徐 忠，吳凌云，王海濤，鄭 凱，樊明亮，錢王潔，劉向兵

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢測(cè)研究院，南京210036；2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京210016；3.蘇州熱工研究院壽命管理中心，蘇州215004）

基于低碳經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求，核電工業(yè)開始加速發(fā)展。于是在役核電站長期運(yùn)行的安全性和可靠性顯得尤為重要［1］，特別是核反應(yīng)堆壓力容器（RPV）的完整性，關(guān)乎到整個(gè)核電站的安全和經(jīng)濟(jì)。RPV 是核電站特別重要的設(shè)備且不可更換，是核電站的第一道保護(hù)屏障，決定了整個(gè)核電站的壽命。RPV 的服役環(huán)境相當(dāng)惡劣，除了要經(jīng)受高溫、高壓、腐蝕和流體沖擊等惡劣環(huán)境的影響，還要經(jīng)受快中子的輻照轟擊，這些都會(huì)加速RPV 的老化，縮短核電站的壽命。其中，快中子引起的輻照脆化是影響核電站壽命的主要因素［2］。RPV 用鋼受到快中子輻照后會(huì)增大脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，而材料的脆性斷裂又是RPV 安全的最大威脅，因而使其成為研究重點(diǎn)。為了預(yù)防RPV 用鋼的脆性斷裂，必須對(duì)RPV 用鋼的輻照脆化進(jìn)行評(píng)估。

目前核電站對(duì)RPV 用鋼的輻照脆化檢測(cè)大多采用有損的檢測(cè)方法。例如對(duì)反應(yīng)堆壓力容器的輻照脆化監(jiān)督，國內(nèi)外均通過監(jiān)督試樣的輻照曲線來實(shí)現(xiàn)，火電站主蒸汽管道壽命預(yù)測(cè)使用的是持久強(qiáng)度外推法。然而，以上檢測(cè)方法都有明顯的局限性，首先它們都需要現(xiàn)場檢測(cè)，并且不能夠持續(xù)在線監(jiān)測(cè)；其次是研究周期長，成本高；最重要的還是不安全。因此，開發(fā)一種無損檢測(cè)方法對(duì)RPV 的輻照脆化進(jìn)行評(píng)估成了當(dāng)務(wù)之急。

RPV 的輻照脆化與材料的微觀結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系［3］，而巴克豪森噪聲信號(hào)對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)變化非常敏感，國外很多學(xué)者采用巴克豪森噪聲檢測(cè)方法對(duì)RPV 用鋼的輻照脆化進(jìn)行研究［4－6］。國內(nèi)目前并沒有將巴克豪森噪聲檢測(cè)方法應(yīng)用到RPV用鋼的輻照脆化檢測(cè)中去。除此之外，采用巴克豪森噪聲檢測(cè)方法對(duì)RPV 用鋼進(jìn)行輻照脆化檢測(cè)遇到的另一個(gè)難題就是試樣的輻射性。為了避免試樣對(duì)試驗(yàn)人員造成輻射傷害，采用帶電粒子輻照試樣來模擬真實(shí)環(huán)境下的輻照脆化。為了使帶電粒子輻照均勻，試驗(yàn)采用小尺寸的試樣，而傳統(tǒng)的巴克豪森噪聲檢測(cè)方法很難檢測(cè)小尺寸的試樣。筆者設(shè)計(jì)了針對(duì)小尺寸試樣的檢測(cè)裝置，利用Ansoft軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，驗(yàn)證小型磁化裝置是否可行。

1 有限元仿真原理

Ansoft以Maxwell方程組作為電磁分析的出發(fā)點(diǎn)［7］，式（1）～（4）是Maxwell方程組的微分形式。有限元方法是為了對(duì)一些工程問題求得近似解的一種數(shù)值分析方法，有限元方法［8］就是利用變分原理和加權(quán)原理，將偏微分方程表征的連續(xù)函數(shù)的封閉場域劃分為許多個(gè)區(qū)域，對(duì)微分形式的方程進(jìn)行離散化，導(dǎo)出一個(gè)代數(shù)方程組。

電磁場分析［9］有限元的過程主要包括模型建立、材料屬性定義、邊界條件的添加、激勵(lì)的添加、網(wǎng)格的劃分和計(jì)算求解。其中材料屬性、邊界條件和計(jì)算求解［10］這幾步尤為重要。度；H為磁場強(qiáng)度；D為電通量。

在巴克豪森噪聲檢測(cè)裝置有限元仿真中，利用檢測(cè)裝置的周圍磁場變化和檢測(cè)線圈中電壓的變化來研究檢測(cè)裝置對(duì)巴克豪森噪聲信號(hào)的影響。巴克豪森噪聲檢測(cè)有限元分析主要用到式（1）和（2），巴克豪森檢測(cè)的激勵(lì)線圈就是利用一個(gè)變化的電場來產(chǎn)生一個(gè)磁場，磁場將試樣磁化之后，放置在試件正中間的檢測(cè)線圈，可以檢測(cè)到磁場的變化，再利用變化的磁場產(chǎn)生電場，最后檢測(cè)信號(hào)以電壓的形式輸出。若試件存在應(yīng)力或缺陷，其磁特性會(huì)發(fā)生一定的變化。在外磁場作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之變化。利用Ansoft有限元分析軟件可以觀察到檢測(cè)線圈和磁化裝置中磁場的變化。

2 仿真模型的建立

根據(jù)巴克豪森噪聲檢測(cè)系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置建立了有限元仿真模型。模型建立的主要步驟包括幾何形狀的繪制、材料屬性的定義和邊界條件的選取。模型由U 型磁軛、激勵(lì)線圈、試件和檢測(cè)線圈組成。為了更真實(shí)地仿真巴克豪森噪聲檢測(cè)，材料性質(zhì)要與真實(shí)環(huán)境下的材料一致或相近，將邊界條件內(nèi)空隙設(shè)置為空氣，檢測(cè)線圈與試件間設(shè)置一定的提離值。模型如圖1 所示，材料參數(shù)為：銅激勵(lì)線圈為450匝，激勵(lì)電壓為32×sin（20πt），銅檢測(cè)線圈600匝，磁軛為90 mm×130 mm 的鐵氧體，RPV 試樣為16mm×16mm×1mm的Steel＿1008，求解邊界為空氣（氣球邊界）。

圖1 仿真模型

3 仿真結(jié)果及其分析

式中：J為傳導(dǎo)電流密度；?D／?t為位移電流密度；ρ為自由電荷體密度；E為電場強(qiáng)度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)

3.1 檢測(cè)裝置上的磁場分布

在正弦電壓信號(hào)32×sin（20πt）激勵(lì)下，檢測(cè)裝置達(dá)到了被磁化的效果，如圖2所示。從圖2（a）可看出，試件被磁化的效果相當(dāng)好，但在U 型磁軛和試件接觸的地方磁場環(huán)境相當(dāng)惡劣，這對(duì)檢測(cè)線圈的影響非常大。從圖2（b）可以看出，檢測(cè)線圈周圍布滿了干擾磁場，加了純鐵屏蔽罩之后，外界磁場干擾被屏蔽在外面，大大減小了外界磁場干擾對(duì)檢測(cè)線圈的影響。

圖2 磁力線和磁場分布云圖

3.2 檢測(cè)線圈放置位置對(duì)有限元分析的影響

為了達(dá)到磁化小型試件的目的，U 型磁軛兩腳的內(nèi)距為12mm，外距設(shè)計(jì)為40mm。為了有效地仿真檢測(cè)線圈放置位置對(duì)巴克豪森噪聲信號(hào)的影響，在距離試件上表面0.5 mm 的位置放置一條12mm的線段，用線段仿真檢測(cè)線圈的移動(dòng)，分析檢測(cè)線圈的位置對(duì)磁場的影響。

查看線段路徑上的磁場變化圖像，如圖3所示。從圖3可以看出磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁軛兩腳處磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，遠(yuǎn)離磁軛兩腳磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)先減小后增大，最后在中間出現(xiàn)一個(gè)尖谷的規(guī)律，主要原因是隨著遠(yuǎn)離磁軛兩腳，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，出現(xiàn)峰峰和峰谷，是由于磁場的疊加造成的。從圖2也可以看出，磁軛兩腳間距太小，磁軛兩腳之間的磁場干擾相當(dāng)嚴(yán)重，這就需要檢測(cè)線圈的屏蔽性能非常好。

圖3 檢測(cè)線圈位置與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

3.3 檢測(cè)線圈的提離值對(duì)有限元分析的影響

檢測(cè)線圈的提離值是影響巴克豪森噪聲檢測(cè)的一個(gè)重要因素，圖4是不同提離值下的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況示意圖，不同提離值下磁感應(yīng)強(qiáng)度的差別是較大的。圖5是根據(jù)圖4的結(jié)果繪制出來的曲線。

圖4 不同提離值下磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線

從圖5可以看出，隨著提離值的增加，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度先增大后減小。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的主要原因可能是磁軛兩腳之間距離太小，進(jìn)入檢測(cè)線圈磁感線太少，磁感應(yīng)強(qiáng)度不是很大；隨著提離值的增加，進(jìn)入檢測(cè)線圈的磁感線增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，隨著提離值再次增大，進(jìn)入檢測(cè)線圈的磁感線減少，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。從檢測(cè)線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化可以說明提離值對(duì)巴克豪森噪聲檢測(cè)的影響。

圖5 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度隨檢測(cè)線圈提離值的變化

4 結(jié)論

利用Ansoft有限元分析軟件對(duì)RPV 輻照脆化檢測(cè)裝置可行性進(jìn)行仿真分析。主要針對(duì)裝置周圍磁場分布情況進(jìn)行了分析，得出了小型檢測(cè)裝置可以達(dá)到磁化試件效果的結(jié)論；在路徑上查看了磁場的變化情況，得出了磁感應(yīng)強(qiáng)度隨檢測(cè)線圈位置的變化關(guān)系和提離值隨檢測(cè)線圈的變化關(guān)系。這些仿真結(jié)果可以為RPV 輻照脆化檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)RPV 輻照脆化檢測(cè)準(zhǔn)確性有重要的意義。

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