旋转涡流在换热器管道内检测上的应用

摘要：在全球能源低碳转型背景下，核电安全至关重要。核电站换热器管道因长期处于高温、高压、高辐射及复杂化学介质环境，易出现应力腐蚀开裂等多种缺陷，传统检测技术存在局限。旋转涡流检测技术基于电磁感应原理，通过旋转交变磁场诱导涡流，能实现管道内壁缺陷的三维定位与量化分析。其探头的多绕组阵列设计和相位差控制可形成旋转矢量场，全周向覆盖检测，信号采集处理能识别缺陷特征。该技术在复杂几何结构兼容性、抗干扰性、环境耐受性及检测效率等方面优势显著，为核电换热管道的无损检测与完整性评估提供了有效技术支撑。

关键词：核电,旋转涡流检测，换热器管道，失效，无损检测

0前言

在全球能源结构加速向低碳转型的背景下，核电作为稳定的基荷能源，其安全运行关乎能源供应安全与生态环境安全。核电站换热器作为连接一、二回路的核心设备，以压水堆蒸汽发生器为例，其数以万计的传热管长期承受高温（300℃以上）、高压（15MPa 左右）、高辐射剂量（10⁴- 10⁶ Sv 量级）及复杂化学介质的协同作用，易出现应力腐蚀开裂、冲刷磨损、疲劳裂纹等缺陷。据国际原子能机构（IAEA）统计，换热器管道失效已成为引发核电站非计划停机的主要诱因之一，严重威胁核安全与经济效益。

传统无损检测技术如目视检测、射线检测和超声检测在核电换热器管道[1]检测中存在局限性，难以满足高精度、高灵敏度及复杂结构适应性的需求。涡流检测技术凭借非接触、响应快、可实现自动化检测等优势，成为核电管道检测的重要手段。其中，旋转涡流检测[2]技术通过检测线圈的周向旋转扫描，可实现管道内壁缺陷的三维定位与量化分析，有效提升缺陷检出率与评估准确性。本文基于核电运行的特殊工况，系统探讨旋转涡流检测技术的原理创新、检测性能优化及工程应用实践，旨在为核电关键设备完整性管理提供技术支撑。

1 核电换热管道失效模式

1.1 多因素作用下的腐蚀损伤

腐蚀失效是核电换热管道在高温高压介质环境中的典型损伤形式，表现为“环境 - 力学”耦合破坏。应力腐蚀开裂（SCC）是奥氏体不锈钢及镍基合金管道的主要失效模式。在压水堆一回路主管道（280340℃、pH 1011）中，镍基合金 600 传热管常因二次侧苛性碱浓缩区的晶间应力腐蚀（IGSCC），裂纹沿晶界呈树枝状扩展。其机理为拉应力使氧化膜破裂，腐蚀介质渗入裂纹尖端，形成阳极溶解通道，裂纹扩展加速电化学腐蚀，形成恶性循环。局部腐蚀中，氯离子（Cl⁻）在法兰垫片缝隙、焊缝咬边等滞流区域富集，破坏钝化膜，形成点蚀或缝隙腐蚀坑。二回路非核级碳钢给水管道在高温含氧水（>200℃）环境中发生均匀腐蚀，虽进程缓慢，但会导致壁厚均匀减薄，最终引发结构性失效。

1.2 动态载荷下疲劳损伤

核电换热管道运行中，机械损伤是常见失效形式，与“时间 - 应力”密切相关。主泵出口高速流体（>15 m/s）或蒸汽发生器两相流诱发振动，弯头、三通等几何不连续部位产生交变应力，易萌生疲劳裂纹并扩展，如压水堆蒸汽发生器传热管因流体弹性不稳定性，管支撑板孔边缘形成疲劳裂纹，扩展速率达5×10⁻⁷ mm/循环，裂纹源多在应力集中处。磨损损伤由循环冷却水中砂砾（粒径>50 μm）冲刷管道内壁导致，弯管外侧磨损最严重，某核电站运行5年后，弯管外侧壁厚减薄量达直管段3倍，局部形成沟槽状磨痕。冲蚀失效源于调节阀下游、节流孔板后高速湍流（>30 m/s）对管壁微切削，常形成马蹄形凹坑，某核电厂给水调节阀下游碳钢短管3年内穿孔，凹坑深度与流速立方呈正相关。主蒸汽管道（温度>400℃，压力>10 MPa）在高温应力下，材料晶界滑移、空洞形核长大，宏观表现为管壁鼓包或蠕变断裂。

1.3 制造缺陷

焊接接头是管道系统的薄弱环节，其制造缺陷易在服役环境中成为失效起源。镍基合金（如Alloy 690）焊接时，熔合线附近因枝晶间低熔点相偏析形成热裂纹，裂纹沿晶界扩展。高强钢焊接后冷却时，氢原子聚集形成氢致冷裂纹，某安全注入系统管道低合金钢焊缝焊后24小时内出现穿晶裂纹，裂纹尖端呈氢脆准解理断口特征。焊接工艺不当还会导致焊缝根部未熔合或残留氧化物夹渣，这些缺陷等效于尖锐裂纹。某核电站安全级管道的未焊透缺陷（深度达壁厚30%）在热疲劳载荷下扩展，最终引发泄漏，断口分析显示缺陷尖端应力强度因子超过材料疲劳门槛值。

1.4 辐照及热疲劳损伤

靠近堆芯的碳钢管道在高能中子辐照（快中子通量 >1×10¹⁹ n/cm²）下，晶格产生缺陷团簇与析出相，冲击韧性下降，脆性转变温度（DBTT）升高。化容系统（CVS）管道因核电站启停或功率变化，承受周期性温度波动（ΔT>50℃），在法兰、异径管等几何不连续处产生交变热应力，引发表面龟裂状微裂纹。某核电站CVS管道弯头外表面因热疲劳形成网络状裂纹，裂纹深度随温度循环次数指数增长。

2 旋转涡流内检测方法

2.1 旋转涡流检测的物理学基础

现有研究指出，当金属工件与电涡流传感器存在相对运动时，工件表面除原有感应涡流外，还会产生动生涡流[3,4]，这使得涡流检测系统中的涡流场和磁场分布显著复杂化。如图1所示，运动状态下，涡流在被测工件表面的分布会出现拖尾效应，且该效应随工件磁导率增大及相对运动速度加快而愈发显著[5,6]。

图1动涡流产生的拖尾效应

旋转涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测技术，适用于核电管道等圆柱形构件的高效检测。其原理是通过通有交变电流的检测线圈（探头）靠近导电材料（如不锈钢、镍基合金）时，线圈产生的交变磁场会在材料表面及近表层感应出闭合电流（涡流）。涡流的分布、强度和方向与材料的电导率、磁导率、几何形状及缺陷状态密切相关。与传统涡流检测相比，旋转涡流检测采用特殊的线圈设计（如多绕组阵列或旋转式探头），使激励磁场以特定角速度（如360°周向扫描）在管道内壁或外壁形成旋转交变磁场，诱导出旋转分布的涡流，从而增强对缺陷的检测能力，尤其能有效识别管道表面及近表层的缺陷。

2.2旋转涡流激励机制与检测逻辑

旋转涡流探头通常由多个呈圆周阵列分布的激励线圈组成（如48个线圈均匀布置），通过相位差控制（如依次通入相位相差90°的交变电流），使各线圈产生的磁场在空间叠加形成旋转矢量场。该磁场沿管道周向匀速旋转，类似“电磁扫查器”，能够对管道内表面实现全周向覆盖检测。在实际应用中，例如核电蒸汽发生器传热管检测，探头可通过机械驱动或电磁驱动方式在管内旋转，同时沿轴向进给，完成螺旋式扫描。

当管道存在缺陷（如应力腐蚀裂纹、点蚀坑、焊接未熔合等）时，缺陷处材料连续性被破坏，导致涡流路径畸变及电流密度改变，从而引起局部磁场异常。旋转涡流检测技术的优势在于：一是全周向敏感性，旋转磁场可覆盖管道各方向缺陷（如轴向、周向、斜向裂纹），避免传统线性扫描的方向盲区；二是动态信号特征，缺陷与旋转磁场的相对运动产生周期性变化的感应信号，通过分析信号的幅值、相位及频率特征，可判断缺陷的位置、尺寸及方向。

2.3信号采集与缺陷识别的核心逻辑

在旋转涡流检测中，涡流的畸变会反作用于检测线圈，导致线圈阻抗（电阻与电感）发生变化。接收线圈实时捕捉这种阻抗变化，并将其转换为电压信号。当探头旋转至缺陷位置时，涡流扰动会使接收线圈的感应电压产生幅值突增或相位偏移。通过锁相放大、滤波等信号处理技术，可分离出缺陷特征信号，从而实现缺陷的检测与识别。

由于旋转涡流的磁场呈动态扫描特性，其信号包含周向位置、轴向深度及缺陷方向的多维信息。通过建立相位 - 位置映射关系（如将周向360°划分为若干角度区间），可精确定位缺陷的周向方位。结合轴向进给速度，可构建缺陷的三维分布图谱。例如，对于核电管道的周向裂纹，旋转涡流信号会呈现周期性脉冲特征；而轴向裂纹则表现为连续相位偏移。基于这些信号特征，可实现缺陷类型的初步判别，为管道的无损检测与完整性评估提供有力支持。

2.4 在核电管道检测中的适应性优势

旋转涡流检测技术具有显著的复杂几何结构兼容性，能够有效适应核电管道中的弯头、焊缝、异径管等复杂部位，通过旋转扫描消除几何边界引起的检测盲区，确保检测的全面性。该技术还具备优异的抗干扰与环境耐受性，无需耦合剂，可在高温（200300℃）、辐射场等恶劣环境下稳定工作。通过频率优化（激励频率范围为10 kHz1 MHz），可兼顾表面缺陷（如点蚀）与近表层缺陷（如早期应力腐蚀裂纹）的检测需求。此外，旋转扫描速度可达数十转/秒，配合自动化机械系统，可实现长距离管道的快速扫查。同时，基于信号幅值与缺陷深度的定量关系（如通过校准试块数据库建立），可实现缺陷尺寸的精确评估，显著提升检测效率与准确性。

3 小结

核电换热器管道在高温、高压、辐射及腐蚀介质等多重极端环境作用下，易出现应力腐蚀开裂、疲劳损伤、制造缺陷及辐照脆化等复杂失效模式，传统无损检测技术难以满足高精度检测需求。旋转涡流检测技术基于电磁感应原理，通过多绕组阵列探头生成旋转交变磁场，实现管道内壁缺陷的全周向扫描与三维定位，其动态信号分析可有效识别不同类型缺陷的特征。该技术具备复杂几何结构适应性强、抗干扰能力优异、检测效率高（扫描速度达数十转 / 秒）等优势，能在高温（200~300℃）、辐射场等恶劣环境中工作，兼顾表面与近表层缺陷检测，并通过信号量化实现缺陷尺寸精确评估。作为核电管道完整性管理的关键技术，旋转涡流检测为保障核电站安全运行提供了可靠的工程解决方案，未来可进一步结合智能化算法优化缺陷识别精度，拓展在复杂工况下的应用场景。

参考文献：

[1] 闫冬,方奇术,乔彦龙.核电厂换热器维修管理与性能监测研究[J].设备管理与维修,2023,(07):42-44.DOI:10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2023.04.15.

[2] 秦平刚.内旋转超声检测技术在二段转化废热锅炉管束腐蚀检测中的应用[J].大氮肥,2025,48(02):105-107+121.

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