不銹鋼覆面焊縫脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)研究

楊帆　唐彬　白利兵　蔣申華

【摘 要】不銹鋼覆面廣泛應(yīng)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(zhuǎn)運(yùn)通道，是隔離和阻擋放射性的第一道重要屏障。國內(nèi)外核電站不銹鋼覆面泄漏失效時(shí)有發(fā)生，查漏修復(fù)技術(shù)難度高，代價(jià)高昂。眾多案例表明泄漏事故大多直接或間接與建造期間焊接原始缺陷相關(guān)。受鋼覆面結(jié)構(gòu)限制和滲透、目視、真空罩氣泡法等常規(guī)無損檢測方法本身的局限，大量焊縫內(nèi)部缺陷無法有效檢出，成為覆面泄漏失效的敏感部位。本文介紹了開展不銹鋼覆面焊縫脈沖渦流檢測技術(shù)研究的相關(guān)工作，研究表明該技術(shù)具有缺陷直觀可測，干擾因素小，檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)，解決了不銹鋼覆面焊縫內(nèi)部缺陷無法有效檢出的問題，可用于建安階段不銹鋼覆面焊縫的焊接質(zhì)量控制。

【關(guān)鍵詞】核電站；不銹鋼覆面；脈沖渦流熱成像技術(shù)；無損檢測、

0 前言

不銹鋼覆面廣泛應(yīng)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(zhuǎn)運(yùn)通道，例如反應(yīng)堆堆腔水池、反應(yīng)堆換料水池、乏燃料水池、核燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙、容器裝載井、容器準(zhǔn)備井、RPE系統(tǒng)集水坑等，是隔離和阻擋放射性的第一道重要屏障。水池一旦泄漏，放射性物質(zhì)泄漏引發(fā)的核安全風(fēng)險(xiǎn)巨大；鋼覆面泄漏定位檢測技術(shù)及水下焊接技術(shù)尚不成熟，水池修復(fù)代價(jià)極高。據(jù)統(tǒng)計(jì)幾乎國內(nèi)每個(gè)核電廠在不同階段都發(fā)生過水池泄露的問題或事故，例如秦山一期、二期核電廠水池泄漏[1-2]，嶺澳核電站1號機(jī)組乏燃料貯存水池在投入運(yùn)行前夕出現(xiàn)泄漏，同樣的問題在美國的佐治亞電廠哈奇1號機(jī)組、巴基斯坦的恰希瑪核電廠以及日本某些電廠的鋼覆面泄漏失效問題報(bào)告中也多次提到[3-4]。眾多水池失效案例表明泄漏事故大多直接或間接與建造期間焊接原始缺陷相關(guān)，因此在建安階段加強(qiáng)對焊縫焊接缺陷的控制對保證鋼覆面運(yùn)行質(zhì)量意義重大。

不銹鋼覆面施工采用手工鎢極氬弧焊工藝將3～6mm厚度的不銹鋼薄板焊接在混凝土側(cè)的埋件上，焊接組裝而成。受不銹鋼覆面結(jié)構(gòu)的限制，大量對接焊縫只能進(jìn)行滲透、目視、真空罩氣泡法檢測。受檢測方法的限制，焊縫內(nèi)部缺陷無法有效檢出，成為覆面泄漏失效的敏感部位。如何有效檢測出不銹鋼薄板對接焊縫的內(nèi)部缺陷成為保證鋼覆面建造質(zhì)量的關(guān)鍵。下面將介紹基于脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)開展不銹鋼覆面焊縫無損檢測技術(shù)的相關(guān)研究，包括技術(shù)原理，仿真模擬，系統(tǒng)構(gòu)建，試樣測試，結(jié)論等。

1 檢測原理

脈沖渦流熱成像技術(shù)（Eddy Current Pulsed Thermography， ECPT）是一種新型紅外熱成像無損檢測技術(shù)，其原理是基于電磁學(xué)中的渦流現(xiàn)象與焦耳熱現(xiàn)象，運(yùn)用高速高分辨率紅外熱像儀，獲取導(dǎo)電試件在渦流激勵(lì)下由焦耳熱產(chǎn)生的溫度場分布，并通過對紅外熱圖像序列的分析處理來檢測結(jié)構(gòu)缺陷及材料電磁熱特性變化。由于具有不受提離及邊緣效應(yīng)影響，檢測結(jié)果為圖像，直觀易懂，單次檢測面積大，效率高檢測時(shí)無需接觸被測件表面，可利用渦流效應(yīng)檢測表面及近表面缺陷，利用熱效應(yīng)檢測更深層缺陷等優(yōu)勢，該方法一經(jīng)提出，便被作為復(fù)雜構(gòu)件缺陷的一種潛在的可視化綠色無污染無損檢測手段，受到了廣泛關(guān)注，目前已被成功應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料、發(fā)動機(jī)葉片、鐵軌等無損檢測。

脈沖渦流熱成像檢測過程主要涉及以下物理過程，

①脈沖電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流；

②渦流受到表面和近表面缺陷的擾動分布發(fā)生變化，并通過焦耳熱在金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生熱量；

③熱量在導(dǎo)體中由高到低傳遞，其傳遞過程同樣受到缺陷的影響；

④熱成像儀采集熱量分布的變化過程，并揭示缺陷的存在。

2 仿真模擬

采用COMSOL Multiphysics軟件以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，可評估檢測技術(shù)的可行性，優(yōu)化檢測工藝。在脈沖渦流熱成像仿真模擬中涉及如下物理公式（1），（2）。

感應(yīng)電流：

σ—電導(dǎo)率，μ—磁導(dǎo)率，ρ—密度，CP—比熱容，K—導(dǎo)熱率。

2.1 不同深度矩形槽脈沖渦流熱成像仿真

熱成像儀可以連續(xù)動態(tài)的采集試件溫度場分布變化的圖像，將圖像缺陷點(diǎn)與參考點(diǎn)的溫度變化信息采集出來，進(jìn)行對比可以用于判斷是否存在缺陷。此外，在同條件激勵(lì)熱源下若能將同尺寸不同深度的缺陷的溫度變化信息采集出來矩形對比分析，則可能對缺陷深度位置進(jìn)行評估。模擬仿真主要模擬缺陷點(diǎn)與參考點(diǎn)的溫度場信息，以及同尺寸不同深度缺陷的溫度變化信息。

2.2 仿真分析及結(jié)論

從圖1可以直觀看出由于缺陷的存在，感應(yīng)電流繞過缺陷流動，感應(yīng)電流密度在缺陷邊界出現(xiàn)了變化，導(dǎo)致溫度分布發(fā)生變化，通過熱成像技術(shù)獲取的溫度分布圖可以用于判斷缺陷的形狀和測量缺陷尺寸。從圖2可以看出不同深度的缺陷缺陷點(diǎn)與參考點(diǎn)溫度變化缺陷存在差異該差異可用與評估缺陷的深度。從仿真結(jié)果來看，脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)用于鋼覆面焊縫無損檢測是可行的。

3 檢測系統(tǒng)構(gòu)建

在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建了鋼覆面焊縫脈沖渦流熱成像檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖3，系統(tǒng)實(shí)物圖見圖4，各部件主要功能如下：①紅外熱成像儀采集渦流熱成像數(shù)據(jù)；②高頻波電感應(yīng)加熱器產(chǎn)生高頻激勵(lì)電流；③脈沖計(jì)數(shù)時(shí)間控制器精確控制加熱時(shí)間；④變壓器連接渦流探頭，調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓；⑤渦流探頭激發(fā)渦流場；⑥水泵控制水循環(huán)防止渦流探頭溫度過高；⑦熱成像圖像二次分析軟件解決了焊縫表面氧化色干擾，將視頻信號實(shí)現(xiàn)自動快速缺陷信息識別分析，實(shí)現(xiàn)缺陷尺寸及深度評估等功能。

4 試樣測試

試樣測試主要分對比試樣測試和模擬試樣測試。對比試樣通過人工加工的方式焊縫背面加工了不同深度，不同尺寸的矩形槽，用于測試檢測工藝的檢測靈敏度及穩(wěn)定性，校核檢驗(yàn)系統(tǒng)。模擬試樣是帶各種原始焊接缺陷的焊縫試樣，缺陷的類型、尺寸、位置均通過射線檢測確定，用于驗(yàn)證檢測工藝的可行性及準(zhǔn)確性。

4.1 對比試樣測試

在兩件對比試樣上加工了8個(gè)人工矩形槽，加工尺寸及對應(yīng)的測試結(jié)果見表1，典型的矩形槽人工傷脈沖渦流熱成像圖見圖5。

4.2 模擬試樣測試

模擬試樣共制作了16件。經(jīng)過射線檢測確認(rèn)，缺陷類型包括氣孔、裂紋、未熔合、未焊透等缺陷。在模擬試樣上進(jìn)行測試，除了小于0.8的氣孔未能發(fā)現(xiàn)以外，其他較大氣孔、裂紋、未熔合、未焊透等缺陷均能有效發(fā)現(xiàn)，典型氣孔缺陷檢測圖見圖6，裂紋缺陷見圖7，未熔合缺陷見圖8。

5 結(jié)論

通過對不銹鋼焊縫脈沖渦流熱成像物理過程仿真模擬，溫度場圖像能有效顯示焊縫內(nèi)部缺陷，溫度場溫度曲線的變化可用于評估缺陷深度，論證了該技術(shù)的可行性。搭建了不銹鋼覆面焊縫脈沖渦流檢測系統(tǒng)，在對比試樣測試及模擬試樣上進(jìn)行了測試，測試表明該檢測能有效發(fā)現(xiàn)焊縫背面的人工矩形槽以及焊縫內(nèi)部各種焊接缺陷。脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)解決了核電站不銹鋼覆面焊縫內(nèi)部缺陷無法有效檢出的問題，該檢測工藝可以用于建安階段不銹鋼覆面焊縫焊接質(zhì)量控制。

此外脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)與傳統(tǒng)的渦流檢測方法相比，具有不受提離及邊緣效應(yīng)影響，實(shí)現(xiàn)了缺陷圖像化，直觀易懂，檢測結(jié)果受個(gè)人因影響較小，檢測可靠性進(jìn)一步提高，缺陷的大小和深度可以量化測量，缺陷信息更加全面等優(yōu)勢。本研究成果可推廣用于金屬材料內(nèi)部缺陷，如裂紋、腐蝕、分層等缺陷的檢測，具有較好的應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]