导行波检测新技术专题（一）——导行波检测技术综述

周 宇，周在杞

（1.苏州阿尔斯通高压电气开关有限公司，苏州 215129；2.苏州热工研究院有限公司，苏州 215004）

目前我国核电站现行蒸发器管件在役检查是采用涡流检测技术，在国外还推出了远场涡流用于在役检查，并设计了SG管四脚步行机器人系统。而导行波检测技术具有非接触、非破坏、非电量和非污染应用的特点，与被检对象不需直接接触，可离开一定距离或插入间隙进行扫查，不需要耦合剂。因为可以通过空气来实现有效的耦合或匹配，所以可避免耦合剂污染管件。

导行波检测（Guided Traveling Wave Testing缩写为GT）新技术，从理论探索到探头仪器研制走过了一段路程。GT在管件可用性试验验证方面，近几年也取得了重大的突破。在实际应用时只要将专用的导行波探头放置或插入被检测管件的管口即可，因此管道、管线、管排、管束的被检测端需要有一个露出的开口，从而便于导行波检测。

1 导行波检测技术的工作原理

1.1 导行波的概念

由传输线引导的，能沿一定方向传播的电磁波称为“导行波”。电磁导行波的电场E或磁场H都是x、y、z三个方向的函数。导行波可分成三种类型。

1.1.1 横电磁波（TEM波）

TEM波的电场E和磁场H均无纵向分量。电场E和磁场H都是纯横向的。TEM波沿传输方向的分量为零，所以TEM波是无法在传输波导中传播的。

1.1.2 横电波（TE波）

TE波即是横电波或称为“磁波”（H波），其特征是电场E是纯横向的，而磁场H则具有纵向分量。TE波为“色散波”。

1.1.3 横磁波（TM波）

TM波即是横磁波或称为“电波”（E波），其特征是磁场H是纯横向的，而电场E则具有纵向分量。TM波也是“色散波”。

1.2 色散波的特点

由于TE波及TM波与TEM波的性质或特征不同。色散波就有其自身的特点。

1.2.1 临界波长λc

在传输波导中传播的色散波，都有一定的“临界波长”。只有当自由空间的波长λ0小于临界波长λc时，电磁波才能在传输线波导中得到传播。当k2＝时，β2＝k2－＝0，β＝0。故沿z方向各点场的振幅、相位相同，即沿z方向没有波的传播；这种状态称为临界状态，kc称为临界波数或本征值。临界波长为

1.2.2 波导波长λg和相速vp、群速vg

色散波的传输波导波长用λg表示。传输波导内由入射波与反射波叠加而成的合成波，其相平面传播的速度称为相速vp。电磁能量沿传输波导纵向传播的速度则称为群速vg。因为传输波导中电磁导行波是成“之”字形并以光速传播的，所以，传输波导波长λg将大于自由空间的波长λ0。同时，相速vp也大于光速c。

1.3 腐蚀减薄的检测原理

导行波传播特性与均匀平面波相同，真空中相速与群速相等为空间光速，与频率无关。其波长等于空间波长，与频率成反比。此时这种导行波既无纵向电场也无纵向磁场。

设沿管（类如传热管）的纵轴方向定为z轴或纵向；与z轴垂直的方向称为横向。若令一根传热管作为一个圆柱谐振腔，其腔体z轴或纵向与谐振频率或谐振波长无关，而腔体的径向尺寸的变化即腐蚀减薄量则与该腔体内的射频电磁波谐振频率或谐振波长有关。在圆柱谐振腔中，当2.1R大于1时，主模为TM010，当2.1R小于1时，主模为TE111。同轴谐振腔中主模为TEM模。对于由两端短路或开路的金属管圆柱谐振腔，其谐振条件的数学表达式为l＝nλx／2；对于由一端短路，另一端开路的金属管构成的谐振腔，其谐振条件的数学表达式为

式中：l为圆柱电磁谐振腔径向尺寸；λx为谐振波长。

公式（2）表示金属管的径向尺寸l（2R）与谐振波长λx或相应的谐振频率ωx是函数关系。谐振频率与减薄量的关系可用各类材料的金属管（铜、钛、不锈钢）进行定量试验来确认。

1.4 不连续点的检测原理

依据经典传输线理论，在导行波的传输通道上必须保证其结构完整性和内壁均匀连续性，否则就会产生衰减损耗及反射现象。如若金属管内壁存在结构不完整性和不连续性，则它将遵循传输线经典理论的反相关性原理或反问题求解的规律。

假设横截面的形状、尺寸、材料性质都不随z变化，即沿纵向是均匀的。则：

式中：Z1、Z2为波幅；β为导行波的相移常数；令k为常数，则k2＝β2＋。

公式（3）描写了电磁导行波（简称导行波）的传播特性，kc决定在均匀传输线导行波系统中可以传播的模式或场型。均匀媒质中k与频率成正比，即

式中：μ为磁导率；ε为介电常数；ω为角频率。

如果导行波的不连续反射点是通过时域测量的，则需要进行富利叶变换［1］，见公式（4）。

式中：t为从任意选择的参考面x0到要探测的那一点x再返回，以相速v行程的时间。

若加于电桥的两个信号为e－j2πxs和f（x），则在加、减这两信号之后，以平方律检波，由差分放大器差分，再由后一级积分，能得到4∫f（x）e－j2πxsdx，即f（x）的富利叶变换，或即F（s），这就是将频域变换为时域显示的基本工作原理。

2 导行波检测技术研究现状

2.1 源自低频行波故障测距

行波（Traveling Wave）是指某一物理量的空间分布形态随着时间的推移振幅不变的情况下向一定的方向行进（不断向前推进）所形成、传播方向为无限的波动。电力线路在输送电能时是以电磁波的形式传播的行波，在忽略电阻和电导的情况下，其线性行波的传播速度为v＝1／sqrt（LC）；将线路的电感和电容代入后，可以发现架空线路的行波传播速度接近于光速，即v≈3×105km／s。行波波长是指行波相位差正好等于2π的两点之间的距离。

低频行波作为检测手段应用研究的案例就是传输线路故障定位。对于通过超高速数据采集系统得到的“瞬时性可恢复接地故障”数据，其暂态过程特性，也包含有“瞬时性可恢复接地故障”的行波过程信息，利用该行波故障测距技术，可以检测线路故障点的距离。在故障预警的同时，通过行波测距自动算法，就能明确指示故障点距离。采用单端行波原理，将线路故障后在检测端（装置安装端）测量点提取的第1个正向行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延，计算始端测量点到故障点之间的距离。于是提出了新的GT法构想。

2.2 导行波检测技术研究进程

研究GT目的在于开发一种部分替代涡流检测技术的电磁导行波传热管检测新技术。将导行波检测技术应用于蒸汽发生器传热管，尤其是第四代核电高温气冷堆蒸发器螺旋盘式传热管，在检测方便度的前提下，导行波检测技术将比传统的涡流检测技术具有更大的优势，传统的涡流BOBBIN探头检测一根传热管的平均时间（从探头进入传热管到回拉记录数据完毕）大约为几分钟，而完成相同的工作，导行波检测只需1s。对于核岛役前及在役检查计划中总数几千根的传热管而言，为业主节省的停堆换料检修工期将是相当可观的，且导行波检测技术将来可以应用分功器或电子开关，更易开发双探头甚至是多探头系列，完成螺旋盘式传热管在役检查的工作，其潜在的经济效益必将十分巨大。

利用射频的导行波检测GT技术作为一种新的手段，为了解决金属管件的内壁不连续点的定位问题，自2002年率先提出了新的GT法构想后，一直试图寻找机会证实其可行性。GT作为一项新的管件内壁缺陷检测定位方法。该定位法利用了有源射频信号作为携带缺陷信息载体，用导行波传感器作为缺陷目标的能量交换的探头，即可将缺陷信息在发射域内，由接收器按其锁定目标，通过对矢量进行时域反射相关分析，来实现对缺陷目标的检测定位。因此，它能使接收到的缺陷目标（不连续点、腐蚀）在同一发射域内，选择、跟踪不同的缺陷目标，又不存在所发现缺陷目标的显示失真的问题。

在2003年NDT第八届年会暨国际研讨会期间，拟采用“非典思维”提升NDT新技术水平，笔者将导行波检测即用导行波检测金属管的构想，向业内专家介绍，也向华裔学者宣传，盼加以验证。到2004年率先发表《导行波时域反射法用于管道高速检测的研究》的论文［1］，还专门对截止波长（不同管径对应不同频率）进行了计算。但只仅仅引起华中科大武新军教授的兴趣，却多年来没有得到专业人士应有的反响。经多年理论探索，都冀望尽可能与业内人士分享。在西安召开的第十一届NDT新技术学术研讨会上，“基于导行波原理的金属管检测方法的设计”主旨报告登场。到2008年证实了GT应用的可行性。其中关键在于系列传感器的设计［2］。

2011年在苏州科技局科研计划项目SG 201135立项后，课题得以启动。随着经费的落实，研究步伐进一步地加快，并且设计完成导行波检测传感器探头。通过联系实际，解决了导行波检测的可用性问题。SG 201135号课题就像是一支有效的催化剂，在夯实理论根基的同时，进行课题攻关，寻觅突破的机会，研究“导行波检测”的适用范围、缺陷类型、管件截面及材料要求等，这些相关的规律性和判据准则，都要探索清楚。

作为科技人员始终恪守经世致用理念，“行是知之始，知是行之成”。在射频导行波应用领域，传输线中存在行波，遵循经典电磁场基本理论。传感器从同轴线型、法兰连接型到对口插入型，终于完成设计并获得成功应用。寻觅适用示波器，从频谱分析仪、阶跃脉冲示波器到时域反射计，最后如愿以偿。利用管件中传播的导行波作反问题求解，可以实行“超级眼”检查。只是在金属管件的另一端需要短路或开路，使导行波得以返回被接收，不仅频域可测管壁减薄，而且能获取不连续点的信息，通过时域得以距离定位。2012年12月12日，经国内无损检测界业内权威专家的严格评审鉴定，该项技术已居国际领先水平。

3 导行波检测技术可用性试验验证

3.1 冷凝器管腐蚀结垢检测

在完成导行波检测试验研究之后，对冷凝器热交换管进行实地检测。试验以管板内在役热交换管为样本，持续地对若干根热交换管做快速扫查。这种扫查技术具有“四不一没有”的特征：不穿越，不送达，不套圈，不能达和没有耦合剂。相比之下，比涡流和超声检测，扫查速度更快，每管口检查时间可以做到不足1s。

用手持GT探头对准热交换管的管板外侧裸露的管口作有效扫查。随着管口数越来越多，甚至几千根的情况，就要设计机器人操纵的多探头系统。结果表明，管内壁腐蚀结垢状况检测信号如图1，2所示。没有腐蚀结垢的新管扫查结果曲线相对较为平坦，如图3所示。

图1 冷凝器管端口短路时腐蚀结垢的扫描线

图2 冷凝器管端口开路时腐蚀结垢的扫描线

图3 冷凝器新管无腐蚀结垢的扫查平坦的曲线

3.2 传热管防异物检测

热交换管或其他热力管道、管线、管束的防异物，导行波检测方法有独到之处，见图4、图5、图6和图7。图4为传热管内端口开路φ15mm金属异物距端口50cm。图5为传热管内φ10mm土质异物距始端口30cm。图6为传热管内φ1mm×100mm金属异物距始端口40cm。图7为传热管内φ10mm×20mm沙石胶囊异物端口状态开路相间50cm。

3.3 冷凝器管环形裂缝检测

用GT技术对冷凝器管进行环形裂缝的检测，可以发现开裂0.1mm和0.2mm的不连续裂缝间隙，显然0.2mm反射峰值更高，更容易被发现。图8为φ20mm铜管环缝间隙0.2mm时的反射幅值，相对高些；图9为φ20mm铜管环缝间隙0.1mm时反射幅值相对低些。两者皆为管端开口。

图4 传热管内端口开路φ15mm金属异物反射曲线

图5 传热管φ10mm土质异物反射曲线

图6 传热管中φ1mm×100mm金属异物端口开路反射曲线

图7 传热管内φ10mm×20mm沙石胶囊异物端口开路反射曲线

图8 φ20mm冷凝器管环缝间隙0.2mm时的反射幅值

图9 φ20mm冷凝器管环缝间隙0.1mm时的反射幅值

3.4 传热管腐蚀减薄检测

在腐蚀结垢状况检测之后，利用圆柱谐振腔原理对腐蚀减薄冷凝器管内壁进行实物现场检测。将金属管的两端分别接上设计好的传感器和短路器，采用窄带扫频方式，使导行波在金属管中传播，因为另一端口用短路屏蔽，所以，被测金属管就形成一个圆柱形谐振腔体。

通过对螺旋盘管精确的反复试验，结果说明导行波检测方法对于传热管壁减薄较为敏感，见图10。图中谐振频率最高线或最靠右的谐振线表示减薄量为3%时的幅频曲线。1号线为减薄量3%，2号线为减薄量5%，3号线为减薄量8%，4号线为减薄量10%，5号线为减薄量20%，6号线为减薄量40%，7号线为减薄量60%，8号线为减薄量80%。

图10 不同壁厚条件下的幅值与频率相互关系

随着壁厚越减薄，频移越向左（低频）偏移。用此方法可测得3%至80%的管壁减薄量，精度在±2mm左右。传热管壁厚度减薄量导行波法测定具体数据见表1。

从金属管道的导行波检测及定量分析结果，图10为不同腐蚀减薄情况下幅值与频率的关系，显示了共振频率与减薄量变化的明显位移关系。以频率响应为手段，不同颜色曲线代表减薄3%～80%的频响。通过试验，为热交换器从管板侧检验管子内壁腐蚀量提供了具体的数据支持。因此，可以确定它在检测热交换器、蒸发器管内壁腐蚀减薄方面能发挥重要作用。

表1 传热管壁厚度减薄量导行波法测定结果

4 结语

导行波检测技术作为一种新的无损检测方法，它已成为我国高温气冷堆蒸发器螺旋盘式传热管的役前和在役检查的一种新的选择。研究成果表明，导行电磁波或电磁导行波可以在铁磁性或非铁磁性金属管线、管排、管束或管道内传播，尤其对防异物的检测效果相当显著，100μm大小的金属丝都无法藏匿，也具有较高的不连续性等缺陷的检测能力。同时，对传热管碰伤管内鼓包的检测结果用涡流检测方法比较，对导行波探测发现的异物，用射线照相、内窥镜检查进行了对照，都证明导行波检测技术在管件检测内突和防异物等方面是相当成功的。

今后工作就是要通过研制的仪器，做进一步深入试验、检验缺陷检测的定量化及缺陷特征与信号研究，通过腐蚀缺陷标定和导行波信号分析对照，完成更大口径的传感器的设计。

并利用HFSS仿真软件优化设计。倘若加上信号及图像处理技术，导行波检测技术的应用范围将更加广泛，应用领域也将更加扩大。

（未完待续）

［1］周在杞.导行波时域反射法用于管道高速检测的研究［C］／／全国第九届无损检测新技术会议论文集。宁波，［出版者不祥］：2004.

［2］周在杞，周宇.基于导行波原理的金属管检测方法的设计［J］.无损检测，2010，32（2）：122－126.