电磁超声测厚检测技术在核电厂的应用

电磁超声测厚检测技术在核电厂的应用

畅璐璐 ,丁清越 ,许星星

阳江核电有限公司  广东 阳江 529500

摘 要：随着机组运行时间的增长，核电厂常规岛汽水管道会因冲蚀、流体加速腐蚀、固体颗粒侵蚀等因素逐渐出现壁厚减薄现象。为有效监测常规岛汽水管道的真实状态，保障机组和人身安全，现阶段核电厂普遍采用常规压电超声检测技术对汽水管道壁厚进行测量。与传统的压电超声检测技术相比，电磁超声技术具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适用于高温检测以及检测结果稳定等优点；因此，在工业领域，电磁超声越来越受到人们的关注和重视。本文在电磁超声理论研究的基础上，开展应用试验，通过现场检测数据对比分析，总结该电磁超声测厚检测技术在核电厂的应用前景。

关键词：核电厂；电磁超声；汽水管道

引言

核电厂常规岛汽水管道在役检查目前参照《压力管道定期检验规则--工业管道》（以下简称TSG D7005）标准及FAC腐蚀机理进行统筹管理，目前主要的监督方法为管部件壁厚测量工作，主要针对核电基地常规岛及BOP系统单机组约1700个部位进行检测。

自某基地首台机组商运至2022年已经过20余轮大修总计完成了4000余个管部件的壁厚测量工作。经统计后续大修的平均管道测厚量为200-230个。

现有的壁厚测量工作主要采用常规压电超声纵波检测方式，其检测方法具有成熟、准确、便利、直观、快速的特点被广泛应用于工业现场，但受制于检测原理，现场实际执行过程中存在如下影响检测稳定性、准确性及效率的因素：

内外表面的粗糙度（或内壁腐蚀情况）会使得检测读数存在跳动的情况，影响检测的实际读数，其检测重复性较低，对历史发展趋势的评估存在较大的影响。

检测探头与被检面的垂直度影响检测结果准确性。

受人为因素影响，不同人的按压程度有所区别，使其耦合情况有所不同，检测结果会不同。

受表面油漆的影响较大，致密油漆需单独采用油漆试块标定，松散油漆需打磨去除，影响检测的效率及检测准确性。

综上所述：现有常规压电超声检测技术虽为成熟的检测技术，但在数据稳定性、准确性及效率方面存在较大的提升空间。

随着设备制造领域、计算机算法、基础科学的不断提升，无损检测领域技术不断更新，电磁超声检测技术就是其中一个。电磁超声技术结合了涡流检测的发生原理及超声检测技术，与传统的压电超声检测技术相比，它具有精度高、不需要耦合剂、非接触、适用于高温检测以及容易激发各种超声波形等优点。

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1电磁超声的原理和特点

1.1 超声波的工作原理

超声波是频率高于20000Hz的机械波，由于超声波频率高、波长短，因此具有良好的方向性和穿透能力，且由于超声波能量大，方便检测，因此可以用来实现无损检测。具体工过程分为以下几个过程：

声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入试件；

超声波在试件中传播并与试件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变；

改变后的超声波被检测设备接收器接收，并可对其进行处理和分析；

根据接收的超声波的特征，评估试件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

常规压电超声检测，为保证充分的声耦合，在检测时需要有耦合剂（机油、水、医用耦合剂等）填充检测探头和被检查表面之间的空隙。

1.2 电磁超声的产生机理

电磁超声技术结合了涡流检测的发生原理及超声检测技术，处于交变磁场中的金属导体，由于电磁感应现象，其内部将产生涡流，同时由于任何电流在磁场中受到洛伦兹力的作用，而金属介质在交变应力的作用下将产生应力波，频率在超声波范围内的应力波即为超声波。于此相反，由于此效应呈现可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使涡流线圈两端的电压发生变化，因此可以通过接收装置进行接收并放大显示。我们把用这种方法激发和接收的超声波称为电磁超声。在上述方法中，换能器已经不单单是通交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体，金属表面也是换能器的一个重要组成部分，电和声的转换是靠金属表面来完成的。电磁超声只能在导电介质上产生，因此电磁超声只能在导电介质上获得应用。

1.3电磁超声的基本结构

电磁超声检测装置主要由高频线圈、外加磁场、试件本身三部分组成，电磁超声基本结构值得一提的是，产生电磁超声的有两种效应，洛伦兹力效应和磁致伸缩效应。高频线圈通以高频激励电流时就会在试件表面形成感应涡流，感应涡流在外加磁场的作用下会受到洛伦兹力的作用产生电磁超声；同样，强大的脉冲电流会向外辐射一个脉冲磁场，脉冲磁场和外加磁场的复合作用会产生磁致伸缩效应，磁致伸缩力的作用也会产生不同波形的电磁超声。洛伦兹力和磁致伸缩力两种效应具体是哪种在起着主要作用，主要是由外加磁场的大小、激励电流的频率决定。

1.4 电磁超声的特点

电磁超声的优点：

相对于常规超声波检测，电磁超声具有以下优点：

非接触检测，不需要耦合剂，可透过包覆层等。电磁超声的能量转换，是在工件表面的趋肤层内直接进行得。因而可将趋肤层看成是压电晶片，由于趋肤层是工件的表面层，所以电磁超声产生的超声波不需要任何耦合介质。

检测速度快。传统的压电超声的检测速度，一般都在10米/分钟左右，而EMAT可达到40米/分钟，甚至更快。

电磁超声的缺点：

它的换能效率要比传统压电换能器低20-40dB。当然，这个缺点可以用精心设计与制造电子发射机与接收机、换能器来弥补。

高频线圈与工件间隙不能太大。线圈从工件表面每提高一个绕线波长的距离，声信号幅度就要下降107dB和96dB。

1.5技术发展现状

调研某品牌电磁超声测厚仪，其技术参数如下：

表面最小曲率直径：≥10mm

厚度测量精度：

范围1.5~100mm(钢、不锈钢)时精度0.04mm（压电0.10mm）

范围100~200mm(钢、不锈钢)时精度0.1mm

高温补偿测厚精度2%

工作间隙/提离度：

常温永磁探头≤4mm

常温脉冲探头≤1mm

高温永磁探头≤2mm

工作温度：

常温探头-20~+50℃

高温探头-20~+700℃(-20~+310℃时可连续测量无需特意冷却；+310~700℃时每次测量时间≤5s，冷却间隔时间≥15s)

测量不垂直度(传感器/探头相对被测试物体的法线)：±25°

激发频率：3.0~3.9MHz

声速范围：1000~9999m/s、调节增量1m/s（适用于现场大部分金属部件，碳化硅、氧化铝、氮化铝不适用。同时非碳钢、不锈钢材质现场使用受制于试块）

尺寸重量：高195×宽90×厚40mm、≤820g

通过以上参数可知，电磁超声检测设备的灵敏度、可检部件尺寸、不垂直度，使用环境条件及仪器体积可满足现场压力管道检测需求。

2现场测试

虽技术方面电磁超声检测技术从原理上解决了常规压电超声检测的众多稳定性及效率问题，但仍需进一步验证其检测准确性及效率。

2.1检测结果测试

现场总计检测测试10个不同尺寸规格的管部件，对其检测结果进行分析，趋势基本一致，电磁超声测厚数值偏小。以现场两个部件测厚数据为例。

1） 2GS2111TY管线GSS2108VL后第一个弯头测厚（Φ168*7），检测结果如下：

2） 2GSS2123TY管线GSS2184KD后第一个弯头测厚（Φ406*13），检测结果如下：

结合现场检测结果，与常规压电超声检测结果对比，电磁超声检测数据的稳定性、复现性要优于常规压电超声。在检测数值方面，由于现场并无标准值，但电磁超声检测数值普遍低于常规压电超声检测数值，在技术决策方面其检测数据偏于保守。在离线进行标准试块测试时，两种检测技术检测结果与标准值误差在0.04mm范围内。检测结果可真实反映现场壁厚的变化。

2.2效率测试

现场对同一现场管部件进行检测，在去油漆的条件下，普通压电超声检测100个点需约60分钟，若附加油漆打磨工作，则需约90分钟；电磁超声检测100个点需约10分钟。效率至少提升6倍。

检测效率的提升侧面缓解了大修工期紧张的现状，同时快速发现异常也为异常的处理提供了更为充足的准备时间。检测效率的提升在很大程度上增加了现场大面积普查的可能性。

3法规符合性分析

根据TSG D7005标准2.4 检验实施的要求，定期检验项目应当以宏观检验、壁厚测定和安全附件的检验为主，其中TSG D7005 2.4.2.2节中规定：壁厚测定，一般采用超声测厚方法。第（4）节补充信息：采用长距离超声导波、电磁等方法进行检测时，可以仅抽查信号异常处的管道壁厚。

综上，法规中规定了管道的壁厚检测方法：一般采用超声测厚方法，但又对测厚的方式未做单一限定；而且电磁超声检测技术也属于超声测厚的一种；故在核电厂采用电磁超声检测技术对常规岛汽水管道进行测厚，不与上游法规冲突。

4结论

根据电磁超声的基本原理，本文通过现场部件的检测数据对比分析，表明电磁超声检测技术在检测效率、检测数据的稳定性和复现性等方面都要更优于常规压电超声技术，检测结果相比常规压电超声技术更趋于保守；更加满足核电常规岛检测技术应用的现场需求，并大大缓解现场大修工期紧张的现状。

参考文献：

[1] 超声检测/郑晖，林树青主编，—2版. —北京：中国劳动社会保障出版社，2008

[2] 李振才. 电磁超声（EMA）技术的发展与应用. 无损探伤，2006年第30卷第6期

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．TSG-D0001．压力管道安全技术监察规程-工业管道[S]．北京：新华出版社，2000

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．TSG-D7005．压力管道定期检验规则-工业管道[S]．北京：新华出版社，2018