非破壞性檢測-應用電磁超音波探傷儀檢測管路腐蝕狀況

1. 前言

成立於1987年的台積公司，2017年迎來了第一個30年，隨著公司發展持續擴大，除了建造新廠房提升先進製程產能外，運轉已有10年以上的成廠區如何提供工廠穩定、安全的環境提供晶圓代工服務成為了廠務一重要課題，全面翻新專案隨之而生。

翻新專案藉由PM動線改善、閒置設備拆除、照明更新及除鏽油漆等方式，讓成廠廠務區，能有像新廠房般的空間及明亮乾淨的環境，扭轉大家對老廠的既定印象，亦藉此機會提升廠區運轉穩定及安全。

其中管路除鏽的部份，金屬管路因長年使用，可能有砂孔，或是焊道處較嚴重的腐蝕，造成管壁厚度變薄，在磨除鏽斑的同時，偶爾會伴隨著滲漏狀況發生，造成現場做越多漏越大的結果。若能在施工前導入非破壞性檢測，便能夠事前評估管內腐蝕狀況，根據檢測結果討論工法是否恰當、擬定正確的作戰計畫，避免專案成效打折扣。

2. 文獻探討

根據台灣中油公司的統計，民國82年至99年間管線事故共計175件，其中腐蝕洩漏45件，佔比25.7%。舉民國100年7月26於雲林縣麥寮鄉六輕廠區發生的事件為例，因氫氣管線有一鏽蝕穿孔約2mm，引發管路火警波及共同管架，所幸最後無人員傷亡。

台積公司廠區內除了水系統之外，氣化Bulk gas系統亦有使用金屬管，若是管路所在環境位居戶外或是環境中有腐蝕因子等，這些原因都會造成管路使用壽命下降，若有適當的檢測機制，便能提早發現潛在風險。

腐蝕現象大致上能分為八大種類^[5]：

1. 均勻腐蝕 : 金屬暴露於環境造成的大面積腐蝕，如環境中濕氣較重、空氣中含較多氯氣腐蝕管路表面。
2. 電位腐蝕 : 不同金屬相互接觸時，會因活性不同而產生電子轉移，使活性較大的金屬產生明顯腐蝕。
3. 間隙腐蝕 : 同一金屬因幾何不連續或不溶性物質沉積在表面，使各處之環境化學物質濃度不均，造成部分區域優先腐蝕，如隙縫處較表面易腐蝕，是因為隙縫處形成的氧化保護層較薄之緣故。
4. 孔蝕 : 管路製造過程中於表面有缺陷或瑕疵，在輸送含有腐蝕因子(如 : 氯離子)，因缺陷處陽離子(金屬)濃度較高，優先與陰離子鍵結造成腐蝕
5. 晶粒腐蝕 : 因鉻元素添加於金屬中能提升抗腐蝕力，而鉻會和碳結合析出為固體後帶離金屬，造成晶粒介面附近鉻含量不足，逐漸發生腐蝕。
6. 剝離 : 合金中特定金屬因活性較大，優先溶解後留下活性較小之金屬，合金結構被破壞後機械強度降低，造成剝離。
7. 沖蝕腐蝕 : 管路內流體因摩擦力造成金屬表面保護層磨損，進而產生腐蝕。
8. 應力腐蝕 : 金屬結構受應力變形使表面氧化保護層被破壞，使得環境中之腐蝕因子由氧化保護層較不足處開始腐蝕。

目前工業上常使用的非破壞性檢測種類有七種^[6]，分別為：

1. In-line Inspection(管內全檢)
2. Visual Testing(目視檢測)
3. Electromagnetic Acoustic Testing(電磁超音波檢測)
4. PA Ultrasonic Testing(相位陣列超音波)
5. Radiography Testing Profile(輪廓射線照相)
6. Pulsed Eddy Current Testing(脈衝渦電流檢測)
7. Guided Wave Testing(導波管線腐蝕快篩檢測)

考慮到各檢測方式使用儀器的攜帶性、準確性及量測速度，電磁超音波、相位陣列超音波、脈衝渦電流這三種方式較為適合用在廠區環境，而電磁超音波為近幾年較新技術，故選為本篇介紹的非破壞性檢測方式，如 圖2。

3. 研究方法

3.1 研究工具、研究變項之定義與測量

本次介紹的非破壞性檢測技術「電磁超音波檢測」(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)，檢測配置如 圖3，共有磁鐵、線圈、待測物體三樣部件，其原理為：儀器發射端以線圈輸入高頻交流訊號，此時待測物體表面感應出渦電流圖4，並搭配磁鐵提供的外部靜磁場圖5，使待測物體產生羅倫茲力或磁滯伸縮圖6，藉由高頻往復受力產生微振(圖7)，以超音波形式在物體內傳遞。

儀器接收端為同樣架構反向機制：高頻振動傳至儀器接收端下方時，會因為磁鐵提供的外部靜磁場產生出渦電流圖8、圖9，而儀器接收端的線圈會因為渦電流產生感應電流圖10，感應電流最終輸出至儀器被量測出來，進行後續資料處理、分析、解讀。

3.2 資料處理及分析方法

呈上述原理，由發射端發出訊號後，產生超音波於待測物體內傳遞，若途經缺陷便會降低原超音波震幅，並產生缺陷繞射波，與原本的超音波進行干涉圖11。

而不同的管路材質、管壁厚度、腐蝕程度、離距(探頭與管路間隙)及管內流體種類等變因會影響資料的解讀，故在分析訊號資料前，可以無缺陷管路、或是人工缺陷管路測試量測訊號作為震幅基準值(類似標準件概念)及異常訊號範例，以利實際量測時的腐蝕狀況判別。

4. 結果分析

4.1 實驗設計與過程概述

實際進行量測後會發現，接收端會收到兩次訊號，原因為發射端發出訊號後，超音波有兩種傳遞路徑能傳至接收端，稱之為T1及T2圖12。

4.2 實驗數據解析

本次以三種管路特徵作為範例，藉由T1(黃線)及T2(紅線)訊號差異做為量測結果分析。橫軸為EMAT儀器移動距離，縱軸為儀器接收端訊號強度，因T1路徑上有點狀缺陷，超音波經過點蝕區域造成震幅降低，故圖13黃色線中間有一降點。

若為無焊冠焊道，因焊料沿管線原周環繞一圈，EMAT儀器行經該區域時，因焊料與管路材質不同，使超音波傳遞時能量降低造成量測震幅下降，故黃色線及紅色線均發生降點圖14。

第三個範例為EMAT儀器移動路徑上有一插管，此範例與點狀缺陷範例類似不過是發生在T2路徑上，造成紅線訊號中間有一降點圖15。

5. 結論

5.1 研究發現

電磁超音波與傳統超音波檢測技術最明顯的差異處在於，傳統超音波檢測需輔以耦合劑(超音波膏)方能進行檢測，而電磁超音波檢測因無需塗抹耦合劑，在廠務系統這種長距離管線檢測上有極大的優勢。

5.2 研究限制

因EMAT運作原理為利用待測物體之導電性(感應電流)、鐵磁性(靜磁場)交互作用產生體積變化進而分析量測訊號，故檢測對象僅限具導電性或鐵磁性材料，塑材管如PVC、PVDF無法藉由EMAT方法檢測。另外受掃描器構造限制，檢測路徑上不得有彎頭、法蘭及焊冠較突出之焊道，避免探頭損害。

5.3 建議

除了施工前管線檢測，可參考API 570(製程管線檢驗)，訂定管線壁厚檢查週期依管線等級及評估管線剩餘使用壽命。若為新增管線，應於使用初期(試俥後3個月內)執行第一次檢驗，一年後再測一次以計算其腐蝕率，後續之週期可依最大檢查週期與1/2剩餘壽命取小值，或由各單位自行決定。