乏燃料水池覆面的焊缝的检测方法初步研究

陈姝 祁攀 冯美名 廖述圣

【摘 要】作为乏燃料水池的第一屏障的钢包层，覆面板一般使用厚度在3～6mm的不同长宽尺寸的304L不锈钢，并通过使用氩弧将其焊拼接而成在一起，这些钢包层覆面板一面直接与硼酸水接触联系。，另一面与混凝土接触，钢包层与和混泥土接触的一侧间的由于环境湿度使得磷酸盐、氯化物等离子因不同机理从混凝土中溢出从而腐蚀焊接区域被腐蚀的焊缝区域混泥土中-因不同机理而溢出。而部分焊缝区域的腐蚀是穿透性的，这就势必导致硼酸水在穿透位置渗漏从而加速裂纹的扩张。部分腐蚀了的瑕疵可能会穿透，这会导致硼酸水在穿透位置泄露从而使裂缝扩张。基于上述情形，结合电厂实际需求，必须发展有效的水下无损检测方法对焊缝区域实施周期性的检查和监测。焊缝区域方法。由于单一的方法可能导致覆板未打磨焊缝区域的缺陷漏检，本文采用了交流电场测量法本文通过带有人工缺陷的试块来测试交流磁场（ACFM）和涡流阵列两种方法的极限灵敏度和分辨率。法（ECAM），据此测试标定管人工缺陷敏感程度和分辨率，使其检测能力满足工程需求。研究发现，该方法可有效检出直径0.5mm通孔和2mm长、0.3mm宽的缺陷。

【关键词】乏燃料水;存储池;焊缝检测;涡流阵列方法;交流电场测量交流磁场检测

中图分类号： TL24;TG441.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0144-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.061

A Study on the Detection Technology of the Cladding Weld of Spent Fuel Storage Pools

CHEN Shu QI Pan FENG Mei-ming LIAO Shu-sheng ZHANG Zhi-yi

（China Nuclear Power Operation Technology Corporation，LTD，Wuhan Hubei 430223，China）

【Abstract】As the first barrier of the spent fuel storage pool， the steel claddings using different sizes of 304L stainless steel with 3～6mm thickness plate argon arc welded together， which is directly contacted with boric acid water. Environmental humidity between the back of steel cladding and concrete， makes phosphate， chloride ion overflowed from the concrete that corroded on the weld zone with different mechanism. Part of the corrosion defects can penetrate leaded to leakage of boric acid water in penetration position， which accelerates the crack to be propagated. In view of the above situation and combined with the actual needs of the power plant， it is necessary to develop effective underwater nondestructive testing means of the weld area for periodic inspection and monitoring. A single method may lead to the missing of defects detection due to weld reinforcement unpolished. In this paper， alternating current field measurement （ACFM） and eddy current array method （ECAM） are adopted to test the limit sensitivity and resolution through by the specimens with artificial defects which make their detection abilities close to satisfy engineering requirements. The preliminary study found that Φ0.5mm through-wall hole and with 2mm length and 0.3mm width through-wall crack in the weld can be inspected well.

【Key words】Spent fuel;Storage pool;Weld detection;Eddy current array method;Alternating current field measurement

0 引言

乏燃料水池的表面長期处在硼酸和乏燃料的环境中乏燃料水池覆板一侧长期处在硼酸和乏燃料的环境中[1]，它的后面通过膨胀螺栓直接联系着潮湿的混泥土墙另一侧通过膨胀螺栓固定在导流槽上，而导流槽固定在混凝土上，如图1所示为核电站乏池局部图。这种状况将会导致钢包层的焊缝处产生缺陷。根据经验反馈，压力腐蚀破裂和氯化物离子点状腐蚀是最普通的缺陷类型。核电站乏燃料水池作为研究对象，其规格通常是底盘其覆面板的规格为底板6mm厚、边盘侧板为4mm厚的304L不锈钢。

由于覆面板的拼接的位置和結构的差异性，会产生许多不同类型的焊缝，现有的焊缝类型有平对接型主要有平面对接型、平面T型和折板L对接型等，叠盘L型板，如图2所示。这些焊缝在乏池运行过程中，受到腐蚀而产生渗漏的几率很大。为满足不同类型焊缝检测，采用不同的方法实现最终检测灵敏度和分辨率要求。

本文使用了交流磁场检测法电场测量法[2] （ACFM）和涡流阵列方法（ECAM）进行联合检测，比较了它们的优缺点，并且通过例子确定了两类方法的检测灵敏度。

1 研究目标

前面一章已经提到焊缝有许多不同类型，。因为是进行检测方法的对比研究，本文只选择平面对接型焊缝这种类型的焊缝试块来研究检测灵敏度。所做缺陷具有平底孔所加工缺陷有平底孔和人工裂纹，分别位于焊缝的中心和焊缝熔合线。位于中心位置的纵向裂纹和焊缝熔合线。这里有两种缺陷类型的试块，这里有两类样本，母材厚度均为其厚度约4mm，焊缝宽度为10mm左右。

1.1 通孔缺陷样本通透性缺陷试块

分布在试块样本焊缝区中间的焊缝缺陷分为裂缝纵向裂纹和通孔孔洞。焊缝样本如图焊缝试块如图3，第41、第42和第43号标识的是矩形纵向裂纹裂缝，方向与焊缝方向一致，尺寸长度分别为6mm、3mm和2mm。第44、第45和第46号标识的是孔洞号标识的是通孔，其直径分别为1mm、0.5mm和0.3mm。

1.2 隐藏的缺陷样本埋深缺陷试块

缺陷是埋深的纵向裂纹隐藏的裂缝，它们分布在焊缝中心和焊缝融合线位置边缘，如图4所示。第61、第62和第63号标识的裂缝位于焊缝边缘号标识的裂纹位于焊缝边缘，第64、第65和第66号标识的裂纹裂缝位于焊缝中间。

2 研究方法

本文对不同位置和不同类型的缺陷运用ACFM方法[3-4]和涡流阵列方法进行比较性研究。

2.1 交流电场测量法交流磁场检测法（ACFM）

图5是ACFM的实现方法。鉴于该方法的特征，横向裂缝磁场扰动幅度远远大于纵向裂缝的磁场扰动幅度横向裂缝磁场扰动幅度远远小于纵向裂缝的磁场扰动幅度，所以检测灵敏度的研究仅对后者进行。缺陷以30mm/s的速度通过PLC驱动的装有ACFM探头平台进行线扫。通过激励线圈加载的正弦信号的幅度是5V、频率是5kHz。

2.2 涡流阵列法（ECAM）

如图6所示的涡流柔性阵列探头常常被用来进行人工手动检测[5]，探头沿长度方向放置，垂直于焊缝长度宽度方向，这样覆盖了焊缝宽度区域，并且焊缝两侧各20mm10mm的内热量影响该区域[6]。

3 研究结果

3.1 样本1通透试块的测试

图7显示的是第41号缺陷的交流扰动磁场磁感应强度的Z轴分量。显而易见有比较明显的峰谷值，显见有效地峰槽信号。这种情况下，一个简单的缺陷特征信号可以运用梯度方法获得[7-8]。

3.2 样本2埋深型缺陷试块的测试

4 讨论

（1）从图8和图9可以看到，对于浅平底的孔洞来说对于通孔来说，ACFM和ECAM根据孔洞直径的尺寸不一致呈现不同的检测灵敏度，的敏感度不很高。直径大于或等于1mm的通孔孔洞敏感度应该更高检测灵敏度跟高，而直径不到而直径小于等于0.5mm的孔洞则缺乏敏感性的孔洞灵敏度欠佳。

（2）从图8可以看到，通透型裂纹裂缝扰动磁场的磁流磁场强度密度的梯度值比孔洞通孔的大得多。主要原因是孔洞的磁场扰动一致性大于裂缝的主要是通孔的横向面积小，对于磁场的扰动区间有限，从而导致产生的扰动的磁场弱，从而导致磁场强度低。

（3）正如图8和图9所显示的，两种方法提供了长度大于两种方法对于长度大于2mm的穿透裂纹更高的敏感度的穿透型纵向裂纹均具有较高的检测灵敏度。

（4）从图11可以看到，ACFM对由位于焊缝中心和边缘的第61～66号裂纹缝的Bz梯度信号具有一定的检测敏感度梯度信号具有一定的检测灵敏度。然而，由于焊缝表面的不平，出现较大的纹波，这些纹波在求梯度后，将会产生很多的伪信号，从而导致纹将会导致对较差的真实缺陷的分辨和较差的定性分析。

（5）从图12看出，ECAM可以很低频率检测一定深度的缺陷可以在较低频率下检测一定深度的缺陷。对样本2埋深缺陷试块来说，位于焊缝中心的不同埋深的第64、65、66号全部可以被检测出来，而焊缝边缘的只有埋深为0.5mm的第63号能够清楚地被检测出来，另两个缺陷则没有被检测到。导致出现这种结果的主要原因应该是熔合线位置的不平整导致了在不同位置的贴合不一样，提离导致了其检测灵敏度下降，同时由于材料的不连续，也是检测灵敏度下降的一个原因。检测灵敏度不仅受到焊缝不平表面的影响而且受到焊接边缘影响。

（6）从图11和图12比较分析可知，ECAM方法比ACFM方法提供了更高信噪比信号方法具有更高的缺陷检出信噪比。然而并且，ACFM时域信号只能提供关于缺陷的一维信息，但ECAM的C扫可以提供足够多的缺陷信息。然而，ACFM可以找到全部6个缺陷（存在误判的可能），而ECAM只能找到其中4个，这表明了材料不一致和焊缝表面不平对ACFM方法影响弱于ECAM方法。

5 结语

通过运用上面的ACFM和ECAM方法对厚度为4mm的刚包层覆盖板的焊缝检测可以看到的覆板焊缝的检测可以看到，两种方法各有优缺点。对于给定尺寸的通透纵向裂缝和浅平底孔洞来说对于给定尺寸的通透纵向裂纹和通孔，两种方法具有相似的检测灵敏度，ECAM具有更高的信噪比。对于埋深隐埋缺陷试块样本，ACFM可以检出全部的缺陷，可以找到给定缺陷的全体，而ECAM只能检出找到部分。

本文没有考虑横向裂纹，这将作为今后主要研究内容之一。

【参考文献】

[1]核电站乏燃料存储设备的金属结构图表（私人通信）.

[2]M.Smith and C.Laenen，Insight，Vol.40 Num.1（2007），pp.17-20.

[3]Wei Li and Y.Zhang，Developing and testing of a novel portable ACFM intelligent instrument，40th Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation（AIP Conference Proceedings 1581），2014，pp.651–654.

[4]W.Li，G.Chen，W.Li，Z.Li and F.Liu.NDT&E International. 2011，Vol.44（3），pp.324-328.

[5]Eddyfi Surface ECA Probe Catalog，April，2017.

[6]ASME Boiler and Pressure Vessel Code， 2004.

[7]R.K.Amineh，M.Ravan，S.H.H. Sadeghi and R.Moini： IEEE Transactions on Magnetics.Vol.44 Num.8（2008），pp.2066-2073.

[8]W. Li and G.M. Chen： Journal of System Simulation. Vol. 21 Num. 20 （2009）， pp. 6344-6346 （In Chinese）.