核電站鐵磁性高加管漏磁檢測技術(shù)淺析

陳霞　祁攀　康宜華

【摘 要】該項(xiàng)目通過試驗(yàn)分析了該項(xiàng)檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)于小管徑鐵磁性管材缺陷檢測的必要性，通過數(shù)值模型仿真對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證性的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)得出所有缺陷在有、無支撐板情況下的檢出性，以期后續(xù)核電站高加管的檢驗(yàn)中采用漏磁檢測檢驗(yàn)技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】高加管；漏磁檢測；小管徑；鐵磁性；數(shù)值仿真

0 引言

部分核電站常規(guī)高壓加熱器的換熱管（高加管）采用鐵磁性管材，在運(yùn)行的過程中會(huì)受到點(diǎn)蝕、裂紋以及磨損等失效形式的影響[1]，給核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重的隱患。為防止安全事故的發(fā)生，保障電站的高效安全運(yùn)行，對(duì)高加管進(jìn)行定期無損檢測，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行預(yù)防性處理，可靠的檢驗(yàn)技術(shù)非常必要。核電站針對(duì)高加管的檢測方式主要采用水壓試驗(yàn)，也嘗試采用遠(yuǎn)場渦流的方法[2]。水壓試驗(yàn)法只適用于管道出現(xiàn)嚴(yán)重破損而達(dá)到泄漏的情況，是一種風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和評(píng)估的方法；從現(xiàn)場檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)反饋來看，遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)受其靈敏度、分辨力以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)等因素影響，檢驗(yàn)技術(shù)有其一定點(diǎn)的局限性。

鐵磁性高加管的制造主要采用鐵素體不銹鋼無縫鋼管（外徑<20mm），對(duì)于該類小直徑換熱管的在役檢測，受鐵素體不銹鋼的鐵磁性效應(yīng)及換熱管束結(jié)構(gòu)的影響，必須從管道內(nèi)部進(jìn)行檢測，傳統(tǒng)的渦流、超聲等檢測方法不能滿足檢驗(yàn)要求。因此，有必要進(jìn)一步開發(fā)新的檢測方法，本項(xiàng)目對(duì)漏磁檢測技術(shù)開展相應(yīng)討論，探討新的檢驗(yàn)技術(shù) [3-4]。

1 鐵磁性高加管樣管參數(shù)

本文使用的鐵磁性高加管材為SA803TP439，其規(guī)格為16mm（外管徑）×1.5mm（壁厚）。為了研究檢測的靈敏度和分辨力，設(shè)計(jì)以周向槽、軸向槽與點(diǎn)蝕為代表的樣管，人工傷分布如圖1所示，傷的具體參數(shù)如表1所示。

核電站對(duì)于管道檢測的關(guān)鍵在于傷深度的定量，基于已有探傷經(jīng)驗(yàn)，傷的深度分別設(shè)定為壁厚的20%、40%、60%和100%，長度均為8mm，寬度為0.2mm。

為了研究支撐板對(duì)檢測的影響，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)方法。由于軸向槽沿軸向的長度為8mm，因此需要考察裂紋與支撐中心的相對(duì)位置，如圖2所示，位置P1表示縱向槽的外邊緣位于支撐板邊緣、 位置P2表示其1/2在支撐板里面、位置P3表示其2/3在支撐板里面、位置P4表示其在支撐板內(nèi)但邊緣處于支撐板邊緣、位置P5表示其正中心與支撐板正中心重合。

如圖3所示，位置S1為周向槽的軸向中心以及平底孔的中心，S1與支撐板的邊緣重合，位置S2為槽軸向中心與平底孔中心，與支撐板中心重合。

為分析在不同位置處漏磁場大小，首先通過數(shù)值仿真，比較無支撐板和支撐板與缺陷處于不同相對(duì)位置時(shí)漏磁場大小，初步判斷可檢性，再通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 數(shù)值仿真

采用ANSYS進(jìn)行仿真分析，針對(duì)周向槽和點(diǎn)蝕缺陷，仿真分析其位于位置1和位置2時(shí)的漏磁場；而針對(duì)軸向槽，仿真分析其位于位置1至位置5這五個(gè)位置時(shí)的漏磁場。圖4給出了在無支撐板下平底孔的漏磁仿真結(jié)果，在無支撐板的情況下，K1-K4的漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.5Gs、2Gs、3Gs、8Gs，即在仿真設(shè)置的最優(yōu)條件下，磁感應(yīng)強(qiáng)度并不高。

全面仿真的最終結(jié)果如表2，得出以下結(jié)論：

1）在軸向磁化的情況下，對(duì)于周向槽，在無支撐板與位于S1處時(shí)的漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度相差較小，但當(dāng)位于S2處時(shí)，漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度急劇衰減，根據(jù)軸向磁化的特點(diǎn)，在支撐板內(nèi)無法形成磁場耦合回路，因此邊緣區(qū)域的漏磁場影響減小，但當(dāng)位于中心位置時(shí)，泄漏磁場部分會(huì)耦合進(jìn)支撐板，從而導(dǎo)致漏磁場的磁場強(qiáng)度衰減明顯。

2）在周向磁化的情況下，加入支撐板后，點(diǎn)蝕位于S1時(shí)，與無支撐板時(shí)的漏磁場相當(dāng)，而當(dāng)其位于S2時(shí)，漏磁場明顯下降；同樣是在此磁化條件下，軸向槽在位于P1位置和無支撐板條件下，缺陷漏磁場相差極大，在深度較小時(shí)，有一個(gè)量級(jí)的差距，而隨著槽的長度與支撐板重合的部分愈多，漏磁場衰減加劇。針對(duì)點(diǎn)蝕，無支撐板和S1位置時(shí)的缺陷漏磁場未發(fā)生明顯變化的原因是，在此位置，雖然磁化場受到了支撐板較大影響，但是泄漏磁場本身較弱，受到的干擾較小，而在S2位置時(shí)，磁化場完全位于支撐板的磁場耦合路徑，因此缺陷漏磁場會(huì)受到較大影響；而對(duì)于軸向槽，由于產(chǎn)生的漏磁場本身較強(qiáng)，因此在無支撐和P1位置時(shí)，磁化場的干擾會(huì)給漏磁場帶來較大的變化，因此兩位置的漏磁場差異明顯，而在P2位置，則與點(diǎn)蝕的原因相同。

3 試驗(yàn)研究

針對(duì)小管徑的漏磁內(nèi)檢測，磁化和磁敏傳感是關(guān)鍵。磁化分為周向、軸向和復(fù)合磁化[6]，采用周、軸向兩種磁化方式，如圖5所示。其中，軸向磁化為高磁能積的圓柱永久磁鐵，保證了磁化能力的最大化。

試驗(yàn)過程中為觀察缺陷信號(hào)采集的穩(wěn)定性，采取在同一缺陷處往復(fù)牽拉的方式進(jìn)行檢測，如圖6所示為K1-K4在無支撐板的條件下漏磁檢測信號(hào)。

以上采集的信號(hào)均為原始信號(hào)，對(duì)應(yīng)完成其他缺陷的實(shí)驗(yàn)研究，匯總得到表3，對(duì)所有缺陷在有、無支撐板情況下的檢出性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：

1）無支撐板時(shí)，傷深20%以上的軸向槽在自由段具有較好的信噪比和檢測靈敏度；

2）無支撐板時(shí)，傷深20%的周向槽和平底孔缺陷的信噪比較差；而傷深40%及以上的周向槽和平底孔的信噪比有較大提高，此時(shí)探頭檢測靈敏度較好；

3）由于各缺陷之間的中心距設(shè)計(jì)為40mm，而各信號(hào)之間沒有發(fā)現(xiàn)串?dāng)_的情況，因此在≥40mm的間距的情況下，探頭對(duì)缺陷具有較好的分辨力；

4）有支撐板時(shí)，針對(duì)于平底孔，無論是在邊緣位置，還是孔中心與支撐板軸線中心位置重合，任何深度的缺陷檢測信號(hào)的信噪比均很差；

5）有支撐板時(shí)，針對(duì)于20%-40%深的周向槽，缺陷位于支撐板的邊緣或缺陷中心位于支撐板正中，此時(shí)，檢測信號(hào)的信噪比較差，難以達(dá)到對(duì)缺陷的檢測；而探頭針對(duì)≥40%傷深的缺陷，檢測信號(hào)的信噪比有明顯改善，缺陷可以被檢出；

6）有支撐板時(shí)，針對(duì)軸向槽，在缺陷與支撐板沒有任何重合時(shí)或缺陷在完全貫通的情況下，探頭才對(duì)不同傷深的缺陷具備檢出能力，而在其它的情況下，無法檢出。

4 總結(jié)

通過對(duì)核電站小管徑鐵磁性高加管漏磁檢測技術(shù)的初步試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，漏磁檢測技術(shù)對(duì)于位于自由段的周向槽、軸向槽和點(diǎn)蝕具有良好的檢出性，但對(duì)位于支撐板處的不同類型缺陷呈現(xiàn)出不同的檢出特性。支撐板對(duì)于點(diǎn)蝕與軸向槽的檢出能力影響較大，只要此類缺陷與支撐板有位置信號(hào)重合，則很難被檢出；對(duì)于周向槽，當(dāng)缺陷位于支撐板邊緣時(shí)，具有一定的檢出性，今后將如何減小或降低支撐板信號(hào)對(duì)漏磁信號(hào)的影響繼續(xù)開展工作，達(dá)到應(yīng)用的目的。

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[責(zé)任編輯：曹明明]