核電站安全殼的微波探地雷達(dá)腐蝕檢測

陳 超,周 宇,周在杞,嚴(yán) 海,成 鑫,童忠貴

(1.蘇州熱工院有限公司,蘇州215004;2.蘇州阿爾斯通高壓電氣開關(guān)有限公司,蘇州215129)

核電站安全殼的微波探地雷達(dá)腐蝕檢測

陳 超1,周 宇2,周在杞1,嚴(yán) 海1,成 鑫1,童忠貴1

(1.蘇州熱工院有限公司,蘇州215004;2.蘇州阿爾斯通高壓電氣開關(guān)有限公司,蘇州215129)

介紹了核電站安全殼鋼板混凝土中鋼襯的腐蝕檢測技術(shù),使用探地雷達(dá)技術(shù)對鋼襯腐蝕進(jìn)行檢測,并對其反射圖譜進(jìn)行分析。結(jié)果表明:采用探地雷達(dá)微波技術(shù)對核電站安全殼進(jìn)行在役檢查是保證內(nèi)襯鋼板質(zhì)量的根本措施。

核電安全;鋼板腐蝕;微波探地雷達(dá)

混凝土作為一種最重要、用量最大的工程材料,廣泛應(yīng)用于核電站安全殼結(jié)構(gòu)中,如何將無損檢測技術(shù)應(yīng)用于混凝土材料是人們不斷探索的議題。鄭硯國等在2009年發(fā)表了核電站預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼的老化因素研究[1]。隨著我國核電站的興建,安全殼的防腐檢測技術(shù)被提上日程,至于如何測定核電站安全殼體混凝土及其鋼襯的腐蝕性能,還處于探索階段。筆者通過對鋼襯腐蝕進(jìn)行探地雷達(dá)檢測,證明了該方法的可行性。

1 腐蝕診斷監(jiān)測技術(shù)

自從我國1991年建成秦山核電工程一期, 1994年與大亞灣核電站商運以來,曾經(jīng)用鉆探法發(fā)現(xiàn)核電站安全殼內(nèi)部的6 mm厚鋼板的內(nèi)襯部分已經(jīng)腐蝕生銹,并且厚度只剩下3 mm。但截至目前,檢測人員尚未利用超聲定點測厚、射頻(RF)掃查儀或者探地雷達(dá)對各個核電站進(jìn)行過定期或不定期的無損檢測,即核電站安全殼內(nèi)部的腐蝕狀況并不明確。

現(xiàn)今,安全殼結(jié)構(gòu)一般采用目視、敲擊檢查外,而在建造完成之后如何對其診斷監(jiān)測卻是一大難題。

探地雷達(dá)可以確定金屬或非金屬管道、及其地下埋件的位置,但是埋地鋼板鐵銹的成分比較復(fù)雜,含有由電解質(zhì)溶液組成的原電池,其中鐵是負(fù)極,加速了鐵的腐蝕;最主要是吸氧腐蝕,生成的是Fe(OH)3∶Fe2O3·x H2O。在射頻(RF)掃查儀(探地雷達(dá))照射(掃查)下,透過混凝土保護(hù)層,利用氧化皮層與鐵銹層反射率的區(qū)別或差異,可以監(jiān)測出鋼襯表面銹蝕狀況。實際射頻掃查的案例是地下管道[2],微波探地雷達(dá)掃查實例如圖1所示。

安全殼的微波探地雷達(dá)掃查獲取數(shù)據(jù)之后,還要進(jìn)行自動化處理和圖譜生成,且需要注意以下幾點:

(1)各采集數(shù)據(jù)要和掃查路程或GPS坐標(biāo)準(zhǔn)確對應(yīng),并相互關(guān)聯(lián)融合,以準(zhǔn)確地對安全殼的鋼襯表面銹蝕狀況或病害等進(jìn)行分析和定位。

(2)依照《安全殼的鋼襯表面銹蝕狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》的要求,生成符合國家規(guī)范的混凝土層厚、破損、病害參數(shù)等報表或圖譜,并可與核電站在役檢查相關(guān)軟件系統(tǒng)進(jìn)行無縫對接。

陸偉東等[3]為了得到混凝土結(jié)構(gòu)的厚度,采用了探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行檢測。電磁波在混凝土中傳播時,其傳播路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質(zhì)的電磁屬性(介電常數(shù))和幾何形態(tài)的變化而變化?；炷两Y(jié)構(gòu)厚度的雷達(dá)檢測說明探地雷達(dá)的電磁波可以穿透非金屬材料。

圖1 微波探地雷達(dá)掃查實例

2 微波探地雷達(dá)檢測基本原理

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,GPR)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種地下目標(biāo)的有效探測手段,在國內(nèi)外已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用。與電阻率法、低頻電磁感應(yīng)法及地震法等常規(guī)的地下無損檢測方法相比,探地雷達(dá)具有檢測速度快、檢測過程連續(xù)、分辨率高、操作方便靈活、檢測費用低、檢測范圍廣(能檢測金屬和非金屬)等優(yōu)點[4]。探地雷達(dá)是利用微波反射原理探測各種地下目標(biāo)的,當(dāng)波在地下介質(zhì)中傳播時,其路徑、電磁場強度及波形隨著所通過介質(zhì)的介電性質(zhì)而變化;根據(jù)接收的雷達(dá)信號剖面,利用反射回波的雙程走時、幅度、相位等信息,可對地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述,從而實現(xiàn)目標(biāo)物的檢測或工程質(zhì)量的評價。探地雷達(dá)的檢測原理如圖2所示。反射信號的幅度強弱與界面反射系數(shù)、穿透介質(zhì)的吸收程度、介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)、相對介電常數(shù)及電導(dǎo)率有關(guān)。由于安全殼內(nèi)部鋼板內(nèi)襯的腐蝕程度不同,也就是界面反射系數(shù)不同,所以,探地雷達(dá)反射信號的幅度也會不同。這就是用探地雷達(dá)發(fā)現(xiàn)安全殼內(nèi)部鋼板內(nèi)襯腐蝕程度的理論基礎(chǔ)。

圖2 探地雷達(dá)的檢測原理示意

導(dǎo)電介質(zhì)麥克斯韋第一方程為[2]:

可見與介質(zhì)的電導(dǎo)率關(guān)系為:

式中:H為磁場強度;E為電場強度;σ為電導(dǎo)率;ε為介電常數(shù);ε0為自由空間介電常數(shù);ε′為以電磁場形式儲存的勢能;ε″為損耗因子;ω為角頻率;a為衰減常數(shù);γ為常數(shù)。

圖3為′εr和σ與ω的關(guān)系曲線。

圖3 ′εr和σ與ω的關(guān)系曲線

如圖3所示,′εr隨頻率升高而增大,σ隨頻率升高而減小。即隨著頻率升高導(dǎo)電性能變差,當(dāng)ω→∞時,σ→0,這時導(dǎo)體變成了不導(dǎo)電的絕緣體。一般良導(dǎo)體電導(dǎo)率總是實數(shù),近似等于恒定場中的數(shù)值:

如上所述,根據(jù)地面接收天線接收到地下反射波的回波特征,鋼板完好的電性能與不同銹蝕程度鋼板的電性能是有差異的,這樣就可判定鋼板表面介質(zhì)的變化情況。這種混凝土下鋼板介質(zhì)層之間存在的電性差異,為探地雷達(dá)檢測鋼板腐蝕情況提供了前提條件。

3 微波探地雷達(dá)現(xiàn)場測試

3.1 微波天線選型

用探地雷達(dá)檢測安全殼內(nèi)部鋼板內(nèi)襯的腐蝕程度時,發(fā)射和接收天線與混凝土板表面密貼,由探地雷達(dá)主機高速發(fā)射雷達(dá)脈沖,進(jìn)行快速連續(xù)采集。

(1)微波天線選型針對內(nèi)襯質(zhì)量檢測的具體情況,主要從分辨率、穿透力和穩(wěn)定性三個方面綜合衡量,選擇GC1500 MHz、GC900 MHz和GC400 MHz天線。

(2)GC1500 MHz屏蔽天線:時窗10 ns,掃描速度64 s－1,采樣點數(shù)512,濾波選擇倒數(shù)第三檔,道間平均分別為0,5,10次,連續(xù)測量方式;GC900 MHz屏蔽天線:時窗15 ns,掃描速度64 s－1,采樣點數(shù)512,濾波選擇倒數(shù)第三檔,道間平均分別為0,5,10次,連續(xù)測量方式;GC400 MHz屏蔽天線:時窗30 ns,掃描速度64 s－1,采樣點數(shù)512,濾波選擇倒數(shù)第三檔,道間平均分別為0,5,10次,連續(xù)測量方式(道間平均是指GPR主機在開始接收到天線信號到結(jié)束所花費時間的平均值)。

3.2 操作程序

(1)選擇一個試驗場地,盡量減少周圍設(shè)施對檢測設(shè)備的一切干擾因素,在適當(dāng)位置豎立放置被測鋼板。

(2)鋼板放在混凝土塊或普通墻壁后面,在其前方放置探地雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線,并且測定準(zhǔn)確間距。

(3)觀測主機設(shè)備顯示,記錄電波通過混凝土塊或普通墻壁后遇鋼板反射的信號波形。

3.3 測線的布置

由于工作面較小,故采用定點連續(xù)測量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?；炷翂K結(jié)構(gòu)俯視圖見圖4,虛線框內(nèi)為天線放置區(qū)域。

圖4 混凝土塊結(jié)構(gòu)俯視圖

編號分別為1,2,3的不生銹鋼板、生銹鋼板、被腐蝕鋼板的實物如圖5所示。其中1號板為完好無損鋼板,2號板為水中弱蝕生銹鋼板,3號板為強酸腐蝕鋼板。混凝土板的厚度為20 cm,墻體厚度為40 cm。

圖5 編號為1,2,3號的鋼板實物

4 微波探地雷達(dá)檢測結(jié)果

GC1500 M Hz,GC900 M Hz,GC400 M Hz屏蔽天線采集界面如圖6所示。

微波頻率1 500 MHz檢測結(jié)果如圖7所示。

微波頻率900 M Hz檢測結(jié)果如圖8所示。

圖7～9中柱狀圖中的橫坐標(biāo)1,2,3分別代表1號鋼板、2號鋼板、3號鋼板,混凝土的厚度為20 cm,縱坐標(biāo)為鋼板表層位置反射波振幅最大值與直達(dá)波振幅最大值的比值,墻體的厚度統(tǒng)一為40 cm。

微波頻率400 M Hz檢測結(jié)果如圖9所示。

采用微波頻率為1 500 M Hz,道間平均為5和10時,柱狀圖呈現(xiàn)出的規(guī)律性很好。1號柱狀圖是高、2號柱狀圖是中、3號柱狀圖是低;采用微波頻率900 MHz,隔墻體時,柱狀圖呈現(xiàn)的規(guī)律性很好,1號柱狀圖是低、2號柱狀圖是中、3號柱狀圖是高;但是隔混凝土板時,該頻率柱狀圖呈現(xiàn)出的規(guī)律性略差。

采用微波頻率400 M Hz時,1號柱狀圖是中、2號柱狀圖是高、3號柱狀圖是低。隔墻體時,有規(guī)律;但是隔混凝土板時,此頻率柱狀圖呈現(xiàn)的規(guī)律性也差。

圖6 不同屏蔽天線采集界面

圖7 微波頻率GC1500 MHz檢測結(jié)果

圖8 微波頻率GC900 M Hz檢測結(jié)果

綜上所述,隔著不同厚度的混凝土,需要不同頻率的天線相匹配,以上圖譜中200 mm厚的混凝土在1 500 M Hz天線探測時呈現(xiàn)較好的規(guī)律性, 40 mm厚的墻體在900 MHz天線探測時,呈現(xiàn)較好的規(guī)律性。雖然有干擾信號,并且柱狀圖形狀、高度不同是因為頻率不同而造成的,但是總體趨勢都是有規(guī)律可循的,反映出不同銹蝕鋼板的差異性。說明現(xiàn)場探地雷達(dá)掃描達(dá)到預(yù)期目的。

混凝土鋼內(nèi)襯安全殼在微波探地雷達(dá)照射下,透過混凝土保護(hù)層,利用氧化皮與鐵銹狀態(tài)反射率的區(qū)別,就可監(jiān)測出鋼板表面銹蝕狀況及其程度。其檢測理論是根據(jù)反射率與介電常數(shù)的不同。建議5 a或10 a用RF/UHF(射頻/超高頻)掃查進(jìn)行一次非剔鑿法(非破壞的方法)驗證,做安全殼的“體檢”普查。根據(jù)RF/UHF可視圖像與腐蝕程度之間的圖譜關(guān)系,以無損的手段,可檢測出鋼內(nèi)襯的實際腐蝕程度[5]。

圖9 微波頻率GC400 M Hz檢測結(jié)果

5 結(jié)語

通過雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和分析,可見反射層位振幅最大值與直達(dá)波振幅最大值的比值,會隨著安全殼鋼板腐蝕程度的變化發(fā)生變化。實際檢測到的差異,就是3塊鋼板各自的電磁波反射率不同。試驗證明了采用探地雷達(dá)射頻技術(shù)來定期檢查核電站安全殼的鋼襯腐蝕程序是可行的。同核電站業(yè)主協(xié)商,可以5 a或10 a進(jìn)行一次類似的核電站安全殼全面的“體檢”。

[1] 鄭硯國,李惠強.核電站預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼的老化因素研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版),2009,26 (4):57-61.

[2] 周在杞.微波檢測技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

[3] 陸偉東,劉金龍.混凝土結(jié)構(gòu)厚度的雷達(dá)檢測[J].無損檢測,2009,31(5):364-366.

[4] 孔令進(jìn).淺地層探地雷達(dá)信號處理算法的研究[D].西安:電子科技大學(xué),2003.

[5] 高飛,周宇.核電站安全殼老化防護(hù)監(jiān)測的設(shè)計[J].腐蝕與防護(hù),2011,32(12):988-990.

Microwave Ground-penetrating Radar Technology for Corrosion Detection of Nuclear Power Plant Containment

CHEN Chao1,ZHOU Yu2,ZHOU Zai-qi1,YAN Hai1,CHENG Xin1,TONG Zhong-gui1
(1.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.,Ltd.,Suzhou 215004,China; 2.Suzhou Alston High Voltage Electric Switch Co.,Ltd.,Suzhou 215129,China)

This article describes the corrosion detection technology for the steel liner in concrete steel shell of nuclear power plants.Through the exploration of steel liner corrosion and its reflection map by the groundpenetrating radar technology.It is believed that the application of the ground-penetrating radar technology for the inservice inspection of nuclear power plant safety housing is the fundamental technological measures to ensure the quality of steel liners.

Safety of nuclear;Corrosion of steel plate;Microwave ground-penetrating radar

TG115.28

:B

:1000-6656(2017)01-0056-05

10.11973/wsjc201701014

2015-12-09

陳 超(1984－),男,工程師,主要從事核電站常規(guī)島在役檢查無損檢測工作。

陳 超,E-mail:cc84smile＠163.com。