混凝土作为一种最重要、用量最大的工程材料，广泛应用于核电站安全壳结构中，如何将无损检测技术应用于混凝土材料是人们不断探索的议题。郑砚国等在2009 年发表了核电站预应力混凝土安全壳的老化因素研究.随着我国核电站的兴建，安全壳的防腐检测技术被提上日程，至于如何测定核电站安全壳体混凝土及其钢衬的腐蚀性能，还处于探索阶段。笔者通过对钢衬腐蚀进行探地雷达检测，证明了该方法的可行性。

    １ 腐蚀诊断监测技术

    自从我国1991 年建成秦山核电工程一期，1994年与大亚湾核电站商运以来，曾经用钻探法发现核电站安全壳内部的６mm 厚钢板的内衬部分已经腐蚀生锈，并且厚度只剩下３mm.但截至目前，检测人员尚未利用超声定点测厚、射频（RF）扫查仪或者探地雷达对各个核电站进行过定期或不定期的无损检测，即核电站安全壳内部的腐蚀状况并不明确。

    现今，安全壳结构一般采用目视、敲击检查外，而在建造完成之后如何对其诊断监测却是一大难题。

    探地雷达可以确定金属或非金属管道、及其地下埋件的位置，但是埋地钢板铁锈的成分比较复杂，含有由电解质溶液组成的原电池，其中铁是负极，加速了铁的腐蚀；最主要是吸氧腐蚀，生成的是Fe（OH）３∶Fe２ O３ .x H２ O.在射频（RF）扫查仪（探地雷达）照射（扫查）下，透过混凝土保护层，利用氧化皮层与铁锈层反射率的区别或差异，可以监测出钢衬表面锈蚀状况。实际射频扫查的案例是地下管道[２],微波探地雷达扫查实例如图１ 所示。

    安全壳的微波探地雷达扫查获取数据之后，还要进行自动化处理和图谱生成，且需要注意以下几点：

    （１）各采集数据要和扫查路程或GPS 坐标准确对应，并相互关联融合，以准确地对安全壳的钢衬表面锈蚀状况或病害等进行分析和定位。

    （２）依照《安全壳的钢衬表面锈蚀状况评定标准》的要求，生成符合国家规范的混凝土层厚、破损、病害参数等报表或图谱，并可与核电站在役检查相关软件系统进行无缝对接。

    陆伟东等为了得到混凝土结构的厚度，采用了探地雷达技术进行检测。电磁波在混凝土中传播时，其传播路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电磁属性（介电常数）和几何形态的变化而变化。混凝土结构厚度的雷达检测说明探地雷达的电磁波可以穿透非金属材料。

    ２ 微波探地雷达检测基本原理

    探地雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）技术是近几十年发展起来的一种地下目标的有效探测手段，在国内外已经得到非常广泛的应用。与电阻率法、低频电磁感应法及地震法等常规的地下无损检测方法相比，探地雷达具有检测速度快、检测过程连续、分辨率高、操作方便灵活、检测费用低、检测范围广（能检测金属和非金属）等优点.探地雷达是利用微波反射原理探测各种地下目标的，当波在地下介质中传播时，其路径、电磁场强度及波形随着所通过介质的介电性质而变化；根据接收的雷达信号剖面，利用反射回波的双程走时、幅度、相位等信息，可对地下介质的结构进行描述，从而实现目标物的检测或工程质量的评价。探地雷达的检测原理如图２所示。

    反射信号的幅度强弱与界面反射系数、穿透介质的吸收程度、介质的导磁系数、相对介电常数及电导率有关。由于安全壳内部钢板内衬的腐蚀程度不同，也就是界面反射系数不同，所以，探地雷达反射信号的幅度也会不同。这就是用探地雷达发现安全壳内部钢板内衬腐蚀程度的理论基础。导电介质麦克斯韦第一方程为：

    式中：H 为磁场强度；E 为电场强度；σ 为电导率；ε为介电常数；ε０ 为自由空间介电常数；ε′为以电磁场形式储存的势能；ε″为损耗因子；ω 为角频率；a 为衰减常数；γ 为常数。

    图 ３ 为ε′r 和σ与ω 的关系曲线。

    如图３ 所示，′ εr 随频率升高而增大，σ 随频率升高而减小。即随着频率升高导电性能变差，当ω → ∞时，σ → ０，这时导体变成了不导电的绝缘体。一般良导体电导率总是实数，近似等于恒定场中的数值：

    如上所述，根据地面接收天线接收到地下反射波的回波特征，钢板完好的电性能与不同锈蚀程度钢板的电性能是有差异的，这样就可判定钢板表面介质的变化情况。这种混凝土下钢板介质层之间存在的电性差异，为探地雷达检测钢板腐蚀情况提供了前提条件。

    ３ 微波探地雷达现场测试

    ３.１ 微波天线选型

    用探地雷达检测安全壳内部钢板内衬的腐蚀程度时，发射和接收天线与混凝土板表面密贴，由探地雷达主机高速发射雷达脉冲，进行快速连续采集。

    （１）微波天线选型针对内衬质量检测的具体情况，主要从分辨率、穿透力和稳定性三个方面综合衡量，选择GC１５００ MHz、GC９００ MHz 和GC４００ MHz天线。

    （２）GC１５００ MHz 屏蔽天线：时窗１０ ns,扫描速度６４ s－１ ,采样点数５１２，滤波选择倒数第三档，道间平均分别为０，５，１０ 次，连续测量方式；GC９００ MHz屏蔽天线：时窗１５ ns,扫描速度６４ s－１ ,采样点数５１２，滤波选择倒数第三档，道间平均分别为０，５，１０次，连续测量方式；GC４００ MHz 屏蔽天线：时窗３０ ns,扫描速度６４ s－１ ,采样点数５１２，滤波选择倒数第三档，道间平均分别为０，５，１０ 次，连续测量方式（道间平均是指GPR 主机在开始接收到天线信号到结束所花费时间的平均值）。

    ３.２ 操作程序

    （１）选择一个试验场地，尽量减少周围设施对检测设备的一切干扰因素，在适当位置竖立放置被测钢板。

    （２）钢板放在混凝土块或普通墙壁后面，在其前方放置探地雷达发射天线和接收天线，并且测定准确间距。

    （３）观测主机设备显示，记录电波通过混凝土块或普通墙壁后遇钢板反射的信号波形。

    ３.３ 测线的布置

    由于工作面较小，故采用定点连续测量方式进行数据采集。混凝土块结构俯视图见图４，虚线框内为天线放置区域。

    编号分别为１，２，３ 的不生锈钢板、生锈钢板、被腐蚀钢板的实物如图５ 所示。其中１ 号板为完好无损钢板，２ 号板为水中弱蚀生锈钢板，３ 号板为强酸腐蚀钢板。混凝土板的厚度为２０ cm,墙体厚度为４０ cm.

    ４ 微波探地雷达检测结果

    GC１５００ MHz,GC９００ MHz,GC４００ MHz 屏蔽天线采集界面如图６ 所示。

    微波频率1500 MHz 检测结果如图７ 所示。

    微波频率900 MHz 检测结果如图８ 所示。

    图７~９ 中柱状图中的横坐标１，２，３ 分别代表１ 号钢板、２ 号钢板、３ 号钢板，混凝土的厚度为20cm,纵坐标为钢板表层位置反射波振幅最大值与直达波振幅最大值的比值，墙体的厚度统一为40cm.

    微波频率400MHz 检测结果如图９ 所示。

    采用微波频率为1500 MHz,道间平均为５ 和１０ 时，柱状图呈现出的规律性很好。１ 号柱状图是高、２ 号柱状图是中、３ 号柱状图是低；采用微波频率900 MHz,隔墙体时，柱状图呈现的规律性很好，１号柱状图是低、２ 号柱状图是中、３ 号柱状图是高；但是隔混凝土板时，该频率柱状图呈现出的规律性略差。

    采用微波频率400MHz 时，１ 号柱状图是中、２号柱状图是高、３ 号柱状图是低。隔墙体时，有规律；但是隔混凝土板时，此频率柱状图呈现的规律性也差。

    综上所述，隔着不同厚度的混凝土，需要不同频率的天线相匹配，以上图谱中２００ mm 厚的混凝土在１ ５００ MHz 天线探测时呈现较好的规律性，４０ mm厚的墙体在９００ MHz 天线探测时，呈现较好的规律性。虽然有干扰信号，并且柱状图形状、高度不同是因为频率不同而造成的，但是总体趋势都是有规律可循的，反映出不同锈蚀钢板的差异性。说明现场探地雷达扫描达到预期目的。

    混凝土钢内衬安全壳在微波探地雷达照射下，透过混凝土保护层，利用氧化皮与铁锈状态反射率的区别，就可监测出钢板表面锈蚀状况及其程度。

    其检测理论是根据反射率与介电常数的不同。建议５a 或1０ a 用RF/UHF（射频/超高频）扫查进行一次非剔凿法（非破坏的方法）验证，做安全壳的“体检”普查。根据RF/UHF 可视图像与腐蚀程度之间的图谱关系，以无损的手段，可检测出钢内衬的实际腐蚀程度.

    ５ 结语

    通过雷达数据采集和分析，可见反射层位振幅最大值与直达波振幅最大值的比值，会随着安全壳钢板腐蚀程度的变化发生变化。实际检测到的差异，就是３ 块钢板各自的电磁波反射率不同。试验证明了采用探地雷达射频技术来定期检查核电站安全壳的钢衬腐蚀程序是可行的。同核电站业主协商，可以５ a 或１０ a 进行一次类似的核电站安全壳全面的“体检”。

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责任编辑：王元

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