電磁導波檢測在核電廠JPP 管道腐蝕減薄測量中的應用

張雪輝

（遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧大連 116000）

在工業系統中，管道由于沖刷、腐蝕的原因，不可避免的會發生減薄。目前核電廠常用的對設備或管道腐蝕減薄檢查技術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，且測厚前需要拆保溫、打磨測厚點等，需要花費大量的人力、工期；超聲波探傷儀測厚可以發現由于腐蝕或缺陷存在導致的減薄，但需要操作人員具備豐富的材料、缺陷判別經驗；相控陣測厚具有精度高等優點，但檢測速度慢，適用于局部減薄部位測厚；射線檢驗可以發現局部管壁減薄，但射線作業引入放射源為高風險工作，容易發生重大輻射安全風險。

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）、環境復雜、支承結構件多的特點，上述常規的測厚方法已無法適應新的需求，亟需引入新的檢測技術。經過對目前新的檢測技術的調研，初步確定引入電磁超聲導波法用于JPP 管道腐蝕減薄檢測。

1 電磁超聲導波檢測原理

1.1 電磁超聲換能器原理

電磁超聲是近幾十年來發展起來的技術，研究人員主要針對電磁超聲原理、激勵機制、聲學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，產生電磁超聲主要有兩種效應，洛倫茲力效應和磁致伸縮效應，見圖1。高頻線圈通以高頻激勵電流時就會在試件表面形成感應渦流，感應渦流在外加磁場的作用下會受到洛侖茲力的作用產生電磁超聲；同樣，強大的脈沖電流會向外輻射一個脈沖磁場，脈沖磁場和外加磁場的復合作用會產生磁致伸縮效應，磁致伸縮力的作用也會產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具體是那種起主要作用是由外加磁場的大小，激勵電流的頻率決定。這樣產生的超聲波形成的回波在檢測探頭上由和激勵效應互為相反的逆過程的作用原理進行接收。

圖1 電磁超聲系統

1.2 導波檢測原理

導波是一種以超聲或聲頻率在波導中平行于邊界傳播的彈性波。與傳統超聲檢測的恒定波速相比，導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。導波在管子中傳播的距離有幾厘米到數十米遠，針對不同的檢測需求有多重檢測方式可以選擇。

導波是由于聲波在介質中的不連續交界面間產生多次往復反射，并進一步經過復雜的干涉和幾何彌散而形成的。導波在不同形狀的介質中傳播會形成不同形態的波形。導波在平板中傳播時，可形成平板SH 導波或平板Lamb 波，平板Lamb 波有對稱型（S）及非對稱型（A）導波；導波在管道周向傳播時，可形成周向SH 導波或周向Lamb 波，周向Lamb 波不存在平板Lamb 波的對稱和反對稱模式區別，隨著管徑內外徑之比逐漸增大，管道周向導波頻散曲線逐漸接近平板導波情況；導波在管道中軸向傳播時，形成的是縱向模態（L 模式）、扭轉模態（T 模式）和彎曲模態(F 模式)的導波。導波聲場可在管道整個壁厚里傳播，因此可以實現對管道的100%檢測。通常把在管道中傳播的超聲導波主要分為兩個類型，即沿軸向傳播的柱面導波和沿周向傳播的周向導波。

1.3 超聲導波頻散特性

超聲導波在板、管等有界介質部件中傳播時，會出現導波特有的頻散特性，即導波傳播的速度不僅由構成波導的材料決定，還與波導的幾何結構有關；波速一般是頻率的函數，同時存在多條模式曲線，相速度頻散曲線記錄了穩態導波的傳播速度與頻率的關系，而群速度頻散曲線則描述了一段“脈沖串”的傳播速度，實際檢測時，需要選擇非頻散或低頻散的模態進行檢測。

2 核電JPP 管道腐蝕減薄檢測

在選用電磁超聲導波技術進行壁厚腐蝕減薄檢測時，需要根據被檢對象的特點及檢驗需求，采用合理的檢測技術。管道軸向超聲導波由于其能檢測較遠距離的缺陷，在市場上應用廣泛。

2.1 軸向電磁超聲導波檢測

某核電廠2 號機組在首次實JPP 管道腐蝕檢測時，采用軸向電磁超聲導波檢測。檢驗采用了英國GUL 超聲導波管道檢測系統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 導波探頭環

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

表1 某核電廠2 號機組部分JPP 檢驗結果數據表

圖4 某核電廠2 號機組部分JPP 檢驗T（0,1）模態導波信號

2.2 周向電磁超聲導波

軸向低頻導波可完成較長距離的檢測，但是經過對2 號機組現場檢測情況，發現對于核電JPP 系統管道腐蝕減薄，檢驗范圍不同于長距離的石油輸油管線等應用場合，核電現場管線的布置復雜，管線走向曲折且均為數米不等，采用周向電磁導波檢測更合適。周向電磁導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，只需沿著管道軸向移動探頭即可實現對整個管道的檢測，檢測效率很高。

選用儀器為美國INNERSPEC 公司的電磁超聲儀，檢驗范圍為工件圓周，使用的探頭型號為MRUT-A 探頭。通過對現場的試驗樣管進行了模擬檢測，改變導波激發線圈、頻率等參數，測試了多個導波模態，最終確定低階A0 模態，噪聲信號較低，通過衰減模式周向導波能可靠檢出的較光滑腐蝕坑的尺寸最小可達25mm×10%壁厚，與JPP 管道常見的管瘤腐蝕尺寸相近。超聲導波檢驗前，要求受檢部件表面無保溫、油污等，被檢管道檢測區域確認。應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，每個區域都需采集。

根據不同的管道尺寸、壁厚選擇適用的參數，φ219 和φ273 管道的線圈、配置文件及調節模塊分別為“640”、“640cd”及“PE-012-LF”,φ114 管道的線圈、配置文件及調節模塊分別為“640”、“640cd2”及“PE-008”。以小于150mm/s 的速度沿著管道軸向掃查，當波高變化量大于30%時，對此時探頭所在位置的整個管道周向進行相控陣復核。

對現場三種不同管徑的JPP 管道進行高頻電磁周向導波掃查，選取7 處導波信號衰減超過30%的部位進行超聲相控陣復核，結果見表2。

表2 導波衰減信號超30%相控陣復核結果

對現場檢測中信號衰減超過30%的區域進行相控陣周向掃查或超聲波測厚儀檢查，發現部分區域有腐蝕減薄, 見圖5（a）、（b）；也有部分區域相控陣掃查未發現嚴重的減薄。可以看出，對于管道壁厚腐蝕減薄的檢查，電磁周向導波檢測出超標信號后，需要用相控陣對信號區域進行精確復核，同時針對不同管道，其腐蝕缺陷也存在差異，需仔細識別；此外，電磁導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 處導波信號衰減圖

圖5（b）a1 處相控陣復核圖

在檢測過程中，需要注意以下問題：（1）電磁周向導波檢測過程中，應控制探頭移動速度，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證。（3）導波探頭與管道耦合情況會影響回波信號，當探頭與管道緊密貼合時，回波信號較強；當探頭與管道存在一定空隙時，回波較弱。由于電磁導波探頭安裝在機械小車上，對機械精度要求較高。（4）對于管道彎頭，小車的移動會導致探頭與管道始終無法緊密貼合，信號波動較大。（5）應制作對比試塊對掃查靈敏度進行設置，現場檢測時也可用管道本身進行靈敏度設置。對于衰減式檢測，可用管道本身進行靈敏度設置，即在一段管道上進行軸向掃查，回波信號穩定時，將幅值調節為滿屏的80%～90%作為基準靈敏度。檢測時當信號的衰減超過一定程度，記錄該信號的位置。（6）衰減式導波檢測未有相關標準，實際檢測記錄標準可根據現場情況給以確定，一般以基準靈敏度降低30%作為記錄閾值。

3 結論

本文對電磁超聲導波在核電JPP 系統管道腐蝕減薄測量應用進行了介紹，該方法可以發現管道壁厚腐蝕減薄，但仍存在一定的不足，減薄區域需要用相控陣或手動超聲測厚進行復核，且對于點狀腐蝕敏感不夠；目前確定的30%基準靈敏度偏于保守，需要在今后做更多試驗研究，確定合理的靈敏度。此外，對于除了RSE-M 法規要求的VVP 和GCT 的彎頭測厚，近年來新增的經驗反饋對測厚需求量也越來越多，對于電磁導波測厚的技術要求也越來越高，后續需要繼續完善檢驗的工藝，提高缺陷的檢驗精度。