相同条件 下， 检测光滑试件表面裂纹获得的P O D曲线， 如图 6 所示。 图 4探头检

19、测时运动示意 图 Fi g u r e 4 Mo t i o n Di a g r a m o f P r o b e De t e c t i o n 1 0 9 O 8 嘏： 0 7 0 6 S 05 0 4 0 1 2 3 4 5 6 探头运动速度 r rd s 图5 对接焊缝表面裂纹检测可靠性与探头运动速度关系 F i g 5 T h e Re l a t i o n s h i p B e t we e n Pmb e S u r f a c e Cr a c k De t e c t i o n Re l i a b i l i t y f o r B u t t We l d a

20、 n d Mo v e me n t S p e e d 0 l 2 3 4 5 6 探头运动速度 m s 图6光滑试件表面裂纹检测可靠性与探头运动速度关系 F i g 6 Th e Re l a t i o n s h i p B e t we e n Re l i a b i l i t y o f Pr o b e De t e c t i o n S mo o t h S p e c i me n S u r f a c e Cr a c k a n d Mo v e me n t S p e e d 从图 5 和图6可以分析得到， 随着探头运动速度的增加， 对 接焊缝表面裂纹和光滑试

21、件表面裂纹的检出可靠性逐渐增加， 但 是比较粗糙的对接焊缝表面裂纹检出可靠性增加的比较缓慢， 而 光滑试件表面裂纹检出可靠性增加的比较快， 这是由于对接焊缝 表面的凸凹不平在检测过程中会产生的干扰信号， 使检出可靠性 变差。 4结论 通过研究可知，采用电磁方法检测压力管道对接焊缝表面 裂纹时， 焊缝表面粗糙度会对检测结果产生不利的影响， 降低检 测精度 ， 使不同深度表面裂纹的检出性变差 ， 通过实验及 P O D理 论分析得出了对接焊缝表面粗糙度对不同深度表面裂纹检出的 可靠性及其规律， 和探头以不同速度检测时的表面裂纹检测可靠 性及其影响程度， 为压力管道对接焊缝表面裂纹电磁检测的进一 步

22、研究打下了一定的基础。 参考文献 1 周杨飞， 张胜军， 肖 超波 压力管道安装监检的常见问题分析 J 石油 和化工设备 ， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 4 9 5 1 ( Z h o u Y a n g - f e i ， Z h a n g S h e n g - j u n ， X i a o C h a o - b o P r e s s u r e p i p e i n s t a l l a t i o n s u p e r v i s o r y i n p e c t i 0 n c 0 mm0 n p f 0 b l e ms l J P e t r 0 &c h

23、 e m i c a l e q u i p me n t ， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 4 9 5 1 ) 2 张武， 韩毅 ， 廖子先 压力管道裂纹泄漏定量技术分析 J 河南科技， 2 0 1 3 ( 2 3 ) ： 6 7 ( Z h a n g Wu ， H a n Y i ， L i a o Z i - x i anP r e s s u r e p i p e l e a k a g e c r a c k q u a n t i t a t i v e t e c h n i c a l a n al y s i s J H e n a n s c i e n c e

24、a n d t e c h n o l o g y ， 2 0 1 3 ( 2 3 ) ： 6 7 ) 3 徐洋长输压力管道焊接质量的管理措施 J 科技视界。 2 0 1 3 ( 2 7 ) ： 2 9 2 ( Xu Ya n g L o n g- - d i s t a n c e p r e s s u r e p i p e we l d i n g q u ali t y ma n a g e me nt me a s u r e s J H e n a n s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y v i e w， 2 0 1 3 ( 2 7 )

25、 ： 2 9 2 ) 4 丁钰沣 基于电磁检测法的钢丝绳检测研究 D 北京： 北京邮电大学， 2 01 1 ： l 2 1 5 ( Di n g Y u - f e n g Wi r e r o p e d e t e c t i o n me t h o d s r e s e a r c h b a s i n g o n e l e c t rum a g n e t i c d e t e c t i o n D B e i j i n g ： B e i j i n g U n i v e r s i t y o f P o s t s a n d T e l e c o m m u

26、 n i c a t i o n s ， 2 0 1 I ： 1 2 1 5 ) 5 彭学文， 付跃文， 傅恩敏 油管腐蚀的一种电磁检测方法 J 测控技术， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 2 1 2 4 ( P e n g X u e w e n ， F u Y u e - w e n ， F u E n - mi n A Ma g n e t i c i n s p e c t i o n me t h o d for t u b i n g c o r r o s i o n 【 J Me a s u r e m e n t C o n t r o l T e c h n o l o g

27、y， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 21 2 4 ) 6 陈兵芽， 于润桥小尺度浅层瞬变电磁检测复合材料的实验研究 J 制 造技术与机床， 2 0 1 2 ( 1 7 ) ： 1 5 2 1 5 4 ( C h e n B i n g y a ， Y u Ru n q i a o ， F u E n ra i n ， X i a L i a n g E x p e ri me n t a l r e s e arc h o n s ma l l y a r d s t i c k a n d s h all o w t r a n s i e n t e l e c t r o ma g n

28、 e t i c t e s t i n g o f c o m p o s i t e s nM a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y m a c h i n e t o o l ， 2 0 1 2 ( 1 7 ) ： 1 5 2 1 5 4 ) 7 张玉华， 李建增， 孙慧贤影响磁导率测试的电磁检测探头设计因素分 析 J 传感器与微系统， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 4 7 5 0 ( Z h a n g Y u - h u a ， L i J i a n - z e n g ， S u n Hu i - x i a n A n a l

29、 y s i s o f d e s i g n f a c t o r s o f e l e c t r o m a g n e t i c p m b e e f f e c t s o n m a g n e t i c p e r m e abi l i t y m e a s u r e m e n t J T r a n s d u c e r a n dm i c r o s y s t e mt e c h n o l o g i e s ， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 4 7 5 0 ) 8 申杨， 郭彦书， 刘庆刚 基于P O D的含平面缺陷压力管道可靠性研究 J 河

30、北科技大学学报， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 4 9 6 5 0 0 ( S h e n Y a n g ， G u o Y a n- s h u ， L i u Q i n g - g a n g S t u d y o n t h e r e l i a b i l i t y o f p r e s s u r e p i p e w i t h p l a n a r d i s fi g u r e m e n t s b a s e d o n P O D l J J J o u r n a l o f He b e i U n i v e r s i t y o f S c

31、i e n c e andT e c h n o l o gy， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 4 9 6 - 5 0 0 ) 9 许亮斌， 陈国明对海洋结构无损检测可靠性概念的探讨 J 中国海上 油气 ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 3 4 4 3 4 7 ( X u Ha n g - b i n ， C h e n G u o - m i n g D i s c u s s i o n o n t h e c o n c e p t i o n o f n o n - d e s m l c t i v e i n s p e c t i o n r e l i a b i l i

32、t y f o r o f f s h o r e s t r u c t u r e s J C h i n a O ff s h o r e O i l a n d G a s ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 3 4 4 3 4 7 ) 1 O 马官兵， 张俊， 李明 无损检测可靠性的研究进展t J 中国电力， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 6 4 6 9 ( Ma G u a n b i n g ， Z h ang J u n ， L i Mi n g R e v i e w o n t h e r e l i a b i l i t y o f n o n d e s t ru c t i v e t e c h n o l o gy J E l e c t ri c P o w e r ， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 6 4 6 9 ) - - 。 。 。 。 y O 0 O O 0 0 垛 丑 漫誊