基于電磁超聲的核電廠在役檢測技術的分析與展望

信鵬皓 楊連雯 白庭宇

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、引言

電磁超聲檢測技術起源于20世紀中期，20世紀80年代進入中國，目前國內技術領先的單位是哈爾濱工業大學軍用電器研究所，已有多項成熟產品投入應用。電磁超聲通過電磁超聲換能器發射電磁波后在金屬試件內部感應出的電磁力引發的金屬內部質點振動產生超聲波。由于電磁超聲的工作機理與其他超聲波的激發過程完全不同，使得電磁超聲技術擁有許多獨特的優勢，例如能夠檢測高溫試件，能夠脫離聲耦合劑，并且使用過程中無需對試件表面進行預處理，方便產生各種類型的超聲波等[1]。這些優點使得電磁超聲技術在核電廠無損檢測方面有著非常廣闊的應用前景。

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

（2）快速檢測長直薄壁管道內部缺陷（孔、裂紋等）核電廠一、二回路存在大量厚度＜10 mm的長直管道，如果依靠壓電超聲探傷需要逐點掃描以檢測缺陷，對于表面積較大的管道檢測時間較長。電磁超聲的導波技術能夠以線掃描的方式檢測管道缺陷，因此一根管道只需沿周長旋轉一圈便可以檢測出整個管道的所有缺陷。

（3）測量設備的應力變化 電磁超聲的傳播速度會隨著應力的變化而變化，因此通過測量電磁超聲的波速就可以測出材料的應力。核電廠因溫度產生的熱應力問題較多，如汽輪機因疏水倒流等引起的轉子應力變化，蒸汽發生器由于負荷變化產生的熱應力變化等都可以通過電磁超聲技術實時監測。

（4）快速檢測圓形設備表面缺陷 電磁超聲表面波可以沿圓形物體表面傳播，因此對于安裝位置較高，體積較大的圓形設備如除氧器、除氧器水箱、高壓疏水擴容器等，只需在設備最底部從一端移動到另一端就可以測出整個設備表面是否有缺陷，減少測量難度。

電磁超聲技術在國外已經廣泛應用于鋁型材檢測、火車輪對檢測、鋼軌檢測、殘余應力檢測以及厚度測量等領域。北京鋼鐵總院最先將電磁超聲技術引入中國，國內雖然起步較晚，但這一技術已經被越來越多的人認可和接受。目前電磁超聲技術的研究主要集中于換能機理的研究和電磁超聲裝置的設計。

二、電磁超聲工作機理

電磁超聲技術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、磁鐵和被測試件。電磁超聲換能器線圈主要用于發射和接收電磁波，根據激發超聲波類型的不同分為螺旋線圈和曲折線圈；磁鐵產生固定的偏置磁場為發射接收超聲波提供最佳工作點；被測試件分為磁性材料和非磁性材料，分別對應不同的超聲波激發原理。

電磁超聲工作機理包括洛倫茲力機理、磁致伸縮力機理和磁化力機理。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理；而在磁性材料中，由于磁致伸縮力遠遠大于其他兩種力，因此磁致伸縮力機理是產生電磁超聲波的主要原因。

1.洛倫茲力機理

洛倫茲力激發電磁超聲波的原理如圖1所示。發射過程中，電磁超聲線圈通有高頻大功率發射電流，根據法拉第電磁感應定律，電流會在試件內產生交變磁場，并在試件表面感生出渦流；渦流在磁鐵靜磁場和交變磁場共同作用下產生變化的洛侖茲力；洛侖茲力會引發試件表面質點的高頻振動，振動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為是發射的逆過程。

2.磁致伸縮力機理

磁致伸縮力激發電磁超聲波的原理如圖2所示。發射過程中，電磁超聲線圈中通有高頻大功率發射電流，根據法拉第電磁感應定律，電流會在試件內產生交變磁場。由于具有磁致伸縮效應的物質體積會隨著磁場的變化而變化，因此在發射電流感生的交變磁場作用下，試件表面會產生周期性的收縮和拉伸變化，從而產生高頻振動。這種振動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為是發射的逆過程。

圖1 洛倫茲力激發電磁超聲原理圖

圖2 磁致伸縮力激發電磁超聲波原理圖

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章的分布規律不同，鐵磁性材料放入外加磁場后，外磁場將對分子磁矩有轉矩作用，使得分子磁矩的排列變得比較有序，總磁矩不再為零（圖3），整塊物質便呈現磁性，根據安培矩形分子模型（圖4）推導磁性介質在電磁場中受到的力。

三、電磁超聲在核電廠中的應用展望

圖3 磁化電流原理圖

1.測量大型圓柱體表面缺陷

電磁超聲表面波可用來測量金屬表面缺陷，包括空洞、裂紋等。表面波沿金屬表面直線運動，在遇到缺陷和達到金屬邊緣時反射，因此通過檢測回波的數量就能夠判斷金屬表面是否具有缺陷，另外根據回波的幅值還能夠判斷缺陷的大小，這是傳統壓電超聲技術無法實現的，壓電超聲不能沿金屬表面沿直線傳播因此需要以點掃描的方式測量整個設備，而電磁超聲表面波技術能夠實現線掃描的工作方式，大大提高檢測效率，降低工人工作強度。

利用電磁超聲表面波能夠沿金屬表面傳播的特點，可以非常方便的測量大型圓柱體設備的表面缺陷。當大型圓柱體設備位置較高時例如除氧器，只需將表面波探測器沿圓柱體外表面沿軸線方向移動，就能夠檢測出整個設備表面的缺陷，可以大型設備或位置特殊設備的檢測，減小測量人員工作危險性，特高測量效率，這中測量方式同樣是壓電超聲技術無法實現的。

利用電磁超聲技術在線監測高溫設備。電磁超聲技術與傳統壓電超聲相比無需聲耦合劑（通常為黃油），這使得電磁超聲技術能夠應用于高溫設備在線檢測，能夠實時測量金屬內部的損傷，及時發現問題，不必等到設備斷裂或漏水后才進行處理，根據測量結果合理安排大修內容，減少不必要的停機停堆風險，保證電廠的經濟效益，減少對電網的沖擊。

利用Lamb波技術測量小型管道內容缺陷（圖5）。核電廠中有非常多的直徑＜50 mm管壁厚度＜10 mm的長直細管道，對于這種管道無論采用射線還是壓電超聲檢測都比較麻煩，但是電磁超聲導波技術能夠非常方便的解決這一問題，導波的一大優勢是測量薄金屬內部的缺陷，并且能夠沿直線傳播，在遇到缺陷和管道邊緣時會產生回波，通過檢測回波數量和回波產生的時間就能夠判斷缺陷的位置，降低測量難度，特別是在空洞中的細管道，電磁超聲導波技術更能體現出其優勢，因此導波技術在核電廠具有非常廣闊的應用前景。

利用電磁超聲SV波測量設備厚度變化（圖6）。電磁超聲SV波能夠測量設備厚度，測量精度可達0.01 mm，另外SV波同樣繼承電磁超聲無需聲耦合劑的優點，因此可以在線監測重要設備的厚度變化，特別是沖刷腐蝕比較嚴重的設備。目前核電廠的重要設備還沒有實現厚度實時測量，發現問題的方式通常為大修解體檢查或設備出現漏水等問題后的解體檢查，嚴重影響電廠穩定運行，如果沒有備品備件，還會影響經濟效益。因此利用SV波對重要設備實時監測厚度具有重要意義。

圖4 安培矩形分子模型

利用電磁超聲技術測量應力變化。電磁超聲波的波長隨應力變化而變化，核電廠很多高溫壓力容器運行時溫度變化較大，對應產生的應力變化也很大，采用電磁超聲能夠實時在線測量設備應力變化給操縱員提供詳細參數，目前昌江核電廠沒有應力檢測設備，為限制一回路熱應力過大，限制啟停溫度梯度不超過28℃/h，如果采用電磁超聲檢測設備就能夠可靠測量應力值，提供給運行人員提供參考，方便主控室參數控制，這對于一回路應力控制具有非常重要的意義。

利用SH導波測量金屬焊縫（圖7）。SH導波是水平偏振的橫波，僅有電磁超聲換能器能夠方便激發。主要用于較薄試件（≤20 mm厚）檢測，目前在管道SCC裂紋、焊接缺陷等得到了廣泛應用。核電目前廣泛采用射線技術探測焊縫，但是射線技術對工作人員的傷害較大，采用電磁超聲技術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

電磁超聲裝置設計包括換能器設計、控制電路設計、驅動電路設計、功率放大電路設計和諧振電路設計，換能器設計依據已經在第一部分中給出。由于電磁超聲的工作頻率較高，因此發射接收電路所需的主控芯片的工作頻率也較高，使用FPGA實現。電磁超聲的工作電流幅值較大可達100 A以上，采用長時間供電不僅耗能巨大且不易設計成便攜式設備，因此驅動電路采用脈沖方式控制電磁超聲的收發過程。電磁超聲與壓電超聲相比，其缺點是接收回波幅值較小，因此需要高信噪比，高倍數的功率放大電路。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送接收盡可能達到最大值。電磁超聲換能器磁鐵使用釹鐵硼永磁體，剩磁可達1.1 T，發射接收線圈采用PCB設計。電磁超聲裝置設計原理圖如圖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，達到GJB 1580A-2004對AA級鋁合金板材的檢測要求；對于厚度＜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，達到GJB 3384檢測要求；實現對5～150 mm鋁合金板材高精度測厚，精度0.01 mm。該系列產品具有檢測效率高、檢測成本低的特點，而且能夠顯著改善探傷工人的工作環境，避免耦合劑帶來的污染。電磁超聲設備圖如圖9。

圖6 SV波工作原理

圖7 激勵SH導波的曲折線圈型EMAT

圖8 電磁超聲裝置設計原理圖

五、結論

圖9 電磁超聲設備照片

（1）電磁超聲技術的特點和不同種類電磁超聲波的激發原理，對電磁超聲技術在核電廠的應用進行了分析和展望。與傳統的壓電超聲技術相比，該技術具有檢測時無需耦合劑，無需與試件接觸，無需對試件表面預處理，能夠方便地產生多種類型超聲波等優勢，適用于無接觸檢測、高溫檢測、高速在線檢測等場合。電磁超聲技術顯著提高了超聲無損檢測技術的檢測精度、檢測效率、應用范圍、環境適應性、經濟性及環保性。

（2）電磁超聲裝置的工作原理，指出電磁超聲技術的關鍵參數，電磁超聲裝置具有設備小巧，安裝方便，測量精度高，工作穩定等特點，非常適合核電廠等對穩定性和測量精度要求較高的場所。