中核核電運(yùn)行管理有限公司 張 挺 高 飛 中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 祁 攀

不銹鋼覆板亦稱不銹蓋覆面，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)通道的建造施工，如核反應(yīng)堆水池、核反應(yīng)堆換料水池；核燃料廠房及核燃料轉(zhuǎn)運(yùn)艙、乏燃料水池（乏池）、容器裝載井和容器準(zhǔn)備井、廠房?jī)?nèi)的集水坑等。這些設(shè)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(yùn)輸和存放的場(chǎng)所，作為隔離和阻擋放射性物質(zhì)的一道重要屏障，其建造及運(yùn)行質(zhì)量對(duì)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(zhì)泄漏的核安全風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)幾乎每個(gè)核電站役前水壓試驗(yàn)或運(yùn)行期間都出現(xiàn)過(guò)不銹鋼覆面泄漏失效的問(wèn)題或事故，而國(guó)外核電不銹鋼覆面維修技術(shù)研究報(bào)告及泄漏的有關(guān)報(bào)道也屢見不鮮。如1997年國(guó)內(nèi)某核電廠乏池開始出現(xiàn)泄漏跡象，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)漏點(diǎn)越來(lái)越多，2003年該核電廠組織對(duì)整個(gè)乏池焊縫進(jìn)行徹底檢查（VT/PT/LT），共發(fā)現(xiàn)1275個(gè)缺陷。2011年國(guó)內(nèi)某核電擴(kuò)建工程轉(zhuǎn)運(yùn)通道裝水試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏跡象，耗時(shí)數(shù)月才找到泄漏位置。2013年國(guó)內(nèi)某核電廠1號(hào)機(jī)組實(shí)施換料水池密封環(huán)焊縫整體更換修復(fù)耗時(shí)10余天。同樣的問(wèn)題在美國(guó)的佐治亞電廠哈奇1號(hào)機(jī)組、巴基斯坦的恰?，敽穗姀S，以及瑞典和日本某些電廠的鋼覆面問(wèn)題報(bào)告中也多次提到。目前國(guó)內(nèi)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(shè)備建造期的原始缺陷、特別是焊接原始缺陷有關(guān)聯(lián)，是不銹鋼覆面焊縫泄漏失效的敏感高發(fā)部位。

1 交流磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及原理

交流磁場(chǎng)檢測(cè)ACFM（Alternating Current Field Measurement）是一種無(wú)損檢測(cè)方法，英國(guó)倫敦大學(xué)最先提出這種檢測(cè)方法。之后英國(guó)TSC公司研發(fā)出ACFM相關(guān)檢測(cè)設(shè)備，并將此項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到了石油產(chǎn)業(yè)平臺(tái)上，對(duì)其管道實(shí)施了ACFM檢測(cè)[1]。隨后業(yè)界開始認(rèn)識(shí)到ACFM的優(yōu)點(diǎn)和此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Γ奸_始投入到相關(guān)技術(shù)研究中來(lái)。ACFM技術(shù)發(fā)展初期僅開發(fā)出能用于普通平板對(duì)接焊縫的檢測(cè)探頭，隨著技術(shù)研究的深入及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需求增加，對(duì)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(fā)出用陣列傳感器制作的探頭，且對(duì)于各種不規(guī)則工件的檢測(cè)也需制作多種類型的特殊形狀探頭來(lái)滿足工程現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需要。隨著計(jì)算機(jī)硬件速度和軟件處理能力大幅度提高，目前已把計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展成果應(yīng)用到擾動(dòng)磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)中，已由最初的手動(dòng)檢測(cè)、人工保存評(píng)估發(fā)展到自動(dòng)檢測(cè)掃描、對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算機(jī)智能判定和評(píng)估階段[2]。

ACFM技術(shù)具有許多傳統(tǒng)檢測(cè)方法沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，如可做到不接觸檢測(cè)對(duì)象來(lái)實(shí)施檢測(cè)、檢測(cè)前無(wú)需使用標(biāo)準(zhǔn)試塊標(biāo)定、對(duì)缺陷定性的同時(shí)也可進(jìn)行定量的分析、操作簡(jiǎn)單、對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的表面屬性不高。與射線檢測(cè)方法相比檢測(cè)時(shí)間短、效果直觀，對(duì)人體零傷害。與超聲檢測(cè)相比省去了工件表面涂耦合劑的步驟，且無(wú)需接觸工件就可測(cè)量。與渦流檢測(cè)相比允許有一定的提離而不影響檢測(cè)精度。與液體滲透檢測(cè)方法相比不需去清理工件表面。

由于ACFM檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)眾多，不僅可運(yùn)用在石油化工行業(yè)，也可運(yùn)用在其他行業(yè)的無(wú)損檢測(cè)中，如鋼鐵企業(yè)、核工業(yè)、鐵路運(yùn)輸業(yè)、航運(yùn)航空業(yè)等。國(guó)內(nèi)外船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)已將ACFM列入海洋石油平臺(tái)的管道和設(shè)備定期檢測(cè)推薦方法，另外核電行業(yè)針對(duì)燃料儲(chǔ)罐和常規(guī)島的架空和埋地管道的檢查也有常規(guī)的應(yīng)用[3]。

ACFM技術(shù)是通過(guò)激勵(lì)探頭在工件表面感應(yīng)出均勻的交變電流，當(dāng)被測(cè)工件中沒(méi)有缺陷或遠(yuǎn)離缺陷時(shí)，工件表面的感應(yīng)磁場(chǎng)顯示出均勻的特點(diǎn)；若存在缺陷時(shí)，因空氣與工件電阻率存在差異，感應(yīng)電流則會(huì)在工件缺陷兩邊與底部繞過(guò)引起表面電磁場(chǎng)的擾動(dòng)，檢測(cè)探頭通過(guò)采集缺陷上方電磁場(chǎng)的畸變信息并進(jìn)行分析處理得到被檢缺陷的尺寸信息，達(dá)到定量分析的目的。

在ACFM技術(shù)中工件表面的感應(yīng)磁場(chǎng)磁通密度有三個(gè)分量可被測(cè)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(guān)系。當(dāng)工件中缺陷的長(zhǎng)度方向與電流方向垂直時(shí)，X分量的方向與缺陷長(zhǎng)度方向保持平行。當(dāng)工件表面不存在缺陷時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)均勻分布，此時(shí)Y和Z分量BY和BZ的值為零，磁場(chǎng)在X軸方向分布均勻且與電流方向垂直。當(dāng)電流經(jīng)過(guò)存在缺陷的工件表面時(shí)，電流會(huì)向缺陷兩端和底面偏轉(zhuǎn)，致使流經(jīng)缺陷面的電流強(qiáng)度變小，缺陷越深的位置電流線變得越稀疏，其感應(yīng)磁場(chǎng)磁通密度值也越?。涣硗庖螂娏鲿?huì)在缺陷兩端產(chǎn)生聚集，勢(shì)必使得缺陷兩個(gè)端點(diǎn)處的磁通密度值處于極大值。當(dāng)探頭沿著缺陷表面掃描時(shí)BX軸方向會(huì)出現(xiàn)一個(gè)寬凹陷區(qū)，BY和BZ方向會(huì)出現(xiàn)高幅值的波峰與波谷。由于BY的數(shù)量級(jí)較小，因此在不需特殊處理的情況下，探頭僅需測(cè)量BX和BZ兩個(gè)方向的分量即可判定缺陷是否存在[4]。

2 檢測(cè)對(duì)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(duì)接焊在預(yù)埋于混凝土上的不銹鋼襯墊型鋼或鋼結(jié)構(gòu)框架上。焊縫的結(jié)構(gòu)主要有對(duì)接和T型角焊縫兩種，其中對(duì)接焊縫占絕大部分。乏池焊縫是采用帶導(dǎo)流槽的不銹鋼覆面結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 帶導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)的不銹鋼覆面結(jié)構(gòu)圖

牌號(hào)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(shí)具備良好的材料力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能佳、焊接性能好、強(qiáng)度合適等優(yōu)點(diǎn)，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(jīng)調(diào)研通常乏池池底覆板厚度6mm、池壁覆板厚度4mm。無(wú)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(jīng)過(guò)調(diào)研統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)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(qū)域缺陷

薄板焊縫往往存在一些特殊問(wèn)題：應(yīng)力腐蝕。不銹鋼覆面焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂往往是突發(fā)性的。影響不銹鋼焊縫產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的影響因素很多：材料的組織、成分、熱處理狀態(tài)、焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式、外界的震動(dòng)、水介質(zhì)污染、溫度變化等。在實(shí)際服役過(guò)程中，影響最大的是混凝土結(jié)構(gòu)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(wèn)題之一，其一旦發(fā)生，在應(yīng)力的作用下即會(huì)沿晶界斷裂，強(qiáng)度幾乎消失，材料性能嚴(yán)重下降；熱裂紋。奧氏體不銹鋼的熱裂紋是在焊接過(guò)程中焊縫液態(tài)金屬凝固過(guò)程中產(chǎn)生的，主要是結(jié)晶裂紋。

2.3 試驗(yàn)樣塊的制作

結(jié)合乏池覆板的建造工藝和缺陷失效形式設(shè)計(jì)了試塊（圖2），本文中制作的試塊沒(méi)有完全涵蓋所有類型的焊縫、只針對(duì)平面對(duì)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(guī)格的焊縫試塊：兩種規(guī)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(zhǎng))×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(zhǎng))×0.13mm（寬）×0.5mm(深)。

圖2 乏池對(duì)接焊縫試塊的加工圖

其中，F(xiàn)C-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(zhǎng))×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(zhǎng))×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(zhǎng))×0.13mm（寬）×0.5mm(深)。表面開口豎向焊縫（平行焊縫），焊縫中心，6mm(長(zhǎng))×0.13mm（寬）×0.5mm(深)。

3 乏池焊縫的檢測(cè)技術(shù)

本測(cè)試采用的ACFM樣機(jī)系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、檢測(cè)探頭、采集卡、PC、三軸臺(tái)架和試件。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：4kHz激勵(lì)頻率，臺(tái)架掃描速度為40mm/s。

3.1 檢測(cè)探頭

檢測(cè)探頭是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心（圖3），主要包括外殼蓋、外殼、激勵(lì)線圈、激勵(lì)磁芯、放大電路板和激勵(lì)傳感器。該檢測(cè)探頭并排三個(gè)錳鋅鐵氧體U型磁芯置于外殼中央，在并排的三個(gè)U型磁芯上分別均勻繞有激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈通激勵(lì)的正弦信號(hào)，磁芯用來(lái)聚磁，檢測(cè)傳感器用來(lái)拾取磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，該檢測(cè)探頭采用高靈敏度的隧道磁阻（TMR）磁場(chǎng)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(cè)傳感器位于焊縫正上方，兩側(cè)的檢測(cè)傳感器位于焊縫左右兩側(cè)正上方。傳感器總寬度達(dá)到30mm，能檢測(cè)焊縫左右各10mm范圍的缺陷。能對(duì)焊縫區(qū)和焊縫熱影響區(qū)進(jìn)行全覆蓋提取磁場(chǎng)信號(hào)。

圖3 探頭結(jié)構(gòu)圖

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

池壁覆板對(duì)接焊縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)：將三陣列U型探頭固定夾持在臺(tái)架上，控制臺(tái)架運(yùn)動(dòng)方向?qū)Τ乇谄矫鎸?duì)接焊縫進(jìn)行測(cè)試，途經(jīng)六個(gè)缺陷。圖4（a）顯示的是FC-D-01-Q平面對(duì)接焊縫缺陷BxBz信號(hào)圖，標(biāo)注中間磁場(chǎng)傳感器測(cè)試的結(jié)果，從圖中可顯示6個(gè)缺陷的Bz信號(hào)，但Bx信號(hào)很難識(shí)別。圖4（b）顯示缺陷判定圖，圖中標(biāo)注中間磁場(chǎng)傳感器測(cè)試Bz梯度信號(hào)圖，從圖中可看出在未出現(xiàn)缺陷位置的信號(hào)其變化幅度較為緩慢，顯示的信號(hào)梯度接近于0，當(dāng)裂紋出現(xiàn)時(shí)特征信號(hào)會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，該擾動(dòng)經(jīng)過(guò)梯度后放大，得到6個(gè)較高信噪比的信號(hào)。

圖4 FC-D-01-Q平面對(duì)接焊縫

池底覆板對(duì)接焊縫試驗(yàn)數(shù)據(jù)：對(duì)池底平面對(duì)接焊縫進(jìn)行測(cè)試，途經(jīng)六個(gè)缺陷。圖5（a）顯示的是焊縫缺陷BxBz信號(hào)圖，標(biāo)注中間磁場(chǎng)傳感器測(cè)試的結(jié)果，從圖中看出仍只顯示6個(gè)缺陷的Bz信號(hào)，而Bx信號(hào)很難識(shí)別。圖5（b）顯示缺陷判定圖，標(biāo)注為中間磁場(chǎng)傳感器測(cè)試Bz梯度信號(hào)圖，從圖中基本可以分辨缺陷。

圖5 FC-D-02-Q平面對(duì)接焊縫

缺陷判定分析：由于Bz特征信號(hào)對(duì)提離不敏感，焊縫表面缺陷的實(shí)施判定主要以特征信號(hào)Bz為主。由于在裂紋兩端Bz信號(hào)會(huì)出現(xiàn)方向相反的峰值，致使信號(hào)幅值會(huì)產(chǎn)生較大的變化率，信號(hào)呈現(xiàn)較大梯度，對(duì)信號(hào)求微分方法可獲取信號(hào)中微小波動(dòng)量，焊縫表面凹凸不平引起的波動(dòng)為不規(guī)則信號(hào)，微分呈現(xiàn)雜亂信號(hào)，可通過(guò)濾波等方式祛除，保留裂紋引起的峰值畸變信號(hào)。如圖6所示，對(duì)特征信號(hào)Bz求微分并放大100倍得到微分信號(hào)?？煽闯鎏卣餍盘?hào)Bz在未出現(xiàn)裂紋時(shí)的微小噪聲波動(dòng)經(jīng)過(guò)微分后呈現(xiàn)出來(lái)，但Bz由于峰值翻轉(zhuǎn)呈現(xiàn)出極大值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于噪聲引起的擾動(dòng)。因此對(duì)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(hào)

檢測(cè)結(jié)果分析：三個(gè)TMR傳感器能夠完全覆蓋焊縫區(qū)域，從BxBz信號(hào)圖可看出，對(duì)于兩種規(guī)格的覆板焊縫的六個(gè)缺陷均能有信號(hào)顯示，表明能夠檢測(cè)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(zhǎng)度6mm、寬度0.13mm和深度0.5mm表面開口人工橫槽和豎槽；對(duì)于池壁（薄覆板）焊縫的BxBz缺陷信號(hào)較池底（厚覆板）焊縫的BxBz缺陷信號(hào)有較高的信噪比，這個(gè)可能與焊接焊縫質(zhì)量、缺陷的制作情況或檢查時(shí)探頭掃查穩(wěn)定性有關(guān)，需深入分析；通過(guò)對(duì)Bz信號(hào)的求微分，對(duì)于表面缺陷的檢測(cè)靈敏度有一定提高，若需要準(zhǔn)確判定還需原始信號(hào)和求微分后的信號(hào)對(duì)比分析，若通過(guò)單一的微分信號(hào)可能會(huì)造成一定的誤判；現(xiàn)階段所有檢出信號(hào)和處理信號(hào)的分析，皆是基于信號(hào)的幅值。

綜上，本文只針對(duì)平面對(duì)接焊縫的開展了初步試驗(yàn)，后續(xù)將在以下方面進(jìn)行深入研究：需通過(guò)試塊的檢測(cè)來(lái)優(yōu)化探頭的設(shè)計(jì)；增加乏池不同焊縫類型檢測(cè)試塊的試驗(yàn)研究，以探尋在各種類型試塊下的缺陷極限檢測(cè)靈敏度；需探尋研究多特征量缺陷檢出、定性和定量分析，優(yōu)化算法設(shè)計(jì)；需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況進(jìn)行檢測(cè)方法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件下的測(cè)試，考慮電磁兼容對(duì)信號(hào)的影響及相應(yīng)整改。