藍冑偉 / 工研院材化所
煉製和石化製程中，在各設備之間輸送原料、半成品及成品主要透過製程管線，製程管線一旦洩漏或堵塞將危及工廠安全並導致停機的經濟損失。造成管線失效之原因以機械性損傷為主。目前管線檢測可利用磁通漏檢測作為快速之檢測方法，但傳統磁通漏檢測設備大多使用霍爾元件，霍爾元件在靈敏度特性上較低且需要較強之磁場強度才能進行有效檢測。本文使用巨磁阻(GMR)感測元件開發適用於製程管線之磁通漏檢測模組，利用GMR感測元件高靈敏度之特性將檢測模組小型化，提供製程管線完整性快速評估的檢測方案。
【內文精選】
前言
目前，國內許多廠區在輸送化學氣體和液體最常見的方法為管線運輸，但經過長期使用之耗損下，輸送管線可能因人為因素、外力破壞或環境腐蝕等，產生各種缺陷和變形，導致管線出現破損和洩漏孔等問題，造成輸送物洩漏，其影響輕為廠商能源耗損的隱形成本，重則造成環境汙染和爆炸的危險性。對於石化產業來說，完整性評估為完整性管理最重要的一環，所謂完整性即是設備可承受操作條件的使用狀態，當設備失去完整性後，設備即會失效並無法進行安全操作。
以輸送管線為例，當管線失去完整性，管線即會產生洩漏，造成輸送操作無法安全進行。因此，定期執行輸儲設施的完整性評估來了解設備的狀態，對於預估設備的壽命以及規劃設備的維護檢測計畫都是相當重要的一件事。煉製和石化製程中，在各設備之間輸送內容物的重要工具為製程管線，製程管線一旦產生洩漏或堵塞將危及工廠安全，導致停爐並產生龐大的經濟損失。
參考過去國外重大事故發生頻率之數據並依設備類別進行統計，其事故頻率以製程管線最高；若依損傷肇因統計，可發現機械性損傷為主要原因。國內過去曾多次因製程管線破損洩漏而引起重大工安事件，除了業者的財產與營業損失，嚴重的災害甚至會影響居民之人身及財產損失，企業形象也會受到很大的影響。由於製程管線數量龐大且建置密度較高，因此製程管線在管理和維護的困難度相對較高，因此需要快速且靈活性較高的檢測工具進行評估作業。目前石化設備完整性評估大多以非破壞檢測(NDT)技術執行，其中磁通漏檢測技術也為設備評估的主要選擇之一。
由於傳統磁通漏檢測設備之磁感測元件係使用霍爾元件，其元件靈敏度較低，且需要較大之磁場強度才能有效執行缺陷檢測，亦較難進行裂縫檢測；同時，由於霍爾元件需要較大之磁通場，造成磁通漏檢測設備體積亦較大，針對製程管線管排空間較小之區域，容易造成檢測死角。緣此，本文針對 巨磁阻(Giant Magneto Resistance; GMR)感測元件進行研究，利用GMR感測元件高靈敏度之特性進行裂縫檢測實驗，並將檢測模組小型化，未來可提供一個製程管線全線完整性快速評估的檢測設備設計方案。
巨磁阻磁通漏檢測模組設計與開發
1. 巨磁阻磁通漏檢測模組開發內容
巨磁阻磁通漏檢測模組係利用GMR感測元件進行磁通漏檢測模組開發。GMR磁阻感測元件具備高磁場靈敏度和高空間分辨率，如圖二所示，可以進行定量檢測。由於GMR磁阻感測元件具高靈敏度，因此對磁場強度需求較小，檢測模組可透過小體積磁鐵搭配軟鋼建立磁場，使得此檢測模組具有彈性，可進行快速裝配，達到對於管線可進行全圓周檢測並快速進行壁厚評估。工研院材料與化工研究所利用GMR感測元件研發一套適用於製程管線之磁通漏檢測模組，此模組可針對不同尺寸/厚度管線進行快速組裝配合，且利用GMR感測元件高靈敏度之特性，可進行裂縫檢測，亦可將檢測模組小型化，提供一個製程管線全線完整性快速評估的檢測方案---此為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔或《工業材料雜誌》422期。
圖二、GMR感測元件磁通漏檢測訊號特徵
實驗分析與比較
為了解巨磁阻感測元件與傳統霍爾元件對於管線常發生之腐蝕減薄以及裂縫缺陷之檢測能力差異，本研究設計了一套可更換感測元件之磁通漏感測模組，以進行巨磁阻感測元件及霍爾感測元件的實驗比較。分別利用管線針對減薄10%及外部裂縫建立人工缺陷並進行實驗---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表一、GMR/Hall Sensor減薄10%及裂縫檢測結果
★本文節錄自《工業材料雜誌》422期，更多資料請見下方附檔。