導(dǎo)行波檢測新技術(shù)專題（一）——導(dǎo)行波檢測技術(shù)綜述

周 宇，周在杞

（1.蘇州阿爾斯通高壓電氣開關(guān)有限公司，蘇州 215129；2.蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004）

目前我國核電站現(xiàn)行蒸發(fā)器管件在役檢查是采用渦流檢測技術(shù)，在國外還推出了遠場渦流用于在役檢查，并設(shè)計了SG管四腳步行機器人系統(tǒng)。而導(dǎo)行波檢測技術(shù)具有非接觸、非破壞、非電量和非污染應(yīng)用的特點，與被檢對象不需直接接觸，可離開一定距離或插入間隙進行掃查，不需要耦合劑。因為可以通過空氣來實現(xiàn)有效的耦合或匹配，所以可避免耦合劑污染管件。

導(dǎo)行波檢測（Guided Traveling Wave Testing縮寫為GT）新技術(shù)，從理論探索到探頭儀器研制走過了一段路程。GT在管件可用性試驗驗證方面，近幾年也取得了重大的突破。在實際應(yīng)用時只要將專用的導(dǎo)行波探頭放置或插入被檢測管件的管口即可，因此管道、管線、管排、管束的被檢測端需要有一個露出的開口，從而便于導(dǎo)行波檢測。

1 導(dǎo)行波檢測技術(shù)的工作原理

1.1 導(dǎo)行波的概念

由傳輸線引導(dǎo)的，能沿一定方向傳播的電磁波稱為“導(dǎo)行波”。電磁導(dǎo)行波的電場E或磁場H都是x、y、z三個方向的函數(shù)。導(dǎo)行波可分成三種類型。

1.1.1 橫電磁波（TEM波）

TEM波的電場E和磁場H均無縱向分量。電場E和磁場H都是純橫向的。TEM波沿傳輸方向的分量為零，所以TEM波是無法在傳輸波導(dǎo)中傳播的。

1.1.2 橫電波（TE波）

TE波即是橫電波或稱為“磁波”（H波），其特征是電場E是純橫向的，而磁場H則具有縱向分量。TE波為“色散波”。

1.1.3 橫磁波（TM波）

TM波即是橫磁波或稱為“電波”（E波），其特征是磁場H是純橫向的，而電場E則具有縱向分量。TM波也是“色散波”。

1.2 色散波的特點

由于TE波及TM波與TEM波的性質(zhì)或特征不同。色散波就有其自身的特點。

1.2.1 臨界波長λc

在傳輸波導(dǎo)中傳播的色散波，都有一定的“臨界波長”。只有當(dāng)自由空間的波長λ0小于臨界波長λc時，電磁波才能在傳輸線波導(dǎo)中得到傳播。當(dāng)k2＝時，β2＝k2－＝0，β＝0。故沿z方向各點場的振幅、相位相同，即沿z方向沒有波的傳播；這種狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)，kc稱為臨界波數(shù)或本征值。臨界波長為

1.2.2 波導(dǎo)波長λg和相速vp、群速vg

色散波的傳輸波導(dǎo)波長用λg表示。傳輸波導(dǎo)內(nèi)由入射波與反射波疊加而成的合成波，其相平面?zhèn)鞑サ乃俣确Q為相速vp。電磁能量沿傳輸波導(dǎo)縱向傳播的速度則稱為群速vg。因為傳輸波導(dǎo)中電磁導(dǎo)行波是成“之”字形并以光速傳播的，所以，傳輸波導(dǎo)波長λg將大于自由空間的波長λ0。同時，相速vp也大于光速c。

1.3 腐蝕減薄的檢測原理

導(dǎo)行波傳播特性與均勻平面波相同，真空中相速與群速相等為空間光速，與頻率無關(guān)。其波長等于空間波長，與頻率成反比。此時這種導(dǎo)行波既無縱向電場也無縱向磁場。

設(shè)沿管（類如傳熱管）的縱軸方向定為z軸或縱向；與z軸垂直的方向稱為橫向。若令一根傳熱管作為一個圓柱諧振腔，其腔體z軸或縱向與諧振頻率或諧振波長無關(guān)，而腔體的徑向尺寸的變化即腐蝕減薄量則與該腔體內(nèi)的射頻電磁波諧振頻率或諧振波長有關(guān)。在圓柱諧振腔中，當(dāng)2.1R大于1時，主模為TM010，當(dāng)2.1R小于1時，主模為TE111。同軸諧振腔中主模為TEM模。對于由兩端短路或開路的金屬管圓柱諧振腔，其諧振條件的數(shù)學(xué)表達式為l＝nλx／2；對于由一端短路，另一端開路的金屬管構(gòu)成的諧振腔，其諧振條件的數(shù)學(xué)表達式為

式中：l為圓柱電磁諧振腔徑向尺寸；λx為諧振波長。

公式（2）表示金屬管的徑向尺寸l（2R）與諧振波長λx或相應(yīng)的諧振頻率ωx是函數(shù)關(guān)系。諧振頻率與減薄量的關(guān)系可用各類材料的金屬管（銅、鈦、不銹鋼）進行定量試驗來確認。

1.4 不連續(xù)點的檢測原理

依據(jù)經(jīng)典傳輸線理論，在導(dǎo)行波的傳輸通道上必須保證其結(jié)構(gòu)完整性和內(nèi)壁均勻連續(xù)性，否則就會產(chǎn)生衰減損耗及反射現(xiàn)象。如若金屬管內(nèi)壁存在結(jié)構(gòu)不完整性和不連續(xù)性，則它將遵循傳輸線經(jīng)典理論的反相關(guān)性原理或反問題求解的規(guī)律。

假設(shè)橫截面的形狀、尺寸、材料性質(zhì)都不隨z變化，即沿縱向是均勻的。則：

式中：Z1、Z2為波幅；β為導(dǎo)行波的相移常數(shù)；令k為常數(shù)，則k2＝β2＋。

公式（3）描寫了電磁導(dǎo)行波（簡稱導(dǎo)行波）的傳播特性，kc決定在均勻傳輸線導(dǎo)行波系統(tǒng)中可以傳播的模式或場型。均勻媒質(zhì)中k與頻率成正比，即

式中：μ為磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；ω為角頻率。

如果導(dǎo)行波的不連續(xù)反射點是通過時域測量的，則需要進行富利葉變換［1］，見公式（4）。

式中：t為從任意選擇的參考面x0到要探測的那一點x再返回，以相速v行程的時間。

若加于電橋的兩個信號為e－j2πxs和f（x），則在加、減這兩信號之后，以平方律檢波，由差分放大器差分，再由后一級積分，能得到4∫f（x）e－j2πxsdx，即f（x）的富利葉變換，或即F（s），這就是將頻域變換為時域顯示的基本工作原理。

2 導(dǎo)行波檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 源自低頻行波故障測距

行波（Traveling Wave）是指某一物理量的空間分布形態(tài)隨著時間的推移振幅不變的情況下向一定的方向行進（不斷向前推進）所形成、傳播方向為無限的波動。電力線路在輸送電能時是以電磁波的形式傳播的行波，在忽略電阻和電導(dǎo)的情況下，其線性行波的傳播速度為v＝1／sqrt（LC）；將線路的電感和電容代入后，可以發(fā)現(xiàn)架空線路的行波傳播速度接近于光速，即v≈3×105km／s。行波波長是指行波相位差正好等于2π的兩點之間的距離。

低頻行波作為檢測手段應(yīng)用研究的案例就是傳輸線路故障定位。對于通過超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的“瞬時性可恢復(fù)接地故障”數(shù)據(jù)，其暫態(tài)過程特性，也包含有“瞬時性可恢復(fù)接地故障”的行波過程信息，利用該行波故障測距技術(shù)，可以檢測線路故障點的距離。在故障預(yù)警的同時，通過行波測距自動算法，就能明確指示故障點距離。采用單端行波原理，將線路故障后在檢測端（裝置安裝端）測量點提取的第1個正向行波浪涌與其在故障點反射波之間的時延，計算始端測量點到故障點之間的距離。于是提出了新的GT法構(gòu)想。

2.2 導(dǎo)行波檢測技術(shù)研究進程

研究GT目的在于開發(fā)一種部分替代渦流檢測技術(shù)的電磁導(dǎo)行波傳熱管檢測新技術(shù)。將導(dǎo)行波檢測技術(shù)應(yīng)用于蒸汽發(fā)生器傳熱管，尤其是第四代核電高溫氣冷堆蒸發(fā)器螺旋盤式傳熱管，在檢測方便度的前提下，導(dǎo)行波檢測技術(shù)將比傳統(tǒng)的渦流檢測技術(shù)具有更大的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的渦流BOBBIN探頭檢測一根傳熱管的平均時間（從探頭進入傳熱管到回拉記錄數(shù)據(jù)完畢）大約為幾分鐘，而完成相同的工作，導(dǎo)行波檢測只需1s。對于核島役前及在役檢查計劃中總數(shù)幾千根的傳熱管而言，為業(yè)主節(jié)省的停堆換料檢修工期將是相當(dāng)可觀的，且導(dǎo)行波檢測技術(shù)將來可以應(yīng)用分功器或電子開關(guān)，更易開發(fā)雙探頭甚至是多探頭系列，完成螺旋盤式傳熱管在役檢查的工作，其潛在的經(jīng)濟效益必將十分巨大。

利用射頻的導(dǎo)行波檢測GT技術(shù)作為一種新的手段，為了解決金屬管件的內(nèi)壁不連續(xù)點的定位問題，自2002年率先提出了新的GT法構(gòu)想后，一直試圖尋找機會證實其可行性。GT作為一項新的管件內(nèi)壁缺陷檢測定位方法。該定位法利用了有源射頻信號作為攜帶缺陷信息載體，用導(dǎo)行波傳感器作為缺陷目標的能量交換的探頭，即可將缺陷信息在發(fā)射域內(nèi)，由接收器按其鎖定目標，通過對矢量進行時域反射相關(guān)分析，來實現(xiàn)對缺陷目標的檢測定位。因此，它能使接收到的缺陷目標（不連續(xù)點、腐蝕）在同一發(fā)射域內(nèi)，選擇、跟蹤不同的缺陷目標，又不存在所發(fā)現(xiàn)缺陷目標的顯示失真的問題。

在2003年NDT第八屆年會暨國際研討會期間，擬采用“非典思維”提升NDT新技術(shù)水平，筆者將導(dǎo)行波檢測即用導(dǎo)行波檢測金屬管的構(gòu)想，向業(yè)內(nèi)專家介紹，也向華裔學(xué)者宣傳，盼加以驗證。到2004年率先發(fā)表《導(dǎo)行波時域反射法用于管道高速檢測的研究》的論文［1］，還專門對截止波長（不同管徑對應(yīng)不同頻率）進行了計算。但只僅僅引起華中科大武新軍教授的興趣，卻多年來沒有得到專業(yè)人士應(yīng)有的反響。經(jīng)多年理論探索，都冀望盡可能與業(yè)內(nèi)人士分享。在西安召開的第十一屆NDT新技術(shù)學(xué)術(shù)研討會上，“基于導(dǎo)行波原理的金屬管檢測方法的設(shè)計”主旨報告登場。到2008年證實了GT應(yīng)用的可行性。其中關(guān)鍵在于系列傳感器的設(shè)計［2］。

2011年在蘇州科技局科研計劃項目SG 201135立項后，課題得以啟動。隨著經(jīng)費的落實，研究步伐進一步地加快，并且設(shè)計完成導(dǎo)行波檢測傳感器探頭。通過聯(lián)系實際，解決了導(dǎo)行波檢測的可用性問題。SG 201135號課題就像是一支有效的催化劑，在夯實理論根基的同時，進行課題攻關(guān)，尋覓突破的機會，研究“導(dǎo)行波檢測”的適用范圍、缺陷類型、管件截面及材料要求等，這些相關(guān)的規(guī)律性和判據(jù)準則，都要探索清楚。

作為科技人員始終恪守經(jīng)世致用理念，“行是知之始，知是行之成”。在射頻導(dǎo)行波應(yīng)用領(lǐng)域，傳輸線中存在行波，遵循經(jīng)典電磁場基本理論。傳感器從同軸線型、法蘭連接型到對口插入型，終于完成設(shè)計并獲得成功應(yīng)用。尋覓適用示波器，從頻譜分析儀、階躍脈沖示波器到時域反射計，最后如愿以償。利用管件中傳播的導(dǎo)行波作反問題求解，可以實行“超級眼”檢查。只是在金屬管件的另一端需要短路或開路，使導(dǎo)行波得以返回被接收，不僅頻域可測管壁減薄，而且能獲取不連續(xù)點的信息，通過時域得以距離定位。2012年12月12日，經(jīng)國內(nèi)無損檢測界業(yè)內(nèi)權(quán)威專家的嚴格評審鑒定，該項技術(shù)已居國際領(lǐng)先水平。

3 導(dǎo)行波檢測技術(shù)可用性試驗驗證

3.1 冷凝器管腐蝕結(jié)垢檢測

在完成導(dǎo)行波檢測試驗研究之后，對冷凝器熱交換管進行實地檢測。試驗以管板內(nèi)在役熱交換管為樣本，持續(xù)地對若干根熱交換管做快速掃查。這種掃查技術(shù)具有“四不一沒有”的特征：不穿越，不送達，不套圈，不能達和沒有耦合劑。相比之下，比渦流和超聲檢測，掃查速度更快，每管口檢查時間可以做到不足1s。

用手持GT探頭對準熱交換管的管板外側(cè)裸露的管口作有效掃查。隨著管口數(shù)越來越多，甚至幾千根的情況，就要設(shè)計機器人操縱的多探頭系統(tǒng)。結(jié)果表明，管內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢狀況檢測信號如圖1，2所示。沒有腐蝕結(jié)垢的新管掃查結(jié)果曲線相對較為平坦，如圖3所示。

圖1 冷凝器管端口短路時腐蝕結(jié)垢的掃描線

圖2 冷凝器管端口開路時腐蝕結(jié)垢的掃描線

圖3 冷凝器新管無腐蝕結(jié)垢的掃查平坦的曲線

3.2 傳熱管防異物檢測

熱交換管或其他熱力管道、管線、管束的防異物，導(dǎo)行波檢測方法有獨到之處，見圖4、圖5、圖6和圖7。圖4為傳熱管內(nèi)端口開路φ15mm金屬異物距端口50cm。圖5為傳熱管內(nèi)φ10mm土質(zhì)異物距始端口30cm。圖6為傳熱管內(nèi)φ1mm×100mm金屬異物距始端口40cm。圖7為傳熱管內(nèi)φ10mm×20mm沙石膠囊異物端口狀態(tài)開路相間50cm。

3.3 冷凝器管環(huán)形裂縫檢測

用GT技術(shù)對冷凝器管進行環(huán)形裂縫的檢測，可以發(fā)現(xiàn)開裂0.1mm和0.2mm的不連續(xù)裂縫間隙，顯然0.2mm反射峰值更高，更容易被發(fā)現(xiàn)。圖8為φ20mm銅管環(huán)縫間隙0.2mm時的反射幅值，相對高些；圖9為φ20mm銅管環(huán)縫間隙0.1mm時反射幅值相對低些。兩者皆為管端開口。

圖4 傳熱管內(nèi)端口開路φ15mm金屬異物反射曲線

圖5 傳熱管φ10mm土質(zhì)異物反射曲線

圖6 傳熱管中φ1mm×100mm金屬異物端口開路反射曲線

圖7 傳熱管內(nèi)φ10mm×20mm沙石膠囊異物端口開路反射曲線

圖8 φ20mm冷凝器管環(huán)縫間隙0.2mm時的反射幅值

圖9 φ20mm冷凝器管環(huán)縫間隙0.1mm時的反射幅值

3.4 傳熱管腐蝕減薄檢測

在腐蝕結(jié)垢狀況檢測之后，利用圓柱諧振腔原理對腐蝕減薄冷凝器管內(nèi)壁進行實物現(xiàn)場檢測。將金屬管的兩端分別接上設(shè)計好的傳感器和短路器，采用窄帶掃頻方式，使導(dǎo)行波在金屬管中傳播，因為另一端口用短路屏蔽，所以，被測金屬管就形成一個圓柱形諧振腔體。

通過對螺旋盤管精確的反復(fù)試驗，結(jié)果說明導(dǎo)行波檢測方法對于傳熱管壁減薄較為敏感，見圖10。圖中諧振頻率最高線或最靠右的諧振線表示減薄量為3%時的幅頻曲線。1號線為減薄量3%，2號線為減薄量5%，3號線為減薄量8%，4號線為減薄量10%，5號線為減薄量20%，6號線為減薄量40%，7號線為減薄量60%，8號線為減薄量80%。

圖10 不同壁厚條件下的幅值與頻率相互關(guān)系

隨著壁厚越減薄，頻移越向左（低頻）偏移。用此方法可測得3%至80%的管壁減薄量，精度在±2mm左右。傳熱管壁厚度減薄量導(dǎo)行波法測定具體數(shù)據(jù)見表1。

從金屬管道的導(dǎo)行波檢測及定量分析結(jié)果，圖10為不同腐蝕減薄情況下幅值與頻率的關(guān)系，顯示了共振頻率與減薄量變化的明顯位移關(guān)系。以頻率響應(yīng)為手段，不同顏色曲線代表減薄3%～80%的頻響。通過試驗，為熱交換器從管板側(cè)檢驗管子內(nèi)壁腐蝕量提供了具體的數(shù)據(jù)支持。因此，可以確定它在檢測熱交換器、蒸發(fā)器管內(nèi)壁腐蝕減薄方面能發(fā)揮重要作用。

表1 傳熱管壁厚度減薄量導(dǎo)行波法測定結(jié)果

4 結(jié)語

導(dǎo)行波檢測技術(shù)作為一種新的無損檢測方法，它已成為我國高溫氣冷堆蒸發(fā)器螺旋盤式傳熱管的役前和在役檢查的一種新的選擇。研究成果表明，導(dǎo)行電磁波或電磁導(dǎo)行波可以在鐵磁性或非鐵磁性金屬管線、管排、管束或管道內(nèi)傳播，尤其對防異物的檢測效果相當(dāng)顯著，100μm大小的金屬絲都無法藏匿，也具有較高的不連續(xù)性等缺陷的檢測能力。同時，對傳熱管碰傷管內(nèi)鼓包的檢測結(jié)果用渦流檢測方法比較，對導(dǎo)行波探測發(fā)現(xiàn)的異物，用射線照相、內(nèi)窺鏡檢查進行了對照，都證明導(dǎo)行波檢測技術(shù)在管件檢測內(nèi)突和防異物等方面是相當(dāng)成功的。

今后工作就是要通過研制的儀器，做進一步深入試驗、檢驗缺陷檢測的定量化及缺陷特征與信號研究，通過腐蝕缺陷標定和導(dǎo)行波信號分析對照，完成更大口徑的傳感器的設(shè)計。

并利用HFSS仿真軟件優(yōu)化設(shè)計。倘若加上信號及圖像處理技術(shù)，導(dǎo)行波檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍將更加廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域也將更加擴大。

（未完待續(xù)）

［1］周在杞.導(dǎo)行波時域反射法用于管道高速檢測的研究［C］／／全國第九屆無損檢測新技術(shù)會議論文集。寧波，［出版者不祥］：2004.

［2］周在杞，周宇.基于導(dǎo)行波原理的金屬管檢測方法的設(shè)計［J］.無損檢測，2010，32（2）：122－126.