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中國特檢院攻克大型承壓設備檢測世界性難題
祝賀“大型承壓設備不停機電磁無損檢測技術及應用”項目獲得國家科技進步二等獎
中國特檢院攻克大型承壓設備檢測世界性難題
大型承壓設備檢測實現不停機檢測 建立五項國家標準和一項國際標準
新年伊始，我國特檢戰(zhàn)線喜傳捷報，中國特檢院沈功田研究員帶領的科研團隊，成功攻克大型承壓設備檢測的世界性難題，榮獲國家科技進步二等獎。1月8日，在北京人民大會堂，沈功田應邀參加了2015年度國家科學技術獎勵大會，受到國家領導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的時代巔峰。
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)的大型項目中建設應用。作為大型成套裝置中的核心裝備，承壓設備具有高溫、高壓、深冷、大型化等特點，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備，一旦發(fā)生爆炸事故，后果極其嚴重，因此，確保其安全運行，對保障能源安全和人民日常生活至關重要。長期以來，我國采用停產檢驗維修的方式，來保證承壓設備的安全，停產期少則一年，多則一年半，停產損失巨大。
新世紀以來，隨著我國對能源需求的急劇增加，發(fā)電設備和石化裝置能力日益嚴重不足，為了保證國家能源安全，應對國際競爭壓力，大型成套裝置開始了長周期運行，研發(fā)承壓設備不停機檢測技術成為迫切需求。
大型機械和承壓設備的不停機檢測，很早就是國際上的研究熱點。科研的核心問題是：如何在不停機不拆保溫層情況下快速檢測承壓設備殼體的腐蝕減薄，局部拆除保溫層帶防腐層狀態(tài)下快速檢測焊縫的表面裂紋與內部損傷？為此，英國開展了金屬材料表面裂紋的渦流檢測研究，俄羅斯提出了采用金屬磁記憶現象對材料中應力集中部位進行檢測的思路，荷蘭RTD公司開展了脈沖渦流檢測保溫層下腐蝕的檢測應用研究，美國西南研究院開展了磁致伸縮超聲導波檢測技術的研究，這些研究表明了電磁檢測技術在大型承壓設備不停機檢測的可行性和潛力，但仍然存在檢測機理不清、檢測方法和標準缺失、檢測儀器不成熟等嚴重問題。
產學研用聯合攻關
針對這一日常生產生活急需解決的技術難題，上世紀80年代開始，以中國特檢院為首的科研團隊開始了堅持不懈的科技攻關。科學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，硬是先后解決了宏觀缺陷的停機清理檢測、老舊設備超期服役的檢驗檢測與安全評價等問題。沈功田研究員團隊經過近20年的不懈探索，推出了“金屬壓力容器和常壓儲罐聲發(fā)射檢測及安全評價技術與應用”的成果，在上世紀末實現了承壓設備埋藏和內表面裂紋以及泄漏的不停機檢測，獲得了2010年國家科技進步二等獎。
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，更遠的目標。他的特檢院團隊聯合華中科技大學武新軍教授團隊、清華大學李路明教授團隊、愛德森（廈門）電子有限公司林俊明研究員團隊、江西省鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院和河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗院等國內產學研用十多家單位，又開始攀登新的高峰。他們先后承擔了1個國家“十五”科技攻關計劃專題，3個國家“十一五”科技支撐計劃專題和2個國家自然科學基金項目研究。60多名科技人員，圍繞大型承壓設備不停機電磁檢測的若干科學技術問題，從檢測機理、檢測儀器、檢測方法及檢測標準等方面，開展了全鏈條系統深入的研究和應用，取得了全面突破。
項目成果解決了長期困擾政府和企業(yè)的瓶頸性技術難題，極大地推動了承壓設備安全科學技術的進步，獲得發(fā)明專利13項，其他知識產權7項。研制的儀器系統打破了國外壟斷，為大型承壓設備不停機檢測提供了硬件保障。
填補多項國際空白
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備常用金屬材料腐蝕和應力損傷在不同電磁激勵下的響應規(guī)律。針對國際上對磁記憶檢測機理不清的狀況，他們首創(chuàng)性的設計制作了基于三維亥姆霍茲線圈的磁場產生裝置，構造了應力、磁場、傳感器位置均精確可控的弱電磁研究環(huán)境，提出了非線性應力分布磁場畸變的計算方法，將基于線性應力分布的磁機械效應理論擴展到非線性區(qū)域，豐富完善了磁機械效應理論體系，獲得了鐵磁性材料表面漏磁場梯度與提離的對數放大曲線，揭示了鋼焊縫表面裂紋信號的變化規(guī)律；針對保溫層下腐蝕的檢測機理，建立了減薄金屬損傷的多渦流環(huán)響應模型，擴展了渦流環(huán)理論，獲得了承壓設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響應規(guī)律；針對壓力管道腐蝕的檢測需求，獲得了頻散曲線、材料空間磁場分布特性，闡明了基于時空變換技術的磁致伸縮導波單方向激勵和接收原理，建立了磁致伸縮導波單方向檢測模型。
10余年潛心科研，沈功田他們走出了全新的技術創(chuàng)新之路，開發(fā)出了具有自主知識產權的三種電磁檢測儀器與系統。在理論研究的基礎上，他們攻克了材料損傷微弱磁記憶信號的探測技術難題，設計制作了專門適用于鋼焊縫表面裂紋檢測的十字交叉探頭和適用于材料內部應力損傷微弱磁信號探測的探頭，開發(fā)了磁記憶-復平面渦流檢測一體化儀器，實現了帶涂層內部應力損傷的定位和焊縫表面裂紋的快速檢測。針對保溫層引起的大提離效應對檢測信號的削弱，他們提出了一種基于檢測信號與周期延拓的純噪聲信號相差分的中值濾波算法，提高了脈沖渦流檢測信號的信噪比，研制出可實現保溫層下鐵磁性材料腐蝕檢測的脈沖渦流檢測系統；針對大多數承壓設備保溫層帶鐵磁性護層引起脈沖渦流信號強度下降的問題，發(fā)明了基于局部磁飽和的瞬變磁場屏蔽效應削弱技術，實現了帶鐵磁性保護層的保溫層下腐蝕的檢測；針對目前扭轉模態(tài)導波僅能通過接觸方式激勵的不足，在深入研究非接觸式電磁導波檢測原理的基礎上，發(fā)明了利用壓力管道自身的威德曼（Wiedemann）效應和馬特西（Matteucci）效應的非接觸式扭轉導波傳感器，突破了管道軸向缺陷的檢測技術難題；針對非接觸磁致伸縮導波電磁-聲換能效率低的問題，研制了大功率激勵裝置，開發(fā)出鐵磁性管道電磁導波檢測系統，實現了管道腐蝕非接觸的遠距離快速檢測。
10余年風雨兼程，他們提出了適用于不同材料腐蝕與應力損傷的四種電磁檢測和結果評價方法。通過對數萬米檢測數據的總結，他們在國際上首次系統建立了應力集中和應力損傷的磁記憶評價方法，明確了磁記憶檢測技術的適用條件。在大量現場真實工件表面裂紋檢測試驗的基礎上，通過標準試樣的比對，建立了基于復平面的裂紋尺寸當量化評價方法，提出了實際檢測過程對腐蝕情況進行評價的方法。針對壓力管道的運行特點，提出了一種基于距離幅度衰減特性的超聲導波信號分級方法，實現了通過人工缺陷信號對實際缺陷產生的橫截面積損失進行評價的方法。
科技攻關路上從來都是一路艱辛?；貞涍^往，沈功田微笑著說：“我們最大的特點就是能吃苦。大量數據都在現場完成，露天30多攝氏度的高溫，我們干起活兒來跟民工一個樣，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、為世界特檢領域做出杰出貢獻，建立了大型承壓設備不停機電磁無損檢測技術與標準體系。經過系統開展理論研究、儀器研制、檢測方法工藝開發(fā)和現場工程應用，他們提出了采用電磁檢測技術系統解決大型承壓設備不停機檢測問題的技術路線。通過實驗室檢測機理的系統研究和現場檢測工藝及方法的應用實踐，發(fā)展完善了磁記憶和復平面渦流檢測標準，在國際上首次制定了脈沖渦流和磁致伸縮導波檢測標準，形成了大型承壓設備不停機電磁無損檢測標準體系：《GB/T 26954-2011 焊縫無損檢測 基于復平面分析的焊縫渦流檢測》、《GB/T 26641-2011 無損檢測 磁記憶檢測總則》、《GB/T 12604.10-2011 無損檢測術語磁記憶檢測》、《GB/T 28705-2012 無損檢測 脈沖渦流檢測方法》、《GB/T 28704-2012 無損檢測 磁致伸縮超聲導波檢測方法》、《ISO/DIS 20669 Non-destructive testing-Pulsed eddy current testing of ferromagnetic material components》。我國因此在標準制定上領先于國際。
技術領先國際
他們的科研成果首次系統解決了我國大型承壓設備不停機檢測和安全評價的瓶頸性技術難題，對我國大型電力和石化裝置的運行周期科學延長至3到6年發(fā)揮了關鍵作用，也讓我國技術處于世界領先水平。
與國外承壓設備不停機檢測技術相比較，新技術體系完整，適用范圍更廣。發(fā)達國家原料來源單一、成分穩(wěn)定，設備制造質量好，日常維護規(guī)范，使得他們可以采用長期定點測厚檢測的局部解決方案，譬如俄羅斯采用磁記憶、英國采用復平面渦流、荷蘭采用脈沖渦流、美國則采用電磁導波技術。我國原料來源多樣、存在低硫、高硫、高酸等復雜成分，設備設計思想滯后（按每年一停機檢修設計），制造質量先天不足，管理維護水平參差不齊，失效模式呈現多樣化。沈功田他們研制出綜合配套應用的完整技術體系，適用于各種條件，設備檢修周期大大延長。
不僅如此，他們研制的檢測儀器主要指標也是國際領先?？蒲许椖块_發(fā)的磁記憶/復平面渦流一體化檢測儀具有多參數、檢出率高、可適用于母材和焊縫、焊縫檢測靈敏度更高（可檢0.5mm深5mm長的裂紋）等特點；國外只有俄羅斯開發(fā)了單參數磁記憶檢測儀器，檢出率低、適用性差；英國開發(fā)的復平面渦流檢測儀器，經測試尚不能檢測出1mm深10mm長的焊縫裂紋。他們開發(fā)的脈沖渦流檢測系統可透過鐵磁性保護層檢測200mm保溫層下5%的腐蝕減薄，荷蘭的相關設備只能檢測150mm保溫層下5%的腐蝕減薄，有鐵磁性保護層時靈敏度下降50%。他們開發(fā)的磁致伸縮導波檢測系統可在非接觸條件下檢測管道3%的橫截面損失，美國的設備只有在打磨管道，接觸條件下方可達到檢測管道3%的橫截面損失。
經濟效益社會效益雙豐收
項目成果已在數十家石化電力企業(yè)近百套成套裝置和重要軍事裝備上得到成功應用，對其運行周期科學延長到3至6年發(fā)揮了關鍵作用。僅對14家用戶統計，通過減少停產時間就帶來了36.8億元的經濟效益，社會效益巨大。
課題組開發(fā)出鐵磁性管道電磁導波檢測系統，實現了管道腐蝕非接觸的遠距離快速檢測，打破國外壟斷，該系統最新型號大幅超過美國儀器的技術指標，價格不到國外產品的40%。研制的可實現保溫層下鐵磁性材料腐蝕檢測的脈沖渦流檢測系統，儀器指標優(yōu)于國外同類產品，但價格僅為其50%。開發(fā)的磁記憶-復平面渦流檢測一體化儀器，實現了帶涂層內部應力損傷的定位和焊縫表面裂紋的快速檢測，儀器功能和指標大幅領先于國外同類設備，并實現了產業(yè)化，近幾年每年銷售100多臺，市場占有率超過70%。