乏燃料水池覆面的焊縫的檢測方法初步研究

陳姝 祁攀 馮美名 廖述圣

【摘 要】作為乏燃料水池的第一屏障的鋼包層，覆面板一般使用厚度在3～6mm的不同長寬尺寸的304L不銹鋼，并通過使用氬弧將其焊拼接而成在一起，這些鋼包層覆面板一面直接與硼酸水接觸聯系。，另一面與混凝土接觸，鋼包層與和混泥土接觸的一側間的由于環境濕度使得磷酸鹽、氯化物等離子因不同機理從混凝土中溢出從而腐蝕焊接區域被腐蝕的焊縫區域混泥土中-因不同機理而溢出。而部分焊縫區域的腐蝕是穿透性的，這就勢必導致硼酸水在穿透位置滲漏從而加速裂紋的擴張。部分腐蝕了的瑕疵可能會穿透，這會導致硼酸水在穿透位置泄露從而使裂縫擴張。基于上述情形，結合電廠實際需求，必須發展有效的水下無損檢測方法對焊縫區域實施周期性的檢查和監測。焊縫區域方法。由于單一的方法可能導致覆板未打磨焊縫區域的缺陷漏檢，本文采用了交流電場測量法本文通過帶有人工缺陷的試塊來測試交流磁場（ACFM）和渦流陣列兩種方法的極限靈敏度和分辨率。法（ECAM），據此測試標定管人工缺陷敏感程度和分辨率，使其檢測能力滿足工程需求。研究發現，該方法可有效檢出直徑0.5mm通孔和2mm長、0.3mm寬的缺陷。

【關鍵詞】乏燃料水;存儲池;焊縫檢測;渦流陣列方法;交流電場測量交流磁場檢測

中圖分類號： TL24;TG441.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0144-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.061

A Study on the Detection Technology of the Cladding Weld of Spent Fuel Storage Pools

CHEN Shu QI Pan FENG Mei-ming LIAO Shu-sheng ZHANG Zhi-yi

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation，LTD，Wuhan Hubei 430223，China）

【Abstract】As the first barrier of the spent fuel storage pool， the steel claddings using different sizes of 304L stainless steel with 3～6mm thickness plate argon arc welded together， which is directly contacted with boric acid water. Environmental humidity between the back of steel cladding and concrete， makes phosphate， chloride ion overflowed from the concrete that corroded on the weld zone with different mechanism. Part of the corrosion defects can penetrate leaded to leakage of boric acid water in penetration position， which accelerates the crack to be propagated. In view of the above situation and combined with the actual needs of the power plant， it is necessary to develop effective underwater nondestructive testing means of the weld area for periodic inspection and monitoring. A single method may lead to the missing of defects detection due to weld reinforcement unpolished. In this paper， alternating current field measurement （ACFM） and eddy current array method （ECAM） are adopted to test the limit sensitivity and resolution through by the specimens with artificial defects which make their detection abilities close to satisfy engineering requirements. The preliminary study found that Φ0.5mm through-wall hole and with 2mm length and 0.3mm width through-wall crack in the weld can be inspected well.

【Key words】Spent fuel;Storage pool;Weld detection;Eddy current array method;Alternating current field measurement

0 引言

乏燃料水池的表面長期處在硼酸和乏燃料的環境中乏燃料水池覆板一側長期處在硼酸和乏燃料的環境中[1]，它的后面通過膨脹螺栓直接聯系著潮濕的混泥土墻另一側通過膨脹螺栓固定在導流槽上，而導流槽固定在混凝土上，如圖1所示為核電站乏池局部圖。這種狀況將會導致鋼包層的焊縫處產生缺陷。根據經驗反饋，壓力腐蝕破裂和氯化物離子點狀腐蝕是最普通的缺陷類型。核電站乏燃料水池作為研究對象，其規格通常是底盤其覆面板的規格為底板6mm厚、邊盤側板為4mm厚的304L不銹鋼。

由于覆面板的拼接的位置和結構的差異性，會產生許多不同類型的焊縫，現有的焊縫類型有平對接型主要有平面對接型、平面T型和折板L對接型等，疊盤L型板，如圖2所示。這些焊縫在乏池運行過程中，受到腐蝕而產生滲漏的幾率很大。為滿足不同類型焊縫檢測，采用不同的方法實現最終檢測靈敏度和分辨率要求。

本文使用了交流磁場檢測法電場測量法[2] （ACFM）和渦流陣列方法（ECAM）進行聯合檢測，比較了它們的優缺點，并且通過例子確定了兩類方法的檢測靈敏度。

1 研究目標

前面一章已經提到焊縫有許多不同類型，。因為是進行檢測方法的對比研究，本文只選擇平面對接型焊縫這種類型的焊縫試塊來研究檢測靈敏度。所做缺陷具有平底孔所加工缺陷有平底孔和人工裂紋，分別位于焊縫的中心和焊縫熔合線。位于中心位置的縱向裂紋和焊縫熔合線。這里有兩種缺陷類型的試塊，這里有兩類樣本，母材厚度均為其厚度約4mm，焊縫寬度為10mm左右。

1.1 通孔缺陷樣本通透性缺陷試塊

分布在試塊樣本焊縫區中間的焊縫缺陷分為裂縫縱向裂紋和通孔孔洞。焊縫樣本如圖焊縫試塊如圖3，第41、第42和第43號標識的是矩形縱向裂紋裂縫，方向與焊縫方向一致，尺寸長度分別為6mm、3mm和2mm。第44、第45和第46號標識的是孔洞號標識的是通孔，其直徑分別為1mm、0.5mm和0.3mm。

1.2 隱藏的缺陷樣本埋深缺陷試塊

缺陷是埋深的縱向裂紋隱藏的裂縫，它們分布在焊縫中心和焊縫融合線位置邊緣，如圖4所示。第61、第62和第63號標識的裂縫位于焊縫邊緣號標識的裂紋位于焊縫邊緣，第64、第65和第66號標識的裂紋裂縫位于焊縫中間。

2 研究方法

本文對不同位置和不同類型的缺陷運用ACFM方法[3-4]和渦流陣列方法進行比較性研究。

2.1 交流電場測量法交流磁場檢測法（ACFM）

圖5是ACFM的實現方法。鑒于該方法的特征，橫向裂縫磁場擾動幅度遠遠大于縱向裂縫的磁場擾動幅度橫向裂縫磁場擾動幅度遠遠小于縱向裂縫的磁場擾動幅度，所以檢測靈敏度的研究僅對后者進行。缺陷以30mm/s的速度通過PLC驅動的裝有ACFM探頭平臺進行線掃。通過激勵線圈加載的正弦信號的幅度是5V、頻率是5kHz。

2.2 渦流陣列法（ECAM）

如圖6所示的渦流柔性陣列探頭常常被用來進行人工手動檢測[5]，探頭沿長度方向放置，垂直于焊縫長度寬度方向，這樣覆蓋了焊縫寬度區域，并且焊縫兩側各20mm10mm的內熱量影響該區域[6]。

3 研究結果

3.1 樣本1通透試塊的測試

圖7顯示的是第41號缺陷的交流擾動磁場磁感應強度的Z軸分量。顯而易見有比較明顯的峰谷值，顯見有效地峰槽信號。這種情況下，一個簡單的缺陷特征信號可以運用梯度方法獲得[7-8]。

3.2 樣本2埋深型缺陷試塊的測試

4 討論

（1）從圖8和圖9可以看到，對于淺平底的孔洞來說對于通孔來說，ACFM和ECAM根據孔洞直徑的尺寸不一致呈現不同的檢測靈敏度，的敏感度不很高。直徑大于或等于1mm的通孔孔洞敏感度應該更高檢測靈敏度跟高，而直徑不到而直徑小于等于0.5mm的孔洞則缺乏敏感性的孔洞靈敏度欠佳。

（2）從圖8可以看到，通透型裂紋裂縫擾動磁場的磁流磁場強度密度的梯度值比孔洞通孔的大得多。主要原因是孔洞的磁場擾動一致性大于裂縫的主要是通孔的橫向面積小，對于磁場的擾動區間有限，從而導致產生的擾動的磁場弱，從而導致磁場強度低。

（3）正如圖8和圖9所顯示的，兩種方法提供了長度大于兩種方法對于長度大于2mm的穿透裂紋更高的敏感度的穿透型縱向裂紋均具有較高的檢測靈敏度。

（4）從圖11可以看到，ACFM對由位于焊縫中心和邊緣的第61～66號裂紋縫的Bz梯度信號具有一定的檢測敏感度梯度信號具有一定的檢測靈敏度。然而，由于焊縫表面的不平，出現較大的紋波，這些紋波在求梯度后，將會產生很多的偽信號，從而導致紋將會導致對較差的真實缺陷的分辨和較差的定性分析。

（5）從圖12看出，ECAM可以很低頻率檢測一定深度的缺陷可以在較低頻率下檢測一定深度的缺陷。對樣本2埋深缺陷試塊來說，位于焊縫中心的不同埋深的第64、65、66號全部可以被檢測出來，而焊縫邊緣的只有埋深為0.5mm的第63號能夠清楚地被檢測出來，另兩個缺陷則沒有被檢測到。導致出現這種結果的主要原因應該是熔合線位置的不平整導致了在不同位置的貼合不一樣，提離導致了其檢測靈敏度下降，同時由于材料的不連續，也是檢測靈敏度下降的一個原因。檢測靈敏度不僅受到焊縫不平表面的影響而且受到焊接邊緣影響。

（6）從圖11和圖12比較分析可知，ECAM方法比ACFM方法提供了更高信噪比信號方法具有更高的缺陷檢出信噪比。然而并且，ACFM時域信號只能提供關于缺陷的一維信息，但ECAM的C掃可以提供足夠多的缺陷信息。然而，ACFM可以找到全部6個缺陷（存在誤判的可能），而ECAM只能找到其中4個，這表明了材料不一致和焊縫表面不平對ACFM方法影響弱于ECAM方法。

5 結語

通過運用上面的ACFM和ECAM方法對厚度為4mm的剛包層覆蓋板的焊縫檢測可以看到的覆板焊縫的檢測可以看到，兩種方法各有優缺點。對于給定尺寸的通透縱向裂縫和淺平底孔洞來說對于給定尺寸的通透縱向裂紋和通孔，兩種方法具有相似的檢測靈敏度，ECAM具有更高的信噪比。對于埋深隱埋缺陷試塊樣本，ACFM可以檢出全部的缺陷，可以找到給定缺陷的全體，而ECAM只能檢出找到部分。

本文沒有考慮橫向裂紋，這將作為今后主要研究內容之一。

【參考文獻】

[1]核電站乏燃料存儲設備的金屬結構圖表（私人通信）.

[2]M.Smith and C.Laenen，Insight，Vol.40 Num.1（2007），pp.17-20.

[3]Wei Li and Y.Zhang，Developing and testing of a novel portable ACFM intelligent instrument，40th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation（AIP Conference Proceedings 1581），2014，pp.651–654.

[4]W.Li，G.Chen，W.Li，Z.Li and F.Liu.NDT&E International. 2011，Vol.44（3），pp.324-328.

[5]Eddyfi Surface ECA Probe Catalog，April，2017.

[6]ASME Boiler and Pressure Vessel Code， 2004.

[7]R.K.Amineh，M.Ravan，S.H.H. Sadeghi and R.Moini： IEEE Transactions on Magnetics.Vol.44 Num.8（2008），pp.2066-2073.

[8]W. Li and G.M. Chen： Journal of System Simulation. Vol. 21 Num. 20 （2009）， pp. 6344-6346 （In Chinese）.