不鏽鋼覆面焊縫脈衝渦流熱成像檢測技術研究論文

【摘 要】不鏽鋼覆面廣泛應用於核電站各種高放射性水池、高放射性工具存放間、核燃料轉運通道，是隔離和阻擋放射性的第一道重要屏障。國內外核電站不鏽鋼覆面泄漏失效時有發生，查漏修復技術難度高，代價高昂。衆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。受鋼覆面結構限制和滲透、目視、真空罩氣泡法等常規無損檢測方法本身的侷限，大量焊縫內部缺陷無法有效檢出，成爲覆面泄漏失效的敏感部位。本文介紹了開展不鏽鋼覆面焊縫脈衝渦流檢測技術研究的相關工作，研究表明該技術具有缺陷直觀可測，干擾因素小，檢測效率高等優點，解決了不鏽鋼覆面焊縫內部缺陷無法有效檢出的問題，可用於建安階段不鏽鋼覆面焊縫的焊接質量控制。

【關鍵詞】核電站；不鏽鋼覆面；脈衝渦流熱成像技術；無損檢測、

0 前言

不鏽鋼覆面廣泛應用於核電站各種高放射性水池、高放射性工具存放間、核燃料轉運通道，例如反應堆堆腔水池、反應堆換料水池、乏燃料水池、核燃料轉運艙、容器裝載井、容器準備井、RPE系統集水坑等，是隔離和阻擋放射性的第一道重要屏障。水池一旦泄漏，放射性物質泄漏引發的核安全風險巨大；鋼覆面泄漏定位檢測技術及水下焊接技術尚不成熟，水池修復代價極高。據統計幾乎國內每個核電廠在不同階段都發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號機組乏燃料貯存水池在投入執行前夕出現泄漏，同樣的問題在美國的佐治亞電廠哈奇1號機組、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]。衆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，因此在建安階段加強對焊縫焊接缺陷的控制對保證鋼覆面執行質量意義重大。

不鏽鋼覆面施工採用手工鎢極氬弧焊工藝將3～6mm厚度的不鏽鋼薄板焊接在混凝土側的埋件上，焊接組裝而成。受不鏽鋼覆面結構的限制，大量對接焊縫只能進行滲透、目視、真空罩氣泡法檢測。受檢測方法的.限制，焊縫內部缺陷無法有效檢出，成爲覆面泄漏失效的敏感部位。如何有效檢測出不鏽鋼薄板對接焊縫的內部缺陷成爲保證鋼覆面建造質量的關鍵。下面將介紹基於脈衝渦流熱成像檢測技術開展不鏽鋼覆面焊縫無損檢測技術的相關研究，包括技術原理，仿真模擬，系統構建，試樣測試，結論等。

1 檢測原理

脈衝渦流熱成像技術（Eddy Current Pulsed Thermography， ECPT）是一種新型紅外熱成像無損檢測技術，其原理是基於電磁學中的渦流現象與焦耳熱現象，運用高速高分辨率紅外熱像儀，獲取導電試件在渦流激勵下由焦耳熱產生的溫度場分佈，並透過對紅外熱圖像序列的分析處理來檢測結構缺陷及材料電磁熱特性變化。由於具有不受提離及邊緣效應影響，檢測結果爲圖像，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，可利用渦流效應檢測表面及近表面缺陷，利用熱效應檢測更深層缺陷等優勢，該方法一經提出，便被作爲複雜構件缺陷的一種潛在的可視化綠色無污染無損檢測手段，受到了廣泛關注，目前已被成功應用於碳纖維複合材料、發動機葉片、鐵軌等無損檢測。

脈衝渦流熱成像檢測過程主要涉及以下物理過程，

①脈衝電磁感應產生渦流；

②渦流受到表面和近表面缺陷的擾動分佈發生變化，並透過焦耳熱在金屬導體上產生熱量；

③熱量在導體中由高到低傳遞，其傳遞過程同樣受到缺陷的影響；

④熱成像儀採集熱量分佈的變化過程，並揭示缺陷的存在。

2 仿真模擬

採用COMSOL Multiphysics軟件以有限元法爲基礎，透過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實現真實物理現象的仿真，可評估檢測技術的可行性，優化檢測工藝。在脈衝渦流熱成像仿真模擬中涉及如下物理公式（1），（2）。

感應電流：

σ—電導率，μ—磁導率，ρ—密度，CP—比熱容，K—導熱率。

2.1 不同深度矩形槽脈衝渦流熱成像仿真

熱成像儀可以連續動態的採集試件溫度場分佈變化的圖像，將圖像缺陷點與參考點的溫度變化資訊採集出來，進行對比可以用於判斷是否存在缺陷。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資訊採集出來矩形對比分析，則可能對缺陷深度位置進行評估。模擬仿真主要模擬缺陷點與參考點的溫度場資訊，以及同尺寸不同深度缺陷的溫度變化資訊。

2.2 仿真分析及結論

從圖1可以直觀看出由於缺陷的存在，感應電流繞過缺陷流動，感應電流密度在缺陷邊界出現了變化，導致溫度分佈發生變化，透過熱成像技術獲取的溫度分佈圖可以用於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。從仿真結果來看，脈衝渦流熱成像檢測技術用於鋼覆面焊縫無損檢測是可行的。