不銹鋼覆面焊縫脈沖渦流熱成像檢測(cè)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(yùn)通道，是隔離和阻擋放射性的第一道重要屏障。國(guó)內(nèi)外核電站不銹鋼覆面泄漏失效時(shí)有發(fā)生，查漏修復(fù)技術(shù)難度高，代價(jià)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(wú)損檢測(cè)方法本身的局限，大量焊縫內(nèi)部缺陷無(wú)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(cè)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(cè)，干擾因素小，檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，解決了不銹鋼覆面焊縫內(nèi)部缺陷無(wú)法有效檢出的問(wèn)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(wú)損檢測(cè)、

　　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(yùn)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(yùn)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(xiǎn)巨大；鋼覆面泄漏定位檢測(cè)技術(shù)及水下焊接技術(shù)尚不成熟，水池修復(fù)代價(jià)極高。據(jù)統(tǒng)計(jì)幾乎國(guó)內(nèi)每個(gè)核電廠在不同階段都發(fā)生過(guò)水池泄露的問(wèn)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(hào)機(jī)組乏燃料貯存水池在投入運(yùn)行前夕出現(xiàn)泄漏，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以及日本某些電廠的鋼覆面泄漏失效問(wèn)題報(bào)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(duì)焊縫焊接缺陷的控制對(duì)保證鋼覆面運(yùn)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(duì)接焊縫只能進(jìn)行滲透、目視、真空罩氣泡法檢測(cè)。受檢測(cè)方法的限制，焊縫內(nèi)部缺陷無(wú)法有效檢出，成為覆面泄漏失效的敏感部位。如何有效檢測(cè)出不銹鋼薄板對(duì)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(cè)技術(shù)開展不銹鋼覆面焊縫無(wú)損檢測(cè)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(cè)試，結(jié)論等。

　　1 檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)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(yùn)用高速高分辨率紅外熱像儀，獲取導(dǎo)電試件在渦流激勵(lì)下由焦耳熱產(chǎn)生的溫度場(chǎng)分布，并通過(guò)對(duì)紅外熱圖像序列的分析處理來(lái)檢測(cè)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(cè)結(jié)果為圖像，直觀易懂，單次檢測(cè)面積大，效率高檢測(cè)時(shí)無(wú)需接觸被測(cè)件表面，可利用渦流效應(yīng)檢測(cè)表面及近表面缺陷，利用熱效應(yīng)檢測(cè)更深層缺陷等優(yōu)勢(shì)，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(wú)污染無(wú)損檢測(cè)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(dòng)機(jī)葉片、鐵軌等無(wú)損檢測(cè)。

　　脈沖渦流熱成像檢測(cè)過(guò)程主要涉及以下物理過(guò)程，

　?、倜}沖電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流；

　?、跍u流受到表面和近表面缺陷的擾動(dòng)分布發(fā)生變化，并通過(guò)焦耳熱在金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生熱量；

　?、蹮崃吭趯?dǎo)體中由高到低傳遞，其傳遞過(guò)程同樣受到缺陷的影響；

　?、軣岢上駜x采集熱量分布的變化過(guò)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(guò)求解偏微分方程（單場(chǎng)）或偏微分方程組（多場(chǎng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真，可評(píng)估檢測(cè)技術(shù)的可行性，優(yōu)化檢測(cè)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(dòng)態(tài)的采集試件溫度場(chǎng)分布變化的圖像，將圖像缺陷點(diǎn)與參考點(diǎn)的溫度變化信息采集出來(lái)，進(jìn)行對(duì)比可以用于判斷是否存在缺陷。此外，在同條件激勵(lì)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(lái)矩形對(duì)比分析，則可能對(duì)缺陷深度位置進(jìn)行評(píng)估。模擬仿真主要模擬缺陷點(diǎn)與參考點(diǎn)的溫度場(chǎng)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(guò)缺陷流動(dòng)，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(guò)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(cè)量缺陷尺寸。從圖2可以看出不同深度的缺陷缺陷點(diǎn)與參考點(diǎn)溫度變化缺陷存在差異該差異可用與評(píng)估缺陷的深度。從仿真結(jié)果來(lái)看，脈沖渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)用于鋼覆面焊縫無(wú)損檢測(cè)是可行的。

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