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中國特檢院攻克大型承壓設(shè)備檢測(cè)世界性難題
祝賀“大型承壓設(shè)備不停機(jī)電磁無損檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)
中國特檢院攻克大型承壓設(shè)備檢測(cè)世界性難題
大型承壓設(shè)備檢測(cè)實(shí)現(xiàn)不停機(jī)檢測(cè) 建立五項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)和一項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)
新年伊始，我國特檢戰(zhàn)線喜傳捷報(bào)，中國特檢院沈功田研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，成功攻克大型承壓設(shè)備檢測(cè)的世界性難題，榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。1月8日，在北京人民大會(huì)堂，沈功田應(yīng)邀參加了2015年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)，受到國家領(lǐng)導(dǎo)人的接見并合影留念。中國特檢院代表特檢行業(yè)再次站上國家科技榮譽(yù)的時(shí)代巔峰。
瓶頸性難題 世界性難題
近年來，鍋爐、壓力容器和壓力管道等承壓設(shè)備，如雨后春筍般在石油、化工、電力、冶金、制藥、城市公用等行業(yè)的大型項(xiàng)目中建設(shè)應(yīng)用。作為大型成套裝置中的核心裝備，承壓設(shè)備具有高溫、高壓、深冷、大型化等特點(diǎn)，比如千萬噸煉油、百萬噸乙烯、百萬噸煤液化等裝置中的承壓設(shè)備，一旦發(fā)生爆炸事故，后果極其嚴(yán)重，因此，確保其安全運(yùn)行，對(duì)保障能源安全和人民日常生活至關(guān)重要。長期以來，我國采用停產(chǎn)檢驗(yàn)維修的方式，來保證承壓設(shè)備的安全，停產(chǎn)期少則一年，多則一年半，停產(chǎn)損失巨大。
新世紀(jì)以來，隨著我國對(duì)能源需求的急劇增加，發(fā)電設(shè)備和石化裝置能力日益嚴(yán)重不足，為了保證國家能源安全，應(yīng)對(duì)國際競(jìng)爭(zhēng)壓力，大型成套裝置開始了長周期運(yùn)行，研發(fā)承壓設(shè)備不停機(jī)檢測(cè)技術(shù)成為迫切需求。
大型機(jī)械和承壓設(shè)備的不停機(jī)檢測(cè)，很早就是國際上的研究熱點(diǎn)。科研的核心問題是：如何在不停機(jī)不拆保溫層情況下快速檢測(cè)承壓設(shè)備殼體的腐蝕減薄，局部拆除保溫層帶防腐層狀態(tài)下快速檢測(cè)焊縫的表面裂紋與內(nèi)部損傷？為此，英國開展了金屬材料表面裂紋的渦流檢測(cè)研究，俄羅斯提出了采用金屬磁記憶現(xiàn)象對(duì)材料中應(yīng)力集中部位進(jìn)行檢測(cè)的思路，荷蘭RTD公司開展了脈沖渦流檢測(cè)保溫層下腐蝕的檢測(cè)應(yīng)用研究，美國西南研究院開展了磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的研究，這些研究表明了電磁檢測(cè)技術(shù)在大型承壓設(shè)備不停機(jī)檢測(cè)的可行性和潛力，但仍然存在檢測(cè)機(jī)理不清、檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)缺失、檢測(cè)儀器不成熟等嚴(yán)重問題。
產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)
針對(duì)這一日常生產(chǎn)生活急需解決的技術(shù)難題，上世紀(jì)80年代開始，以中國特檢院為首的科研團(tuán)隊(duì)開始了堅(jiān)持不懈的科技攻關(guān)。科學(xué)研究的道路上從來就布滿了荊棘和艱辛。但是，科研人員通過“七五”“八五”“九五”攻關(guān)，硬是先后解決了宏觀缺陷的停機(jī)清理檢測(cè)、老舊設(shè)備超期服役的檢驗(yàn)檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)等問題。沈功田研究員團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近20年的不懈探索，推出了“金屬壓力容器和常壓儲(chǔ)罐聲發(fā)射檢測(cè)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)與應(yīng)用”的成果，在上世紀(jì)末實(shí)現(xiàn)了承壓設(shè)備埋藏和內(nèi)表面裂紋以及泄漏的不停機(jī)檢測(cè)，獲得了2010年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
這是科研征途上的一座里程碑。但是，沈功田他們沒有就此止步，他們還有更大的抱負(fù)，更遠(yuǎn)的目標(biāo)。他的特檢院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華中科技大學(xué)武新軍教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)李路明教授團(tuán)隊(duì)、愛德森（廈門）電子有限公司林俊明研究員團(tuán)隊(duì)、江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院和河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗(yàn)院等國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用十多家單位，又開始攀登新的高峰。他們先后承擔(dān)了1個(gè)國家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃專題，3個(gè)國家“十一五”科技支撐計(jì)劃專題和2個(gè)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目研究。60多名科技人員，圍繞大型承壓設(shè)備不停機(jī)電磁檢測(cè)的若干科學(xué)技術(shù)問題，從檢測(cè)機(jī)理、檢測(cè)儀器、檢測(cè)方法及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等方面，開展了全鏈條系統(tǒng)深入的研究和應(yīng)用，取得了全面突破。
項(xiàng)目成果解決了長期困擾政府和企業(yè)的瓶頸性技術(shù)難題，極大地推動(dòng)了承壓設(shè)備安全科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，獲得發(fā)明專利13項(xiàng)，其他知識(shí)產(chǎn)權(quán)7項(xiàng)。研制的儀器系統(tǒng)打破了國外壟斷，為大型承壓設(shè)備不停機(jī)檢測(cè)提供了硬件保障。
填補(bǔ)多項(xiàng)國際空白
10余年的創(chuàng)新與求索，沈功田他們成功揭示了大型承壓設(shè)備常用金屬材料腐蝕和應(yīng)力損傷在不同電磁激勵(lì)下的響應(yīng)規(guī)律。針對(duì)國際上對(duì)磁記憶檢測(cè)機(jī)理不清的狀況，他們首創(chuàng)性的設(shè)計(jì)制作了基于三維亥姆霍茲線圈的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，構(gòu)造了應(yīng)力、磁場(chǎng)、傳感器位置均精確可控的弱電磁研究環(huán)境，提出了非線性應(yīng)力分布磁場(chǎng)畸變的計(jì)算方法，將基于線性應(yīng)力分布的磁機(jī)械效應(yīng)理論擴(kuò)展到非線性區(qū)域，豐富完善了磁機(jī)械效應(yīng)理論體系，獲得了鐵磁性材料表面漏磁場(chǎng)梯度與提離的對(duì)數(shù)放大曲線，揭示了鋼焊縫表面裂紋信號(hào)的變化規(guī)律；針對(duì)保溫層下腐蝕的檢測(cè)機(jī)理，建立了減薄金屬損傷的多渦流環(huán)響應(yīng)模型，擴(kuò)展了渦流環(huán)理論，獲得了承壓設(shè)備常用金屬材料在不同提離狀態(tài)下不同厚度的脈沖渦流信號(hào)響應(yīng)規(guī)律；針對(duì)壓力管道腐蝕的檢測(cè)需求，獲得了頻散曲線、材料空間磁場(chǎng)分布特性，闡明了基于時(shí)空變換技術(shù)的磁致伸縮導(dǎo)波單方向激勵(lì)和接收原理，建立了磁致伸縮導(dǎo)波單方向檢測(cè)模型。
10余年潛心科研，沈功田他們走出了全新的技術(shù)創(chuàng)新之路，開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三種電磁檢測(cè)儀器與系統(tǒng)。在理論研究的基礎(chǔ)上，他們攻克了材料損傷微弱磁記憶信號(hào)的探測(cè)技術(shù)難題，設(shè)計(jì)制作了專門適用于鋼焊縫表面裂紋檢測(cè)的十字交叉探頭和適用于材料內(nèi)部應(yīng)力損傷微弱磁信號(hào)探測(cè)的探頭，開發(fā)了磁記憶-復(fù)平面渦流檢測(cè)一體化儀器，實(shí)現(xiàn)了帶涂層內(nèi)部應(yīng)力損傷的定位和焊縫表面裂紋的快速檢測(cè)。針對(duì)保溫層引起的大提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的削弱，他們提出了一種基于檢測(cè)信號(hào)與周期延拓的純?cè)肼曅盘?hào)相差分的中值濾波算法，提高了脈沖渦流檢測(cè)信號(hào)的信噪比，研制出可實(shí)現(xiàn)保溫層下鐵磁性材料腐蝕檢測(cè)的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)；針對(duì)大多數(shù)承壓設(shè)備保溫層帶鐵磁性護(hù)層引起脈沖渦流信號(hào)強(qiáng)度下降的問題，發(fā)明了基于局部磁飽和的瞬變磁場(chǎng)屏蔽效應(yīng)削弱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了帶鐵磁性保護(hù)層的保溫層下腐蝕的檢測(cè)；針對(duì)目前扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波僅能通過接觸方式激勵(lì)的不足，在深入研究非接觸式電磁導(dǎo)波檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，發(fā)明了利用壓力管道自身的威德曼（Wiedemann）效應(yīng)和馬特西（Matteucci）效應(yīng)的非接觸式扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波傳感器，突破了管道軸向缺陷的檢測(cè)技術(shù)難題；針對(duì)非接觸磁致伸縮導(dǎo)波電磁-聲換能效率低的問題，研制了大功率激勵(lì)裝置，開發(fā)出鐵磁性管道電磁導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管道腐蝕非接觸的遠(yuǎn)距離快速檢測(cè)。
10余年風(fēng)雨兼程，他們提出了適用于不同材料腐蝕與應(yīng)力損傷的四種電磁檢測(cè)和結(jié)果評(píng)價(jià)方法。通過對(duì)數(shù)萬米檢測(cè)數(shù)據(jù)的總結(jié)，他們?cè)趪H上首次系統(tǒng)建立了應(yīng)力集中和應(yīng)力損傷的磁記憶評(píng)價(jià)方法，明確了磁記憶檢測(cè)技術(shù)的適用條件。在大量現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)工件表面裂紋檢測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過標(biāo)準(zhǔn)試樣的比對(duì)，建立了基于復(fù)平面的裂紋尺寸當(dāng)量化評(píng)價(jià)方法，提出了實(shí)際檢測(cè)過程對(duì)腐蝕情況進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。針對(duì)壓力管道的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了一種基于距離幅度衰減特性的超聲導(dǎo)波信號(hào)分級(jí)方法，實(shí)現(xiàn)了通過人工缺陷信號(hào)對(duì)實(shí)際缺陷產(chǎn)生的橫截面積損失進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。
科技攻關(guān)路上從來都是一路艱辛。回憶過往，沈功田微笑著說：“我們最大的特點(diǎn)就是能吃苦。大量數(shù)據(jù)都在現(xiàn)場(chǎng)完成，露天30多攝氏度的高溫，我們干起活兒來跟民工一個(gè)樣，登上百米高塔是常有的事。”
就是這樣一群干起活來像民工的科研人員，為國家、為世界特檢領(lǐng)域做出杰出貢獻(xiàn)，建立了大型承壓設(shè)備不停機(jī)電磁無損檢測(cè)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)體系。經(jīng)過系統(tǒng)開展理論研究、儀器研制、檢測(cè)方法工藝開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，他們提出了采用電磁檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)解決大型承壓設(shè)備不停機(jī)檢測(cè)問題的技術(shù)路線。通過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)機(jī)理的系統(tǒng)研究和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工藝及方法的應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)展完善了磁記憶和復(fù)平面渦流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，在國際上首次制定了脈沖渦流和磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，形成了大型承壓設(shè)備不停機(jī)電磁無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系：《GB/T 26954-2011 焊縫無損檢測(cè) 基于復(fù)平面分析的焊縫渦流檢測(cè)》、《GB/T 26641-2011 無損檢測(cè) 磁記憶檢測(cè)總則》、《GB/T 12604.10-2011 無損檢測(cè)術(shù)語磁記憶檢測(cè)》、《GB/T 28705-2012 無損檢測(cè) 脈沖渦流檢測(cè)方法》、《GB/T 28704-2012 無損檢測(cè) 磁致伸縮超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法》、《ISO/DIS 20669 Non-destructive testing-Pulsed eddy current testing of ferromagnetic material components》。我國因此在標(biāo)準(zhǔn)制定上領(lǐng)先于國際。
技術(shù)領(lǐng)先國際
他們的科研成果首次系統(tǒng)解決了我國大型承壓設(shè)備不停機(jī)檢測(cè)和安全評(píng)價(jià)的瓶頸性技術(shù)難題，對(duì)我國大型電力和石化裝置的運(yùn)行周期科學(xué)延長至3到6年發(fā)揮了關(guān)鍵作用，也讓我國技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。
與國外承壓設(shè)備不停機(jī)檢測(cè)技術(shù)相比較，新技術(shù)體系完整，適用范圍更廣。發(fā)達(dá)國家原料來源單一、成分穩(wěn)定，設(shè)備制造質(zhì)量好，日常維護(hù)規(guī)范，使得他們可以采用長期定點(diǎn)測(cè)厚檢測(cè)的局部解決方案，譬如俄羅斯采用磁記憶、英國采用復(fù)平面渦流、荷蘭采用脈沖渦流、美國則采用電磁導(dǎo)波技術(shù)。我國原料來源多樣、存在低硫、高硫、高酸等復(fù)雜成分，設(shè)備設(shè)計(jì)思想滯后（按每年一停機(jī)檢修設(shè)計(jì)），制造質(zhì)量先天不足，管理維護(hù)水平參差不齊，失效模式呈現(xiàn)多樣化。沈功田他們研制出綜合配套應(yīng)用的完整技術(shù)體系，適用于各種條件，設(shè)備檢修周期大大延長。
不僅如此，他們研制的檢測(cè)儀器主要指標(biāo)也是國際領(lǐng)先。科研項(xiàng)目開發(fā)的磁記憶/復(fù)平面渦流一體化檢測(cè)儀具有多參數(shù)、檢出率高、可適用于母材和焊縫、焊縫檢測(cè)靈敏度更高（可檢0.5mm深5mm長的裂紋）等特點(diǎn)；國外只有俄羅斯開發(fā)了單參數(shù)磁記憶檢測(cè)儀器，檢出率低、適用性差；英國開發(fā)的復(fù)平面渦流檢測(cè)儀器，經(jīng)測(cè)試尚不能檢測(cè)出1mm深10mm長的焊縫裂紋。他們開發(fā)的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)可透過鐵磁性保護(hù)層檢測(cè)200mm保溫層下5%的腐蝕減薄，荷蘭的相關(guān)設(shè)備只能檢測(cè)150mm保溫層下5%的腐蝕減薄，有鐵磁性保護(hù)層時(shí)靈敏度下降50%。他們開發(fā)的磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)可在非接觸條件下檢測(cè)管道3%的橫截面損失，美國的設(shè)備只有在打磨管道，接觸條件下方可達(dá)到檢測(cè)管道3%的橫截面損失。
經(jīng)濟(jì)效益社會(huì)效益雙豐收
項(xiàng)目成果已在數(shù)十家石化電力企業(yè)近百套成套裝置和重要軍事裝備上得到成功應(yīng)用，對(duì)其運(yùn)行周期科學(xué)延長到3至6年發(fā)揮了關(guān)鍵作用。僅對(duì)14家用戶統(tǒng)計(jì)，通過減少停產(chǎn)時(shí)間就帶來了36.8億元的經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)效益巨大。
課題組開發(fā)出鐵磁性管道電磁導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管道腐蝕非接觸的遠(yuǎn)距離快速檢測(cè)，打破國外壟斷，該系統(tǒng)最新型號(hào)大幅超過美國儀器的技術(shù)指標(biāo)，價(jià)格不到國外產(chǎn)品的40%。研制的可實(shí)現(xiàn)保溫層下鐵磁性材料腐蝕檢測(cè)的脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)，儀器指標(biāo)優(yōu)于國外同類產(chǎn)品，但價(jià)格僅為其50%。開發(fā)的磁記憶-復(fù)平面渦流檢測(cè)一體化儀器，實(shí)現(xiàn)了帶涂層內(nèi)部應(yīng)力損傷的定位和焊縫表面裂紋的快速檢測(cè)，儀器功能和指標(biāo)大幅領(lǐng)先于國外同類設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，近幾年每年銷售100多臺(tái)，市場(chǎng)占有率超過70%。