不銹鋼覆面焊縫脈沖渦流熱成像檢測技術(shù)研究論文

　　【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有發(fā)生，查漏修復(fù)技術(shù)難度高，代價高昂。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，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)代價極高。據(jù)統(tǒng)計幾乎國內(nèi)每個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，運用高速高分辨率紅外熱像儀，獲取導(dǎo)電試件在渦流激勵下由焦耳熱產(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）來實現(xiàn)真實物理現(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，將圖像缺陷點與參考點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與參考點的溫度場信息，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與參考點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。

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