吳金鋒，孫加偉，汪春曉，呂天明，馬超，寧方卯

(1.中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215026；2.臺(tái)山核電合營有限公司，臺(tái)山529228)

基于FFT的核電站反應(yīng)堆控制棒組件的超聲測厚

吳金鋒1，孫加偉1，汪春曉1，呂天明1，馬超1，寧方卯2

(1.中廣核檢測技術(shù)有限公司，蘇州 215026；2.臺(tái)山核電合營有限公司，臺(tái)山529228)

為了保證核電站反應(yīng)堆控制棒組件的正常使用，采用水浸脈沖反射回波超聲檢測技術(shù)，應(yīng)用FFT(快速傅里葉變換)獲得壁厚信號(hào)的諧振頻率，根據(jù)壁厚信號(hào)的諧振頻率計(jì)算壁厚，從而得到檢測區(qū)域內(nèi)的缺陷信息。在已知壁厚的試驗(yàn)棒上驗(yàn)證這種方法，得到的壁厚數(shù)據(jù)的精度較高，能較好地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆控制棒組件的超聲檢測。

控制棒組件；超聲檢測；快速傅里葉變換

壓水堆核電站反應(yīng)堆控制棒組件(Rod Cluster Control Assembly，簡稱RCCA)通常由多根外包不銹鋼的銀-銦-鎘合金或碳化硼等吸收中子能力較強(qiáng)的棒材組成，其外徑為9.7 mm，壁厚為0.475 mm。RCCA是一種快速控制裂變反應(yīng)的工具，其在正常運(yùn)行時(shí)用于調(diào)節(jié)反應(yīng)堆功率，在事故工況下能快速引入負(fù)反應(yīng)性，使反應(yīng)堆緊急停堆。

RCCA長期處在高溫、高放射性、往復(fù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、金屬材料熱老化、與導(dǎo)向板接觸磨損等工況下，服役期間可能會(huì)出現(xiàn)腫脹、磨損、裂紋等缺陷。從最近二十年的核電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋看，共發(fā)生過7起控制棒落棒的異常事件，引起此類事件的原因有控制棒腫脹、燃料組件變形量偏大等[1]。通過定期對RCCA進(jìn)行超聲檢測，對存在的缺陷進(jìn)行定性和定量評(píng)估，并與歷史檢查數(shù)據(jù)比對，評(píng)測出現(xiàn)腫脹、磨損和裂紋的擴(kuò)展速度和趨勢，可以確定RCCA能否繼續(xù)服役，從而確保核電站的安全運(yùn)行。

利用普通脈沖式超聲回波測厚的方法一般只能測量厚度大于1 mm的部件，而控制棒壁厚不到0.5 mm，超聲檢測時(shí)反射回波混疊在一起，會(huì)造成檢測失敗。目前，提高超聲波測厚準(zhǔn)確度及測量薄試件能力的途徑有兩種：一是研制能產(chǎn)生更窄脈沖的超聲波換能器；二是采用信號(hào)處理方法提取表征厚度的超聲波信息[2]。

江浩等[3]通過改善電路，將測量下限縮小至0.4 mm，并應(yīng)用于現(xiàn)場檢測。戴波等[4]針對管道腐蝕提出了基于快速傅里葉變換的自動(dòng)測厚算法，并用6～25 mm試塊驗(yàn)證了算法的精度。

筆者介紹了快速傅里葉變換在壁厚為0.1～0.5 mm 的薄壁棒材超聲檢測中的應(yīng)用。運(yùn)用快速傅里葉變換處理試驗(yàn)棒超聲波信號(hào)，得到壁厚的諧振頻率再計(jì)算出壁厚，并將此方法推廣到反應(yīng)堆控制棒束的超聲檢測中。

1 快速傅里葉變換

任何形狀的信號(hào)都可以視作無限個(gè)不同頻率的正弦交變信號(hào)的疊加，在數(shù)學(xué)上用傅里葉序列來表述[5]。假設(shè)有一個(gè)周期信號(hào),其周期為T，那么其傅里葉序列為：

(1)

式中：a0、an、bn為傅里葉系數(shù),是各次諧波的頻率。

常規(guī)的超聲檢測信號(hào)一般可認(rèn)為是有限時(shí)間的瞬態(tài)信號(hào)[6]，而對于某一瞬時(shí)信號(hào)，可設(shè)定其周期T趨向無窮大，這時(shí)序列可以寫作：

(2)

這里傅里葉系數(shù)變?yōu)檫B續(xù)的頻率函數(shù)：

(3)

式(3)即是傅里葉變換，其將一個(gè)時(shí)域非周期的連續(xù)信號(hào)，轉(zhuǎn)換為一個(gè)頻域非周期連續(xù)信號(hào)。如果將信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)序列，對照式(3)可得出其離散傅里葉變換(DFT)：

(4)

式中：n、k為序列號(hào)；N為數(shù)字信號(hào)序列的點(diǎn)數(shù)。

進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)DFT變換時(shí)，運(yùn)算工作量非常大，而把整個(gè)序列分解成若干個(gè)較短的序列作DFT計(jì)算，然后把它們合并起來而得到整個(gè)序列的DFT，運(yùn)算速度將得到大幅提高，這就是快速傅里葉變換(FFT)。

通過FFT，可以將超聲信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析，進(jìn)而得到控制棒壁厚的諧振頻率，而壁厚與其諧振頻率的關(guān)系為：

(5)

式中：t為材料的壁厚；v為材料中的聲速；f為材料壁厚的特征頻率。

通過式(5)，可以計(jì)算得到壁厚。

2 控制棒測厚試驗(yàn)

由于RCCA可能出現(xiàn)磨損、腫脹、裂紋等缺陷，采用與控制棒相同的材料做成試驗(yàn)棒，上面刻有不同深度的人工缺陷。幾處人工缺陷處的剩余壁厚分別為T1、T2、T3、T4、T5，其中T1為全壁厚，T2、T3、T4、T5在壁厚方向上基本均勻分布。進(jìn)行FFT變換時(shí)頻率范圍是5～25 MHz，對應(yīng)的壁厚測量范圍是0.102～0.51 mm，此范圍涵蓋了人工缺陷深度。15 MHz 寬頻探頭頻域范圍接近5～25 MHz，因此采用該頻率的探頭對試驗(yàn)棒應(yīng)用快速傅里葉變換計(jì)算出的壁厚加以驗(yàn)證。

2.1 壁厚信息采集

首先，針對正常壁厚T1進(jìn)行正常的超聲采集，得到如圖1所示的A掃信號(hào)。

圖1 壁厚為T1時(shí)的A掃信號(hào)

由于測量的壁厚較小，各次反射回波混疊在一起，造成測量失敗，無法給出厚度值。通過FFT，將這個(gè)時(shí)域的超聲信號(hào)變換到頻域，得到壁厚的諧振頻率如圖2所示。

圖2 壁厚為T1時(shí)的FFT變換

從圖中可讀出壁厚的諧振頻率為5.383 MHz，由式(5)可得到壁厚。再重復(fù)測量三次并計(jì)算壁厚，四次計(jì)算結(jié)果均與實(shí)際值相差不大。

然后，對其余壁厚的A掃信號(hào)分別作FFT變換，得到各個(gè)壁厚的諧振頻率如圖3～6所示。

圖3 T2壁厚的A掃信號(hào)及其FFT變換

圖4 T3壁厚的A掃信號(hào)及其FFT變換

圖5 T4壁厚的A掃信號(hào)及其FFT變換

圖6 T5壁厚的A掃信號(hào)及其FFT變換

從圖3～6中得到各個(gè)壁厚的諧振頻率分別為24.821，15.102，8.672，7.327 MHz，分別計(jì)算出厚度，并重復(fù)以上步驟各三次。

2.2 壁厚分析

經(jīng)FFT得到諧振頻率，由式(5)計(jì)算出來的各個(gè)壁厚與實(shí)際壁厚偏差見表1。

由表1可見，應(yīng)用FFT計(jì)算得到的壁厚與實(shí)際壁誤差均在0.005 mm以內(nèi)，且離散程度較小，數(shù)據(jù)可信，能滿足RCCA超聲檢測的需求。

表1 壁厚測量值與實(shí)際值的偏差 mm

3 討論

中等壁厚的管材或空心棒材，可通過測量其壁厚來判斷是否存在較大的腐蝕和磨損，而利用FFT的超聲檢測可以測量薄壁管材或空心棒材的腐蝕和磨損情況。

在進(jìn)行大壁厚壓力容器的焊縫超聲波檢測時(shí)，0°探頭除了檢測整個(gè)焊縫區(qū)域和相近的基體金屬區(qū)域的缺陷外，還可用來監(jiān)測壁厚。而通過回波信號(hào)的波形特征分析得到的壁厚顯然誤差偏大。如果能將0°探頭的超聲回波信號(hào)進(jìn)行FFT，再加以簡單地運(yùn)算即可獲得壁厚，從而使得結(jié)果更加精確。

4 結(jié)語

介紹了FFT在薄壁棒材超聲檢測技術(shù)中的應(yīng)用，計(jì)算壁厚的重點(diǎn)在于通過FFT將時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，獲得壁厚的諧振頻率。該法很好地彌補(bǔ)了常規(guī)超聲回波測量壁厚的不足。如果將相應(yīng)技術(shù)成功應(yīng)用于核電現(xiàn)場，可完成核電站控制棒關(guān)鍵部件的零點(diǎn)建立和大修的在役檢查，確保國內(nèi)核電站安全、可靠地運(yùn)行，并在一定程度上有效減少操作風(fēng)險(xiǎn)及大修檢查時(shí)間。

[1] 周紅，肖志，陶書生，等.運(yùn)行核電廠控制棒組件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)異常事件的經(jīng)驗(yàn)反饋[J].核安全，2013(1)：19-22，35.

[2] 劉鎮(zhèn)清，王路.脈沖超聲波幅度譜測厚技術(shù)[J].計(jì)量技術(shù)，1999(5):6-8.

[3] 江浩，劉京州.精密小口徑管高精度超聲自動(dòng)測厚 [J].無損檢測，1999，21(1):21-23.

[4] 戴波，馬明璐.管道腐蝕超聲波內(nèi)檢測管壁自動(dòng)測厚算法[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63(9):2980-2990.

[5] FITTING D W，ADLER L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation[M].New York and London: Plenum Press,1981.

[6] 劉鎮(zhèn)清,陳廣.超聲無損檢測中的譜分析技術(shù)[J].無損檢測，2001，23(2)：85-88.

Ultrasonic Inspection of Rod Cluster Control Assembly of Nuclear Power Plant Based on FFT

WU Jin-feng1,SUN Jia-wei1, WANG Chun-xiao1, Lü Tian-ming1, MA Chao1, NING Fang-mao2

(1.CGN Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215026, China; 2.Taishan Nuclear Power Joint Venture Co.,Ltd., Taishan 529228,China)

It was necessary to detect the defects of Rod Cluster Control Assembly used in nuclear power plant reactor for its normal operation. The immersion pulse-echo technique was applied, from which the resonance frequency of the UT signal was obtained by performing FFT. After that, the defects information within the area of inspection can be analyzed from the UT signal. The method was validated on a calibration block whose thickness was known. The accuracy was high and the uncertainty was within the allowable range. With the help of this method, the ultrasonic inspection for Rod Cluster Control Assembly can be realized well.

Rod cluster control assembly; Ultrasonic inspection; FFT

2016-07-10

吳金鋒(1989-),男，本科，助理工程師，主要從事核電站超聲無損檢測工作。

吳金鋒，E-mail: wu-jinfeng@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201703010

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0040-04