消防水管道內壁腐蝕超聲導波檢測應用

李偉光 孔全興 楊宏歡

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

消防系統作為核電廠的重要輔助系統，對核電廠的安全運行起著非常重要的作用，同時還擔負著保證核電廠運維人員安全疏散的功能，消防系統異常情況下可能直接威脅核安全。廠房內消防管道通常采用內外鍍鋅管道，外壁采用涂層進行防護，內壁無額外的防護措施。隨著核電站機組運行年限的增長，消防水管道腐蝕問題日益嚴重，由腐蝕引起的管道內壁結瘤、堵塞、穿孔泄露等問題成為目前困擾電站的重要問題[1]。

核電廠廠房內消防管道通常都是架空布置，因消防系統需要長期運行，管道內部腐蝕缺陷無法停機檢查，常規壁厚檢測如超聲波測厚等方式只能采用逐點檢測的方式，檢測效率低，且需要大量的輔助工作，很難檢出腐蝕缺陷位置。超聲導波技術具有長距離在線檢測的技術優勢，可以實現管道100%檢測[2]。本次檢測先采用英國Wavemaker G4超聲導波檢測系統對管道進行腐蝕篩查，對疑似缺陷位置采用超聲波測厚儀進行壁厚檢測驗證。

1 超聲導波技術簡介

超聲導波檢測技術（Ultrasonic Guided Wave）與傳統檢測方法相比具有突出的優點，超聲導波具有一次性檢測范圍大的優點，即可以一次性實現對整根管道的檢測100%檢測，而傳統無損檢測技術只能實現局部單點檢測。另外，由于超聲導波沿著管道傳播，而不是透過， 聲場遍及整個壁厚， 因此整個壁厚都可以被檢測到，這就意味著既可以檢測管道的內部缺陷也可以檢測管道的表面缺陷。

超聲導波檢測時，在管道的一端激勵頻率小于100kHz的低頻超聲波，當管道橫截面發生改變時，導波會向傳感器發射一個反射信號，通過分析該反射信號即可探知管道的內外部缺陷位置和腐蝕狀況，同時檢測中引入了C掃描技術，使腐蝕缺陷檢測技術更為完善[3]。

2 管道超聲導波檢測原理

超聲導波是一種沿著介質結構長度傳播，并被介質幾何邊界導向約束的彈性機械波。其主要沿管道軸向傳播，受聲波頻率和材料厚度影響，當管道截面積發生減薄或增厚時，導波信號會發生反射、散射等現象，而會有一定比例的能量波被反射回傳感器，對不連續性的檢測機理就是通過反射回波來發現和判斷缺陷的大小的。通過分析缺陷產生的附加波型轉換信號等回波信息，可以識別出金屬缺損和管道外形的特征。

當遇到管道特征時（如環焊縫、金屬損失處），如果這些特征在管道軸向是對稱的，反射波的波峰均勻地反射回來產生對稱的反射信號，顯示為黑色曲線；如果這些特征是不對稱的，如局部存在腐蝕等，由于入射聲波的反射發生了模式轉換，在產生對稱信號的同時還會產生不對稱的信號，顯示為紅色曲線。具體如圖1所示。數據分析時，根據某特征處黑色與紅色信號強度比例，以及在不同頻率、帶寬、聲波信號的特點，就可以分析出該特征的性質、嚴重程度等信息。

3 核電廠消防管道檢測

本次檢測采用Wavemaker G4超聲導波檢測儀，傳感器采用對夾式和充氣式傳感器探頭環，并借助WavemakerPro軟件對超聲導波檢測儀采集的數據進行分析，探頭環示意圖如圖2所示。采用奧林巴斯超聲測厚儀45MG對疑似缺陷位置進行測厚驗證。

消防管道為架空布置管道，高空位置超聲導波檢測采用吊籃和腳手架作業，對檢測出異常信號點進行驗證。超聲導波檢測管線及驗證結果如表1所示。

4 分析及討論

（1）移動式消防設備連接管線

移動式消防設備連接管線外觀未發現明顯異常，檢測結果顯示如圖3所示，距離探頭環-3.61m位置發現異常信號，并采用超聲測厚確認，該區域存在局部減薄；

（2）消防水泵小流量管線

消防水泵小流量管線外觀未發現異常，檢測結果顯示如圖4所示，距離探頭環正方向0.93m位置發現異常信號，并采用超聲確認，該區域存在局部減薄；

（3）消防水泵出口管線

消防水泵出口管線外觀未發現異常，檢測結果顯示如圖5所示，未發現異常信號。

表1 消防管線檢測及壁厚驗證結果

通過消防管檢測結果看，超聲導波技術主要檢測管道橫截面積改變量，在管道外觀狀態可以目視檢查的情況下，通過檢測結果A型圖異常信號可以判斷管道內壁局部腐蝕情況。另外，根據工程經驗，內部管道狀態良好管道信號衰減速率為0.5DB/m，本次檢測的管道衰減速率基本在2.1DB/m，也可說明管道內部發生了均勻腐蝕。另外，通過管道超聲導波篩查，找出異常腐蝕點，對該部位定期跟蹤，推算出壁厚減薄速率，為后續的運行和剩余壽命評估提供支持。

5 結論及建議

根據檢測結果，得出以下結論。

（1）超聲導波無損檢測方法，能夠實現消防系統運行情況下，通過異常信號和衰減速率兩個方面對消防管道腐蝕缺陷進行快速篩查；

（2）采用超聲導波檢測技術對管道內部疑似缺陷進行定位是可行的，需要輔以超聲相控陣和超聲波測厚技術進行實際壁厚驗證；超聲導波檢測數據分析復雜，對檢測人員技能要求比較高。

根據消防管道的內壁腐蝕原理、鍍鋅層保護以及超聲導波檢測結果，給出如下建議。

①核電廠消防管結構復雜，要充分結合管道布置和走向，制定合理的超聲導波檢測方案。檢測盲區使用輔助的檢測手段或探頭環更換位置重新采集數據；

②核電廠廠房內架空消防管通常采用鍍鋅管，根據消防管運行結果跟蹤，內部鍍鋅層通常5～8年消耗完畢[4]，消防管運行5年左右時間對消防管道進行超聲導波檢測，找出管道腐蝕缺陷點和壁厚減薄點，對這些位置進行定期測量壁厚或長期監測[5]，跟蹤壁厚腐蝕減薄趨勢，根據腐蝕趨勢提早制定消防管合理的運維和延壽計劃。