電磁導(dǎo)波檢測在核電廠JPP 管道腐蝕減薄測量中的應(yīng)用

張雪輝

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連 116000）

在工業(yè)系統(tǒng)中，管道由于沖刷、腐蝕的原因，不可避免的會發(fā)生減薄。目前核電廠常用的對設(shè)備或管道腐蝕減薄檢查技術(shù)有超聲波測厚儀測厚、超聲波探傷儀測厚、相控陣測厚、射線照相法檢驗(yàn)壁厚腐蝕等，上述方法都有一定的適用范圍及局限性，如手動超聲測厚儀測厚為離散的點(diǎn)，且測厚前需要拆保溫、打磨測厚點(diǎn)等，需要花費(fèi)大量的人力、工期；超聲波探傷儀測厚可以發(fā)現(xiàn)由于腐蝕或缺陷存在導(dǎo)致的減薄，但需要操作人員具備豐富的材料、缺陷判別經(jīng)驗(yàn)；相控陣測厚具有精度高等優(yōu)點(diǎn)，但檢測速度慢，適用于局部減薄部位測厚；射線檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)局部管壁減薄，但射線作業(yè)引入放射源為高風(fēng)險(xiǎn)工作，容易發(fā)生重大輻射安全風(fēng)險(xiǎn)。

考慮到核電廠管道具有的典型特性：位置高（如泵殼，上下近15M，需要搭制大量的腳手架）、表面涂層（為防止空氣中氯離子腐蝕）、小管徑（≤1 英寸）、環(huán)境復(fù)雜、支承結(jié)構(gòu)件多的特點(diǎn)，上述常規(guī)的測厚方法已無法適應(yīng)新的需求，亟需引入新的檢測技術(shù)。經(jīng)過對目前新的檢測技術(shù)的調(diào)研，初步確定引入電磁超聲導(dǎo)波法用于JPP 管道腐蝕減薄檢測。

1 電磁超聲導(dǎo)波檢測原理

1.1 電磁超聲換能器原理

電磁超聲是近幾十年來發(fā)展起來的技術(shù)，研究人員主要針對電磁超聲原理、激勵(lì)機(jī)制、聲學(xué)特性的方面開展了大量研究。電磁超聲換能器主要由高頻線圈、外加磁場、試件本身組成，產(chǎn)生電磁超聲主要有兩種效應(yīng)，洛倫茲力效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)，見圖1。高頻線圈通以高頻激勵(lì)電流時(shí)就會在試件表面形成感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流在外加磁場的作用下會受到洛侖茲力的作用產(chǎn)生電磁超聲；同樣，強(qiáng)大的脈沖電流會向外輻射一個(gè)脈沖磁場，脈沖磁場和外加磁場的復(fù)合作用會產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮力的作用也會產(chǎn)生不同波形的電磁超聲。對于非鐵磁性材料，僅需考慮洛倫茲力作用；對于鐵磁性材料，洛侖茲力和磁致伸縮力兩種效應(yīng)具體是那種起主要作用是由外加磁場的大小，激勵(lì)電流的頻率決定。這樣產(chǎn)生的超聲波形成的回波在檢測探頭上由和激勵(lì)效應(yīng)互為相反的逆過程的作用原理進(jìn)行接收。

圖1 電磁超聲系統(tǒng)

1.2 導(dǎo)波檢測原理

導(dǎo)波是一種以超聲或聲頻率在波導(dǎo)中平行于邊界傳播的彈性波。與傳統(tǒng)超聲檢測的恒定波速相比，導(dǎo)波檢測中波速會隨著波的頻率和工件幾何尺寸的變化而變化。導(dǎo)波在管子中傳播的距離有幾厘米到數(shù)十米遠(yuǎn)，針對不同的檢測需求有多重檢測方式可以選擇。

導(dǎo)波是由于聲波在介質(zhì)中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射，并進(jìn)一步經(jīng)過復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的。導(dǎo)波在不同形狀的介質(zhì)中傳播會形成不同形態(tài)的波形。導(dǎo)波在平板中傳播時(shí)，可形成平板SH 導(dǎo)波或平板Lamb 波，平板Lamb 波有對稱型（S）及非對稱型（A）導(dǎo)波；導(dǎo)波在管道周向傳播時(shí)，可形成周向SH 導(dǎo)波或周向Lamb 波，周向Lamb 波不存在平板Lamb 波的對稱和反對稱模式區(qū)別，隨著管徑內(nèi)外徑之比逐漸增大，管道周向?qū)Рl散曲線逐漸接近平板導(dǎo)波情況；導(dǎo)波在管道中軸向傳播時(shí)，形成的是縱向模態(tài)（L 模式）、扭轉(zhuǎn)模態(tài)（T 模式）和彎曲模態(tài)(F 模式)的導(dǎo)波。導(dǎo)波聲場可在管道整個(gè)壁厚里傳播，因此可以實(shí)現(xiàn)對管道的100%檢測。通常把在管道中傳播的超聲導(dǎo)波主要分為兩個(gè)類型，即沿軸向傳播的柱面導(dǎo)波和沿周向傳播的周向?qū)Рā?/p>

1.3 超聲導(dǎo)波頻散特性

超聲導(dǎo)波在板、管等有界介質(zhì)部件中傳播時(shí)，會出現(xiàn)導(dǎo)波特有的頻散特性，即導(dǎo)波傳播的速度不僅由構(gòu)成波導(dǎo)的材料決定，還與波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)；波速一般是頻率的函數(shù)，同時(shí)存在多條模式曲線，相速度頻散曲線記錄了穩(wěn)態(tài)導(dǎo)波的傳播速度與頻率的關(guān)系，而群速度頻散曲線則描述了一段“脈沖串”的傳播速度，實(shí)際檢測時(shí)，需要選擇非頻散或低頻散的模態(tài)進(jìn)行檢測。

2 核電JPP 管道腐蝕減薄檢測

在選用電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)進(jìn)行壁厚腐蝕減薄檢測時(shí)，需要根據(jù)被檢對象的特點(diǎn)及檢驗(yàn)需求，采用合理的檢測技術(shù)。管道軸向超聲導(dǎo)波由于其能檢測較遠(yuǎn)距離的缺陷，在市場上應(yīng)用廣泛。

2.1 軸向電磁超聲導(dǎo)波檢測

某核電廠2 號機(jī)組在首次實(shí)JPP 管道腐蝕檢測時(shí)，采用軸向電磁超聲導(dǎo)波檢測。檢驗(yàn)采用了英國GUL 超聲導(dǎo)波管道檢測系統(tǒng)Wavemaker G4，其具有快速、全面檢測管道的性能，見圖2、圖3。

圖2 Wavemaker G4

圖3 導(dǎo)波探頭環(huán)

從頻散曲線可以得到，扭轉(zhuǎn)模態(tài)T(0,1)傳播速度恒定，不對頻率變化而變化，及不存在頻散現(xiàn)象，有利于缺陷檢測和定位，故檢驗(yàn)采用了T（0,1）模式。部分無缺陷處檢驗(yàn)結(jié)果見表1、圖4。

表1 某核電廠2 號機(jī)組部分JPP 檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖4 某核電廠2 號機(jī)組部分JPP 檢驗(yàn)T（0,1）模態(tài)導(dǎo)波信號

2.2 周向電磁超聲導(dǎo)波

軸向低頻導(dǎo)波可完成較長距離的檢測，但是經(jīng)過對2 號機(jī)組現(xiàn)場檢測情況，發(fā)現(xiàn)對于核電JPP 系統(tǒng)管道腐蝕減薄，檢驗(yàn)范圍不同于長距離的石油輸油管線等應(yīng)用場合，核電現(xiàn)場管線的布置復(fù)雜，管線走向曲折且均為數(shù)米不等，采用周向電磁導(dǎo)波檢測更合適。周向電磁導(dǎo)波其聲波沿著管道周向傳播，傳播路徑較短，故而可以采用較高的頻率以期獲得較高靈敏度，一般選用衰減模式。衰減式檢測對小而深的腐蝕缺陷較為敏感。檢測時(shí)，只需沿著管道軸向移動探頭即可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)管道的檢測，檢測效率很高。

選用儀器為美國INNERSPEC 公司的電磁超聲儀，檢驗(yàn)范圍為工件圓周，使用的探頭型號為MRUT-A 探頭。通過對現(xiàn)場的試驗(yàn)樣管進(jìn)行了模擬檢測，改變導(dǎo)波激發(fā)線圈、頻率等參數(shù)，測試了多個(gè)導(dǎo)波模態(tài)，最終確定低階A0 模態(tài)，噪聲信號較低，通過衰減模式周向?qū)Р芸煽繖z出的較光滑腐蝕坑的尺寸最小可達(dá)25mm×10%壁厚，與JPP 管道常見的管瘤腐蝕尺寸相近。超聲導(dǎo)波檢驗(yàn)前，要求受檢部件表面無保溫、油污等，被檢管道檢測區(qū)域確認(rèn)。應(yīng)該在搭置腳手架前拍下所有被檢管道的圖片，由管道自下而上標(biāo)記編號，其中M 代表墻面、S 代表支撐、F 代表法蘭及W 代表焊縫。檢測過程中，每個(gè)區(qū)域都需采集。

根據(jù)不同的管道尺寸、壁厚選擇適用的參數(shù)，φ219 和φ273 管道的線圈、配置文件及調(diào)節(jié)模塊分別為“640”、“640cd”及“PE-012-LF”,φ114 管道的線圈、配置文件及調(diào)節(jié)模塊分別為“640”、“640cd2”及“PE-008”。以小于150mm/s 的速度沿著管道軸向掃查，當(dāng)波高變化量大于30%時(shí)，對此時(shí)探頭所在位置的整個(gè)管道周向進(jìn)行相控陣復(fù)核。

對現(xiàn)場三種不同管徑的JPP 管道進(jìn)行高頻電磁周向?qū)Р⊕卟?，選取7 處導(dǎo)波信號衰減超過30%的部位進(jìn)行超聲相控陣復(fù)核，結(jié)果見表2。

表2 導(dǎo)波衰減信號超30%相控陣復(fù)核結(jié)果

對現(xiàn)場檢測中信號衰減超過30%的區(qū)域進(jìn)行相控陣周向掃查或超聲波測厚儀檢查，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域有腐蝕減薄, 見圖5（a）、（b）；也有部分區(qū)域相控陣掃查未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的減薄?？梢钥闯?，對于管道壁厚腐蝕減薄的檢查，電磁周向?qū)Рz測出超標(biāo)信號后，需要用相控陣對信號區(qū)域進(jìn)行精確復(fù)核，同時(shí)針對不同管道，其腐蝕缺陷也存在差異，需仔細(xì)識別；此外，電磁導(dǎo)波衰減方式測的管道減薄主要是針對壁厚整圈截面的損失，對針狀的腐蝕不敏感。

圖5（a）a1 處導(dǎo)波信號衰減圖

圖5（b）a1 處相控陣復(fù)核圖

在檢測過程中，需要注意以下問題：（1）電磁周向?qū)Рz測過程中，應(yīng)控制探頭移動速度，防止因探頭移動太快而無法接受到腐蝕減薄信號。（2）對周向大面積輕微腐蝕和局部嚴(yán)重腐蝕，回波信號基本一樣，無法有效分辨，需要采用其他適用的檢測方法來驗(yàn)證。（3）導(dǎo)波探頭與管道耦合情況會影響回波信號，當(dāng)探頭與管道緊密貼合時(shí)，回波信號較強(qiáng)；當(dāng)探頭與管道存在一定空隙時(shí)，回波較弱。由于電磁導(dǎo)波探頭安裝在機(jī)械小車上，對機(jī)械精度要求較高。（4）對于管道彎頭，小車的移動會導(dǎo)致探頭與管道始終無法緊密貼合，信號波動較大。（5）應(yīng)制作對比試塊對掃查靈敏度進(jìn)行設(shè)置，現(xiàn)場檢測時(shí)也可用管道本身進(jìn)行靈敏度設(shè)置。對于衰減式檢測，可用管道本身進(jìn)行靈敏度設(shè)置，即在一段管道上進(jìn)行軸向掃查，回波信號穩(wěn)定時(shí)，將幅值調(diào)節(jié)為滿屏的80%～90%作為基準(zhǔn)靈敏度。檢測時(shí)當(dāng)信號的衰減超過一定程度，記錄該信號的位置。（6）衰減式導(dǎo)波檢測未有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際檢測記錄標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)現(xiàn)場情況給以確定，一般以基準(zhǔn)靈敏度降低30%作為記錄閾值。

3 結(jié)論

本文對電磁超聲導(dǎo)波在核電JPP 系統(tǒng)管道腐蝕減薄測量應(yīng)用進(jìn)行了介紹，該方法可以發(fā)現(xiàn)管道壁厚腐蝕減薄，但仍存在一定的不足，減薄區(qū)域需要用相控陣或手動超聲測厚進(jìn)行復(fù)核，且對于點(diǎn)狀腐蝕敏感不夠；目前確定的30%基準(zhǔn)靈敏度偏于保守，需要在今后做更多試驗(yàn)研究，確定合理的靈敏度。此外，對于除了RSE-M 法規(guī)要求的VVP 和GCT 的彎頭測厚，近年來新增的經(jīng)驗(yàn)反饋對測厚需求量也越來越多，對于電磁導(dǎo)波測厚的技術(shù)要求也越來越高，后續(xù)需要繼續(xù)完善檢驗(yàn)的工藝，提高缺陷的檢驗(yàn)精度。