化工壓力容器和管道壁厚的測定
摘 要：化工壓力容器和管道壁厚測定的原理、方法、選點及示值的可靠性分析。化工容器和管道受工藝介質的腐蝕和沖刷導致其壁厚的減薄和損壞，應力集中部位和焊接熱影響區壁厚的測定和獲得準確、可靠的數據在容器管道檢測中具有的重要地位和作用。
關鍵詞：壓力容器 管道壁厚 測厚儀
一、測厚原理和測厚儀
測厚儀多為超聲波測厚儀，其原理是基于超聲波在工件中的傳播和反射，因為超聲波在同一均勻介質中傳播聲速為一常數，故被測工件越厚，超聲波在工件中傳播的時間越長。而且，當超聲波通過不同介質的界面時會反射。測厚時，從探頭換能器發出的脈沖超聲波（老式共振法測厚時為連續超聲波）經耦合劑到達被測工件。此時，部分超聲波被工件表面反射，另一部分則穿過被測工件并被工件底面所反射，經換能器被儀器接收。測出工件表面反射形成的界面波及工件底面反射波之間的時間差，再根據聲速、時間、距離（厚度）三者之間的關系，便可求出被測工件的厚度，即：
h=ct/2
式中 h—距離（厚度）
c—聲速
t—聲波傳播時間
測厚儀分為單晶片探頭和雙晶片探頭，如圖1所示。圖1中A為單晶片探頭探測，B為雙晶片探頭探測。國內早期的測厚儀多為單晶片探頭，探頭晶片兼具發射和接受超聲波之功能。雙晶片探頭是一個晶片T發射超聲波，另一個探頭R接收超聲波。中間用隔聲層隔開，并在晶片下加延遲塊。這種探頭的檢測靈敏度較高，目前國內外儀器均采用。
圖1
二、測量方法和注意事項
1．測量方法
( 1)一次測量法。適用于接觸面較大和內外表面不平行度較小（＜1/4波長的工件，此時一個點只需測量一次）。
(2)二次測量法。對背面有腐蝕坑或內外表面不平行度較大及曲率較大的工件，應在第一次測完后再將探頭旋轉90°取兩次測量中的較小值作為測量值。
(3）線連續測量法。在一條固定線上每相距5mm或5mm以下測量一次，用此間隔連續進行測量，此法適用于測量背面有腐蝕溝槽的工件。
(4）圓圈內多點測量法。以一點為中心在某一直徑范圍內（一般以直徑20一30mm為宜）測量，以找出最薄點，如圖2所示。
(5)綜合測量法：用于腐蝕嚴重或對測量結論要求較精確的場合，測量時以一點為中心，綜合使用以上方法，以更小間隔移動探頭，并將測量結果以等高線形式記錄（圖3)。此法可找出壁厚最薄點，確定小面積的腐蝕坑穴。
圖2 圖3
2. 注意事項
老式儀器，如CH一J一1型，不但線路落后、結構笨重，而且由于采用單晶片探頭，靈敏度低且不穩定，測厚時必須打磨出一平整光滑的測點，使用時由于靜區開得太大出現雙倍讀數，再加上儀器的線性不好，常使某一區段的測值偏高或偏低。近年來出品的數碼管高精度袖珍式儀器，由于采用了先進的工藝技術、元器件和雙晶片分割式探頭，具有檢測靈敏度高、范圍廣、誤差小、便于攜帶和調試等優點。用這種儀器測厚時，需注意以下幾點：
(1)雙晶片中，發射晶片的功率較大，使用時發射插座和接收插座的插位不應插錯，否則靈敏度稍有降低。
(2)袖珍式數字測厚儀，由于檢測靈敏度高，在工件表面有油漆、氧化皮或銹鐵時，均可直接測厚（不平時稍加打磨），但此時測出的工件厚度包括了氧化層和涂層厚度，故應在示值中扣除。
(3)新式儀器在測曲率較大的工件或小直徑管子時必須使用探頭座，并使用黏度較大的耦合劑，使其接觸良好。
(4)測量管壁厚度時，探頭中間的隔聲層應與被測管子的軸線平行，以增大探頭晶片與工件的接觸面，過去采取隔聲層與管子軸線垂直的測量方法是不合理的。
(5)在測表面有嚴重麻點和凹坑的工件時，應選用聲阻抗大、黏度高的甘油、凡士林或專用超聲耦合劑。
(6)測厚中出現示值跳躍不定時，不要輕意確定測厚結果，此時可輕微移動探頭，并用手指將探頭壓緊在測點上，待示值穩定不動時方可取值。
(7)測厚時示值輕微閃爍跳動，一般應以較小測值為準。
3．示值的可靠性及其分析
用測厚儀測出的示值有時與實際情況或預想的結果不符，可能有以下原因：
(1)儀器誤差和精度。一般儀器誤差為±0.1% --0.5%，再加上±0.1mm的精度誤差另外，老式儀器的線路和元件受環境溫度的影響頗大，故測量時應反復調整或校正。
(2)由于測量方法不當造成測量誤差。如用雙晶片探頭測定曲率較大的管子時，如果隔聲層垂直于管子軸線將使示值偏大。
(3)壁厚公差。管子制造時必然存在誤差，如小于等于外徑57mm的熱軋無縫鋼管，其公差為±15%，實測時雖然示值高出公稱值也是可能的。
(4)氧化層或涂漆太厚。由于測值中包含了漆層及氧化鐵厚度，所以示值偏大。
(5)材料代用或圖紙資料有誤。此種情況在工藝管道測量中較常出現，尤其是以厚代薄較為常見。由于檢測示值與原資料所標厚度不符，引起對腐蝕減薄情況的錯誤判斷。
(6)材料內部缺陷對測值的影響材料內部的缺陷如分層、夾雜、裂紋及含氫介質容器的氫腐蝕對測厚數值的影響很大。當探頭軸線垂直或接近垂直缺陷的反射面時，儀器可能顯示的是材料表面缺陷的厚度值，如圖4所示。如果缺陷反射面傾斜角度較大或和探頭軸線平行，則晶片可能接收不到回波而無讀數或數字跳躍不穩，此時應多次移動探頭，以獲得穩定、準確的測值。
對含氫介質壓力容器（如氨合成塔等），由于氫和鋼中的滲碳體還原生成甲烷而導致晶界的腐蝕，產生大量微裂紋和脫碳，使超聲波的衰減、反射、聲速、頻率均受到明顯影響，致使聲波的傳播路線改變、聲程加大，測厚示值增加。
圖4
4．測厚部位的選擇
測厚的目的是要查清被測物的壁厚狀況，但由于腐蝕、沖刷、磨損的不均勻性，故應選準關鍵、薄弱部位，對確定所檢物的安全狀況是至關重要的。
(1)氣、液體沖刷部位氣、液相流動沖刷到的部位，如塔、器正對流體進口的器壁、管道的彎頭拐角部位等。例如壓縮機二段分離器（圖5)，正對進氣管的器壁已被氣體沖刷掉一半壁厚，測厚時如不注意到此局部位置，就不能找出最薄弱點。
圖5
直徑700mm繞帶式氨洗塔，大修時全面檢驗，發現塔內壁升氣帽周圍腐蝕沖刷嚴重。內筒已由原壁厚25mm，減到4.67mm（其他部位24mm)。又如壓縮系統五段管線直徑108mm，壁厚llmm，測厚時彎頭處僅有7mm（圖6)。
(2）易腐蝕部位。容器的氣液相界面、沉淀物聚集的死角等部位較其他部位易腐蝕，如廠內1號飽和熱水塔，大修測厚時發現，上塔氣液相界面附近壁厚明顯減薄（圖7)，兩塔組焊處由于聚集了沉淀物，也明顯減薄。
圖6 圖7
(3)應力集中部位和焊接熱影響區。金屬材料在應力作用下腐蝕會加劇，即產生應力腐蝕。有的容器焊完后未進行焊后熱處哩或熱處理工藝不當，使用時在腐蝕性介質作用下（如氨水、硫化氫等），就會加劇腐蝕。容器組焊后，在熔合區和熱影響區不僅引起金相組織和機械性能的變化，還會產生較大的焊接殘余應力，加速了腐蝕。如碳化塔的筒體環焊縫兩側熱影響區均發現明顯的腐蝕減薄（圖8)，有的容器焊縫附近未見壁厚減薄，但出現了穿孔或裂紋，如廠內的1號、2號綜合塔回收段，塔壁雙焊縫附近曾發生較大面積的穿孔、裂紋和滲漏，此種情況應引起注意。
圖8