基于電磁超聲的核電廠在役檢測(cè)技術(shù)的分析與展望

信鵬皓 楊連雯 白庭宇

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、引言

電磁超聲檢測(cè)技術(shù)起源于20世紀(jì)中期，20世紀(jì)80年代進(jìn)入中國(guó)，目前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的單位是哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所，已有多項(xiàng)成熟產(chǎn)品投入應(yīng)用。電磁超聲通過電磁超聲換能器發(fā)射電磁波后在金屬試件內(nèi)部感應(yīng)出的電磁力引發(fā)的金屬內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。由于電磁超聲的工作機(jī)理與其他超聲波的激發(fā)過程完全不同，使得電磁超聲技術(shù)擁有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如能夠檢測(cè)高溫試件，能夠脫離聲耦合劑，并且使用過程中無(wú)需對(duì)試件表面進(jìn)行預(yù)處理，方便產(chǎn)生各種類型的超聲波等[1]。這些優(yōu)點(diǎn)使得電磁超聲技術(shù)在核電廠無(wú)損檢測(cè)方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

（1）測(cè)量高溫高壓設(shè)備的厚度變化 除氧器、高壓加熱器等設(shè)備在正常工作時(shí)溫度較高，因此需要涂抹聲耦合劑的壓電超聲無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量由于主給水的沖刷腐蝕等造成的管道厚度變化，電磁超聲技術(shù)憑借無(wú)需聲耦合劑的優(yōu)勢(shì)可以輕松解決這一問題。

（2）快速檢測(cè)長(zhǎng)直薄壁管道內(nèi)部缺陷（孔、裂紋等）核電廠一、二回路存在大量厚度＜10 mm的長(zhǎng)直管道，如果依靠壓電超聲探傷需要逐點(diǎn)掃描以檢測(cè)缺陷，對(duì)于表面積較大的管道檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。電磁超聲的導(dǎo)波技術(shù)能夠以線掃描的方式檢測(cè)管道缺陷，因此一根管道只需沿周長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)一圈便可以檢測(cè)出整個(gè)管道的所有缺陷。

（3）測(cè)量設(shè)備的應(yīng)力變化 電磁超聲的傳播速度會(huì)隨著應(yīng)力的變化而變化，因此通過測(cè)量電磁超聲的波速就可以測(cè)出材料的應(yīng)力。核電廠因溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力問題較多，如汽輪機(jī)因疏水倒流等引起的轉(zhuǎn)子應(yīng)力變化，蒸汽發(fā)生器由于負(fù)荷變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力變化等都可以通過電磁超聲技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（4）快速檢測(cè)圓形設(shè)備表面缺陷 電磁超聲表面波可以沿圓形物體表面?zhèn)鞑?，因此?duì)于安裝位置較高，體積較大的圓形設(shè)備如除氧器、除氧器水箱、高壓疏水?dāng)U容器等，只需在設(shè)備最底部從一端移動(dòng)到另一端就可以測(cè)出整個(gè)設(shè)備表面是否有缺陷，減少測(cè)量難度。

電磁超聲技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋁型材檢測(cè)、火車輪對(duì)檢測(cè)、鋼軌檢測(cè)、殘余應(yīng)力檢測(cè)以及厚度測(cè)量等領(lǐng)域。北京鋼鐵總院最先將電磁超聲技術(shù)引入中國(guó)，國(guó)內(nèi)雖然起步較晚，但這一技術(shù)已經(jīng)被越來(lái)越多的人認(rèn)可和接受。目前電磁超聲技術(shù)的研究主要集中于換能機(jī)理的研究和電磁超聲裝置的設(shè)計(jì)。

二、電磁超聲工作機(jī)理

電磁超聲技術(shù)的核心是電磁超聲換能器，電磁超聲換能器由3部分組成：線圈、磁鐵和被測(cè)試件。電磁超聲換能器線圈主要用于發(fā)射和接收電磁波，根據(jù)激發(fā)超聲波類型的不同分為螺旋線圈和曲折線圈；磁鐵產(chǎn)生固定的偏置磁場(chǎng)為發(fā)射接收超聲波提供最佳工作點(diǎn)；被測(cè)試件分為磁性材料和非磁性材料，分別對(duì)應(yīng)不同的超聲波激發(fā)原理。

電磁超聲工作機(jī)理包括洛倫茲力機(jī)理、磁致伸縮力機(jī)理和磁化力機(jī)理。在非磁性材料中，由于沒有磁化力和磁致伸縮力，因此只存在洛倫茲力機(jī)理；而在磁性材料中，由于磁致伸縮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩種力，因此磁致伸縮力機(jī)理是產(chǎn)生電磁超聲波的主要原因。

1.洛倫茲力機(jī)理

洛倫茲力激發(fā)電磁超聲波的原理如圖1所示。發(fā)射過程中，電磁超聲線圈通有高頻大功率發(fā)射電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電流會(huì)在試件內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，并在試件表面感生出渦流；渦流在磁鐵靜磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)共同作用下產(chǎn)生變化的洛侖茲力；洛侖茲力會(huì)引發(fā)試件表面質(zhì)點(diǎn)的高頻振動(dòng)，振動(dòng)沿試件表面以超聲波的形式傳播就形成了電磁超聲波。電磁超聲波的接收過程通常認(rèn)為是發(fā)射的逆過程。

2.磁致伸縮力機(jī)理

磁致伸縮力激發(fā)電磁超聲波的原理如圖2所示。發(fā)射過程中，電磁超聲線圈中通有高頻大功率發(fā)射電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電流會(huì)在試件內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于具有磁致伸縮效應(yīng)的物質(zhì)體積會(huì)隨著磁場(chǎng)的變化而變化，因此在發(fā)射電流感生的交變磁場(chǎng)作用下，試件表面會(huì)產(chǎn)生周期性的收縮和拉伸變化，從而產(chǎn)生高頻振動(dòng)。這種振動(dòng)沿試件表面以超聲波的形式傳播就形成了電磁超聲波。波的接收過程通常認(rèn)為是發(fā)射的逆過程。

圖1 洛倫茲力激發(fā)電磁超聲原理圖

圖2 磁致伸縮力激發(fā)電磁超聲波原理圖

3.磁化力工作原理

與非鐵磁性材料中分子始終保持雜亂無(wú)章的分布規(guī)律不同，鐵磁性材料放入外加磁場(chǎng)后，外磁場(chǎng)將對(duì)分子磁矩有轉(zhuǎn)矩作用，使得分子磁矩的排列變得比較有序，總磁矩不再為零（圖3），整塊物質(zhì)便呈現(xiàn)磁性，根據(jù)安培矩形分子模型（圖4）推導(dǎo)磁性介質(zhì)在電磁場(chǎng)中受到的力。

三、電磁超聲在核電廠中的應(yīng)用展望

圖3 磁化電流原理圖

1.測(cè)量大型圓柱體表面缺陷

電磁超聲表面波可用來(lái)測(cè)量金屬表面缺陷，包括空洞、裂紋等。表面波沿金屬表面直線運(yùn)動(dòng)，在遇到缺陷和達(dá)到金屬邊緣時(shí)反射，因此通過檢測(cè)回波的數(shù)量就能夠判斷金屬表面是否具有缺陷，另外根據(jù)回波的幅值還能夠判斷缺陷的大小，這是傳統(tǒng)壓電超聲技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，壓電超聲不能沿金屬表面沿直線傳播因此需要以點(diǎn)掃描的方式測(cè)量整個(gè)設(shè)備，而電磁超聲表面波技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)線掃描的工作方式，大大提高檢測(cè)效率，降低工人工作強(qiáng)度。

利用電磁超聲表面波能夠沿金屬表面?zhèn)鞑サ奶攸c(diǎn)，可以非常方便的測(cè)量大型圓柱體設(shè)備的表面缺陷。當(dāng)大型圓柱體設(shè)備位置較高時(shí)例如除氧器，只需將表面波探測(cè)器沿圓柱體外表面沿軸線方向移動(dòng)，就能夠檢測(cè)出整個(gè)設(shè)備表面的缺陷，可以大型設(shè)備或位置特殊設(shè)備的檢測(cè)，減小測(cè)量人員工作危險(xiǎn)性，特高測(cè)量效率，這中測(cè)量方式同樣是壓電超聲技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

利用電磁超聲技術(shù)在線監(jiān)測(cè)高溫設(shè)備。電磁超聲技術(shù)與傳統(tǒng)壓電超聲相比無(wú)需聲耦合劑（通常為黃油），這使得電磁超聲技術(shù)能夠應(yīng)用于高溫設(shè)備在線檢測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量金屬內(nèi)部的損傷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，不必等到設(shè)備斷裂或漏水后才進(jìn)行處理，根據(jù)測(cè)量結(jié)果合理安排大修內(nèi)容，減少不必要的停機(jī)停堆風(fēng)險(xiǎn)，保證電廠的經(jīng)濟(jì)效益，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

利用Lamb波技術(shù)測(cè)量小型管道內(nèi)容缺陷（圖5）。核電廠中有非常多的直徑＜50 mm管壁厚度＜10 mm的長(zhǎng)直細(xì)管道，對(duì)于這種管道無(wú)論采用射線還是壓電超聲檢測(cè)都比較麻煩，但是電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)能夠非常方便的解決這一問題，導(dǎo)波的一大優(yōu)勢(shì)是測(cè)量薄金屬內(nèi)部的缺陷，并且能夠沿直線傳播，在遇到缺陷和管道邊緣時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波，通過檢測(cè)回波數(shù)量和回波產(chǎn)生的時(shí)間就能夠判斷缺陷的位置，降低測(cè)量難度，特別是在空洞中的細(xì)管道，電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)更能體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)，因此導(dǎo)波技術(shù)在核電廠具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

利用電磁超聲SV波測(cè)量設(shè)備厚度變化（圖6）。電磁超聲SV波能夠測(cè)量設(shè)備厚度，測(cè)量精度可達(dá)0.01 mm，另外SV波同樣繼承電磁超聲無(wú)需聲耦合劑的優(yōu)點(diǎn)，因此可以在線監(jiān)測(cè)重要設(shè)備的厚度變化，特別是沖刷腐蝕比較嚴(yán)重的設(shè)備。目前核電廠的重要設(shè)備還沒有實(shí)現(xiàn)厚度實(shí)時(shí)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)問題的方式通常為大修解體檢查或設(shè)備出現(xiàn)漏水等問題后的解體檢查，嚴(yán)重影響電廠穩(wěn)定運(yùn)行，如果沒有備品備件，還會(huì)影響經(jīng)濟(jì)效益。因此利用SV波對(duì)重要設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)厚度具有重要意義。

圖4 安培矩形分子模型

利用電磁超聲技術(shù)測(cè)量應(yīng)力變化。電磁超聲波的波長(zhǎng)隨應(yīng)力變化而變化，核電廠很多高溫壓力容器運(yùn)行時(shí)溫度變化較大，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力變化也很大，采用電磁超聲能夠?qū)崟r(shí)在線測(cè)量設(shè)備應(yīng)力變化給操縱員提供詳細(xì)參數(shù)，目前昌江核電廠沒有應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備，為限制一回路熱應(yīng)力過大，限制啟停溫度梯度不超過28℃/h，如果采用電磁超聲檢測(cè)設(shè)備就能夠可靠測(cè)量應(yīng)力值，提供給運(yùn)行人員提供參考，方便主控室參數(shù)控制，這對(duì)于一回路應(yīng)力控制具有非常重要的意義。

利用SH導(dǎo)波測(cè)量金屬焊縫（圖7）。SH導(dǎo)波是水平偏振的橫波，僅有電磁超聲換能器能夠方便激發(fā)。主要用于較薄試件（≤20 mm厚）檢測(cè)，目前在管道SCC裂紋、焊接缺陷等得到了廣泛應(yīng)用。核電目前廣泛采用射線技術(shù)探測(cè)焊縫，但是射線技術(shù)對(duì)工作人員的傷害較大，采用電磁超聲技術(shù)可以避免工作人員的人身傷害。

4.電磁超聲裝置的工作原理

電磁超聲裝置設(shè)計(jì)包括換能器設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、功率放大電路設(shè)計(jì)和諧振電路設(shè)計(jì)，換能器設(shè)計(jì)依據(jù)已經(jīng)在第一部分中給出。由于電磁超聲的工作頻率較高，因此發(fā)射接收電路所需的主控芯片的工作頻率也較高，使用FPGA實(shí)現(xiàn)。電磁超聲的工作電流幅值較大可達(dá)100 A以上，采用長(zhǎng)時(shí)間供電不僅耗能巨大且不易設(shè)計(jì)成便攜式設(shè)備，因此驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖方式控制電磁超聲的收發(fā)過程。電磁超聲與壓電超聲相比，其缺點(diǎn)是接收回波幅值較小，因此需要高信噪比，高倍數(shù)的功率放大電路。單純依靠功率放大不能完全解決接收幅值小的問題，通過附加諧振電路使發(fā)送接收盡可能達(dá)到最大值。電磁超聲換能器磁鐵使用釹鐵硼永磁體，剩磁可達(dá)1.1 T，發(fā)射接收線圈采用PCB設(shè)計(jì)。電磁超聲裝置設(shè)計(jì)原理圖如圖8所示。

圖5 Lamb波工作原理

以哈工大軍用電器研究所的產(chǎn)品為例，厚度＞10 mm的板材，能檢出板中直徑1.2 mm的平底孔，達(dá)到GJB 1580A-2004對(duì)AA級(jí)鋁合金板材的檢測(cè)要求；對(duì)于厚度＜15 mm的鋁合金板材，能檢出板中1 mm的通孔和1/10厚度的槽，達(dá)到GJB 3384檢測(cè)要求；實(shí)現(xiàn)對(duì)5～150 mm鋁合金板材高精度測(cè)厚，精度0.01 mm。該系列產(chǎn)品具有檢測(cè)效率高、檢測(cè)成本低的特點(diǎn)，而且能夠顯著改善探傷工人的工作環(huán)境，避免耦合劑帶來(lái)的污染。電磁超聲設(shè)備圖如圖9。

圖6 SV波工作原理

圖7 激勵(lì)SH導(dǎo)波的曲折線圈型EMAT

圖8 電磁超聲裝置設(shè)計(jì)原理圖

五、結(jié)論

圖9 電磁超聲設(shè)備照片

（1）電磁超聲技術(shù)的特點(diǎn)和不同種類電磁超聲波的激發(fā)原理，對(duì)電磁超聲技術(shù)在核電廠的應(yīng)用進(jìn)行了分析和展望。與傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)相比，該技術(shù)具有檢測(cè)時(shí)無(wú)需耦合劑，無(wú)需與試件接觸，無(wú)需對(duì)試件表面預(yù)處理，能夠方便地產(chǎn)生多種類型超聲波等優(yōu)勢(shì)，適用于無(wú)接觸檢測(cè)、高溫檢測(cè)、高速在線檢測(cè)等場(chǎng)合。電磁超聲技術(shù)顯著提高了超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)精度、檢測(cè)效率、應(yīng)用范圍、環(huán)境適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性。

（2）電磁超聲裝置的工作原理，指出電磁超聲技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，電磁超聲裝置具有設(shè)備小巧，安裝方便，測(cè)量精度高，工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，非常適合核電廠等對(duì)穩(wěn)定性和測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)所。