核電站乏燃料水池不銹鋼覆板焊縫交流磁場檢測技術初步研究

中核核電運行管理有限公司 張 挺 高 飛 中核武漢核電運行技術股份有限公司 祁 攀

不銹鋼覆板亦稱不銹蓋覆面，廣泛應用于核電站各種高放射性水池、高放射性工具存放間、核燃料轉運通道的建造施工，如核反應堆水池、核反應堆換料水池；核燃料廠房及核燃料轉運艙、乏燃料水池（乏池）、容器裝載井和容器準備井、廠房內的集水坑等。這些設備都是以不銹鋼覆面作為核燃料、乏燃料及高放射性工具運輸和存放的場所，作為隔離和阻擋放射性物質的一道重要屏障，其建造及運行質量對保障核安全意義重大。不銹鋼覆面水池一旦泄漏失效，存在放射性物質泄漏的核安全風險。

國內幾乎每個核電站役前水壓試驗或運行期間都出現過不銹鋼覆面泄漏失效的問題或事故，而國外核電不銹鋼覆面維修技術研究報告及泄漏的有關報道也屢見不鮮。如1997年國內某核電廠乏池開始出現泄漏跡象，隨著運行時間的加長漏點越來越多，2003年該核電廠組織對整個乏池焊縫進行徹底檢查（VT/PT/LT），共發現1275個缺陷。2011年國內某核電擴建工程轉運通道裝水試驗時發現泄漏跡象，耗時數月才找到泄漏位置。2013年國內某核電廠1號機組實施換料水池密封環焊縫整體更換修復耗時10余天。同樣的問題在美國的佐治亞電廠哈奇1號機組、巴基斯坦的恰希瑪核電廠，以及瑞典和日本某些電廠的鋼覆面問題報告中也多次提到。目前國內外不銹鋼覆面的水池失效分析表明：泄漏的原因大部分直接或間接地與設備建造期的原始缺陷、特別是焊接原始缺陷有關聯，是不銹鋼覆面焊縫泄漏失效的敏感高發部位。

1 交流磁場檢測技術發展現狀及原理

交流磁場檢測ACFM（Alternating Current Field Measurement）是一種無損檢測方法，英國倫敦大學最先提出這種檢測方法。之后英國TSC公司研發出ACFM相關檢測設備，并將此項技術運用到了石油產業平臺上，對其管道實施了ACFM檢測[1]。隨后業界開始認識到ACFM的優點和此項技術的發展潛力，都開始投入到相關技術研究中來。ACFM技術發展初期僅開發出能用于普通平板對接焊縫的檢測探頭，隨著技術研究的深入及現場檢測的需求增加，對多功能探頭的研究提出了需求，為增大一次的掃描面積就要開發出用陣列傳感器制作的探頭，且對于各種不規則工件的檢測也需制作多種類型的特殊形狀探頭來滿足工程現場的檢測需要。隨著計算機硬件速度和軟件處理能力大幅度提高，目前已把計算機技術的發展成果應用到擾動磁場檢測技術中，已由最初的手動檢測、人工保存評估發展到自動檢測掃描、對結果進行計算機智能判定和評估階段[2]。

ACFM技術具有許多傳統檢測方法沒有的優點，如可做到不接觸檢測對象來實施檢測、檢測前無需使用標準試塊標定、對缺陷定性的同時也可進行定量的分析、操作簡單、對被檢測對象的表面屬性不高。與射線檢測方法相比檢測時間短、效果直觀，對人體零傷害。與超聲檢測相比省去了工件表面涂耦合劑的步驟，且無需接觸工件就可測量。與渦流檢測相比允許有一定的提離而不影響檢測精度。與液體滲透檢測方法相比不需去清理工件表面。

由于ACFM檢測方法優點眾多，不僅可運用在石油化工行業，也可運用在其他行業的無損檢測中，如鋼鐵企業、核工業、鐵路運輸業、航運航空業等。國內外船級社標準已將ACFM列入海洋石油平臺的管道和設備定期檢測推薦方法，另外核電行業針對燃料儲罐和常規島的架空和埋地管道的檢查也有常規的應用[3]。

ACFM技術是通過激勵探頭在工件表面感應出均勻的交變電流，當被測工件中沒有缺陷或遠離缺陷時，工件表面的感應磁場顯示出均勻的特點；若存在缺陷時，因空氣與工件電阻率存在差異，感應電流則會在工件缺陷兩邊與底部繞過引起表面電磁場的擾動，檢測探頭通過采集缺陷上方電磁場的畸變信息并進行分析處理得到被檢缺陷的尺寸信息，達到定量分析的目的。

在ACFM技術中工件表面的感應磁場磁通密度有三個分量可被測量，X分量記為BX，與電流的方向垂直，與工件表面保持平行；Y分量記為BY，與電流的方向一樣；Z分量記為BZ，與工件表面保持垂直關系。當工件中缺陷的長度方向與電流方向垂直時，X分量的方向與缺陷長度方向保持平行。當工件表面不存在缺陷時，感應電流會均勻分布，此時Y和Z分量BY和BZ的值為零，磁場在X軸方向分布均勻且與電流方向垂直。當電流經過存在缺陷的工件表面時，電流會向缺陷兩端和底面偏轉，致使流經缺陷面的電流強度變小，缺陷越深的位置電流線變得越稀疏，其感應磁場磁通密度值也越小；另外因電流會在缺陷兩端產生聚集，勢必使得缺陷兩個端點處的磁通密度值處于極大值。當探頭沿著缺陷表面掃描時BX軸方向會出現一個寬凹陷區，BY和BZ方向會出現高幅值的波峰與波谷。由于BY的數量級較小，因此在不需特殊處理的情況下，探頭僅需測量BX和BZ兩個方向的分量即可判定缺陷是否存在[4]。

2 檢測對象

2.1 乏池不銹鋼覆面建造工藝

不銹鋼覆面采用手工鎢極氬弧焊將不銹鋼面板對接焊在預埋于混凝土上的不銹鋼襯墊型鋼或鋼結構框架上。焊縫的結構主要有對接和T型角焊縫兩種，其中對接焊縫占絕大部分。乏池焊縫是采用帶導流槽的不銹鋼覆面結構（圖1）。

圖1 帶導流槽結構的不銹鋼覆面結構圖

牌號為Z2CN18-10（304L-0Cr19Ni10）的奧氏體不銹鋼作為鋼覆面，其具備良好的加工性能和耐腐蝕特性，同時具備良好的材料力學性能、高溫力學性能佳、焊接性能好、強度合適等優點，是不銹鋼覆面的首選材料，通常不銹鋼覆面板厚度為3～6mm。經調研通常乏池池底覆板厚度6mm、池壁覆板厚度4mm。無論是池底或者池壁的覆板均要求焊接于6mm的襯板之上。乏池焊縫采用手工氬弧焊的多道焊接，焊絲通常采用E316L、V型坡口，經過調研統計發現焊縫的寬度在9～11mm之間，焊縫的余高在0.7mm～1.1mm之間。

2.2 焊縫區域缺陷

薄板焊縫往往存在一些特殊問題：應力腐蝕。不銹鋼覆面焊縫發生應力腐蝕開裂往往是突發性的。影響不銹鋼焊縫產生應力腐蝕開裂的影響因素很多：材料的組織、成分、熱處理狀態、焊接接頭的結構形式、外界的震動、水介質污染、溫度變化等。在實際服役過程中，影響最大的是混凝土結構中的氯化物和氟化物的污染；晶間腐蝕。是奧氏體不銹鋼最主要的腐蝕問題之一，其一旦發生，在應力的作用下即會沿晶界斷裂，強度幾乎消失，材料性能嚴重下降；熱裂紋。奧氏體不銹鋼的熱裂紋是在焊接過程中焊縫液態金屬凝固過程中產生的，主要是結晶裂紋。

2.3 試驗樣塊的制作

結合乏池覆板的建造工藝和缺陷失效形式設計了試塊（圖2），本文中制作的試塊沒有完全涵蓋所有類型的焊縫、只針對平面對接焊縫，由于有池底和池壁兩種厚度的覆板，因此制作了兩種規格的焊縫試塊：兩種規格的A焊縫試塊均為通孔Φ0.5mm，焊縫中心；B焊縫試塊均為通孔Φ0.5mm，焊縫邊緣；D焊縫試塊均為表面開口豎向焊縫（垂直焊縫），焊縫邊緣，6mm(長)×0.13mm（寬）×0.5mm(深)；焊縫試塊均為表面開口豎向焊縫（平行焊縫），焊縫邊緣，6mm(長)×0.13mm（寬）×0.5mm(深)。

圖2 乏池對接焊縫試塊的加工圖

其中，FC-D-01-Q的C焊縫試塊為表面開口豎向焊縫（垂直焊縫），焊縫中心，6mm (長)×0.13mm（寬）×0.5mm(深)。E焊縫試塊為表面開口橫向焊縫（平行焊縫），焊縫中心，6mm(長)×0.13mm（寬）×0.5mm(深)；FC-D-02-Q的C焊縫試塊為表面開口豎向焊縫（垂直焊縫），焊縫邊緣，6mm(長)×0.13mm（寬）×0.5mm(深)。表面開口豎向焊縫（平行焊縫），焊縫中心，6mm(長)×0.13mm（寬）×0.5mm(深)。

3 乏池焊縫的檢測技術

本測試采用的ACFM樣機系統包括信號發生器、功率放大器、檢測探頭、采集卡、PC、三軸臺架和試件。主要實驗參數如下：4kHz激勵頻率，臺架掃描速度為40mm/s。

3.1 檢測探頭

檢測探頭是整個測試系統的核心（圖3），主要包括外殼蓋、外殼、激勵線圈、激勵磁芯、放大電路板和激勵傳感器。該檢測探頭并排三個錳鋅鐵氧體U型磁芯置于外殼中央，在并排的三個U型磁芯上分別均勻繞有激勵線圈，激勵線圈通激勵的正弦信號，磁芯用來聚磁，檢測傳感器用來拾取磁場強度信號，該檢測探頭采用高靈敏度的隧道磁阻（TMR）磁場傳感器，三陣列傳感器并排放置于磁芯正下方，中間的三軸檢測傳感器位于焊縫正上方，兩側的檢測傳感器位于焊縫左右兩側正上方。傳感器總寬度達到30mm，能檢測焊縫左右各10mm范圍的缺陷。能對焊縫區和焊縫熱影響區進行全覆蓋提取磁場信號。

圖3 探頭結構圖

3.2 試驗數據分析

池壁覆板對接焊縫試驗數據：將三陣列U型探頭固定夾持在臺架上，控制臺架運動方向對池壁平面對接焊縫進行測試，途經六個缺陷。圖4（a）顯示的是FC-D-01-Q平面對接焊縫缺陷BxBz信號圖，標注中間磁場傳感器測試的結果，從圖中可顯示6個缺陷的Bz信號，但Bx信號很難識別。圖4（b）顯示缺陷判定圖，圖中標注中間磁場傳感器測試Bz梯度信號圖，從圖中可看出在未出現缺陷位置的信號其變化幅度較為緩慢，顯示的信號梯度接近于0，當裂紋出現時特征信號會產生擾動，該擾動經過梯度后放大，得到6個較高信噪比的信號。

圖4 FC-D-01-Q平面對接焊縫

池底覆板對接焊縫試驗數據：對池底平面對接焊縫進行測試，途經六個缺陷。圖5（a）顯示的是焊縫缺陷BxBz信號圖，標注中間磁場傳感器測試的結果，從圖中看出仍只顯示6個缺陷的Bz信號，而Bx信號很難識別。圖5（b）顯示缺陷判定圖，標注為中間磁場傳感器測試Bz梯度信號圖，從圖中基本可以分辨缺陷。

圖5 FC-D-02-Q平面對接焊縫

缺陷判定分析：由于Bz特征信號對提離不敏感，焊縫表面缺陷的實施判定主要以特征信號Bz為主。由于在裂紋兩端Bz信號會出現方向相反的峰值，致使信號幅值會產生較大的變化率，信號呈現較大梯度，對信號求微分方法可獲取信號中微小波動量，焊縫表面凹凸不平引起的波動為不規則信號，微分呈現雜亂信號，可通過濾波等方式祛除，保留裂紋引起的峰值畸變信號。如圖6所示，對特征信號Bz求微分并放大100倍得到微分信號。可看出特征信號Bz在未出現裂紋時的微小噪聲波動經過微分后呈現出來，但Bz由于峰值翻轉呈現出極大值遠遠大于噪聲引起的擾動。因此對于焊縫表面微小裂紋適合采用微分方法求取畸變率。

圖6 Bz求微分信號

檢測結果分析：三個TMR傳感器能夠完全覆蓋焊縫區域，從BxBz信號圖可看出，對于兩種規格的覆板焊縫的六個缺陷均能有信號顯示，表明能夠檢測焊縫邊緣和焊縫中心的Φ0.5mm的通孔以及焊縫邊緣和焊縫中心長度6mm、寬度0.13mm和深度0.5mm表面開口人工橫槽和豎槽；對于池壁（薄覆板）焊縫的BxBz缺陷信號較池底（厚覆板）焊縫的BxBz缺陷信號有較高的信噪比，這個可能與焊接焊縫質量、缺陷的制作情況或檢查時探頭掃查穩定性有關，需深入分析；通過對Bz信號的求微分，對于表面缺陷的檢測靈敏度有一定提高，若需要準確判定還需原始信號和求微分后的信號對比分析，若通過單一的微分信號可能會造成一定的誤判；現階段所有檢出信號和處理信號的分析，皆是基于信號的幅值。

綜上，本文只針對平面對接焊縫的開展了初步試驗，后續將在以下方面進行深入研究：需通過試塊的檢測來優化探頭的設計；增加乏池不同焊縫類型檢測試塊的試驗研究，以探尋在各種類型試塊下的缺陷極限檢測靈敏度；需探尋研究多特征量缺陷檢出、定性和定量分析，優化算法設計；需結合現場的實際工況進行檢測方法現場實施條件下的測試，考慮電磁兼容對信號的影響及相應整改。