韓捷 祁攀 姜婷婷 高厚秀 王波 辛露

【摘 要】本研究是使用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)被檢管材及存在的缺陷進(jìn)行數(shù)值建模，模擬渦流場(chǎng)對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行渦流檢測(cè)的理論研究。目的在于測(cè)試在蒸汽發(fā)生器傳熱管探傷中使用不同頻率對(duì)渦流檢測(cè)缺陷判識(shí)時(shí)某些因素的影響；主要是研究針對(duì)于同一缺陷在使用不同頻率時(shí)對(duì)缺陷信號(hào)響應(yīng)幅值及相位的影響，并結(jié)合工程實(shí)際，找出適合對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析的最佳頻率范圍。

【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬；渦流檢驗(yàn)；缺陷判識(shí)

中圖分類號(hào)： TH878 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）24-0009-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.004

【Abstract】This research uses numerical software to model the tube and the existing defects， and simulate the theoretical study of eddy current field testing . The purpose of this study is to test the influence of different frequencies on the detection in the detection of steam generator heat transfer pipe. The main purpose is to study the effect of the same defect on the amplitude and phase of the response to the defect signal at different frequencies， and to find out the optimal frequency range for quantitative analysis of defects with the engineering practice.

【Key words】Numerical simulation； Eddy current testing； Defect identification

0 引言

蒸汽發(fā)生器傳熱管是壓水堆核電機(jī)組一回路承壓邊界的重要組成部分，因此傳熱管的完整性對(duì)于評(píng)價(jià)核電站安全運(yùn)行至關(guān)重要，目前主要使用渦流檢測(cè)的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是在目前渦流數(shù)據(jù)分析中，遇到不少對(duì)傳熱管多缺陷響應(yīng)信號(hào)判識(shí)的疑難問(wèn)題，特別是傳統(tǒng)上對(duì)渦流判傷的影響研究主要采用以下2種方式：（1）制造大量試驗(yàn)管，通過(guò)采集分析統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行影響研究；（2）確定管子實(shí)際缺陷，對(duì)管子缺陷進(jìn)行解剖測(cè)量，并用統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估渦流檢測(cè)的判傷影響。由于前者的試驗(yàn)管加工與計(jì)量的偏差對(duì)可靠性分析造成了一定的難度和成本的增加；后者則由于實(shí)際缺陷的偶然性，采樣不夠完整全面，其結(jié)果并不具有普遍性[1]。

在此，采用數(shù)值計(jì)算方法作為渦流判傷相關(guān)影響因素研究的主要手段，以我所研發(fā)的數(shù)值計(jì)算模擬軟件作為計(jì)算輔助平臺(tái)，模擬實(shí)際檢測(cè)條件進(jìn)行分析，能方便、迅速地得到檢測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)量或計(jì)算已知缺陷產(chǎn)生的阻抗信號(hào)；同時(shí)可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的定性研究和對(duì)渦流定量檢測(cè)的可靠性分析，在較大程度上彌補(bǔ)試驗(yàn)方法的不足。

1 缺陷電磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

1.1 問(wèn)題定義

對(duì)于非鐵磁性材料，μ≈μ0=4π×107H/m。因此本實(shí)驗(yàn)中可選擇的頻率比f(wàn)/fg應(yīng)小于1331/25.9≈51，此值與理論區(qū)間值0～50符合；根據(jù)上述結(jié)論在本試驗(yàn)中，主要選擇10～800Khz頻率區(qū)間作為頻率變化的范圍來(lái)對(duì)具體對(duì)象進(jìn)行分析研究，可以滿足渦流有效透入深度的前提條件。

2 試驗(yàn)過(guò)程及計(jì)算結(jié)果

渦流檢測(cè)二維模型為保持缺陷大小不變，改變?cè)囼?yàn)頻率f，取10Khz下通孔缺陷的信號(hào)相位響應(yīng)角為40°時(shí)的旋度24°為基準(zhǔn)旋度，求得f值從10～800Khz、通孔直徑從0.2～1.5mm由小到大依次改變時(shí)缺陷響應(yīng)信號(hào)的幅值及相位。

歸納統(tǒng)計(jì)以上各組計(jì)算結(jié)果，再由此得出頻率幅值相位的關(guān)系曲線，在此，由下式計(jì)算不同直徑情況下通孔缺陷響應(yīng)信號(hào)穩(wěn)定值與最大值之間的偏差范圍：

由此求得：

分析可得：隨著試驗(yàn)頻率的逐漸增加，缺陷的相位在頻率處于10～400Khz的情況下時(shí)也逐漸增加，并均在400或550Khz時(shí)得到缺陷響應(yīng)的相位最大值，隨后缺陷相位值較最大值略微減?。?lt;4%），但也處于可接受范圍，故可歸納為缺陷響應(yīng)信號(hào)相位值在試驗(yàn)頻率增大到一定值（本實(shí)驗(yàn)中為400～550Khz之間）后會(huì)趨于穩(wěn)定，此時(shí)通過(guò)相位判傷曲線對(duì)缺陷深度進(jìn)行定量分析時(shí)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

另外計(jì)算得知，隨著缺陷直徑的增加，相位最大值與穩(wěn)定值的偏差范圍越來(lái)越小，即缺陷越大，檢測(cè)可靠性越高，這和實(shí)際規(guī)律是吻合的；另一方面，在同一頻率下，不同直徑的缺陷相位的絕對(duì)變化量在10Khz時(shí)最?。?°），在400Khz時(shí)最大（19°），因此可得在使用后者頻率時(shí)，對(duì)缺陷的尺寸變化更為靈敏。結(jié)合工程實(shí)際，在針對(duì)一處疑似通孔缺陷進(jìn)行分析時(shí)，使用400～550 Khz之間頻率對(duì)缺陷相位的檢測(cè)靈敏度更高。

同以上過(guò)程，分別計(jì)算求得不同深度外缺陷和內(nèi)缺陷在不同頻率下的變化規(guī)律。

3 小結(jié)

由以上數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)以及各部分對(duì)數(shù)據(jù)的分析小結(jié)歸納總結(jié)可得：

1）針對(duì)不同深度的外壁缺陷，不同檢測(cè)頻率下缺陷響應(yīng)信號(hào)的幅值變化規(guī)律存在兩種不同的變化關(guān)系，而這種變化關(guān)系的不同是根據(jù)缺陷達(dá)到一定深度值來(lái)進(jìn)行分段區(qū)分，由此來(lái)根據(jù)不同的頻率選擇方法來(lái)選擇合適的檢測(cè)頻率。具體在本數(shù)值計(jì)算實(shí)驗(yàn)中所區(qū)分的情形為：

（1）對(duì)于傷深小于等于60%壁厚的外缺陷，隨著檢測(cè)頻率的增加缺陷響應(yīng)幅值先達(dá)到一個(gè)最大值，而后緩慢減??；此時(shí)存在一個(gè)最佳的檢測(cè)頻率，使得對(duì)缺陷響應(yīng)信號(hào)的靈敏度最大。而這個(gè)最佳檢測(cè)頻率主要位于400-750Khz之間，并且大部分集中于450-550Khz范圍內(nèi)；另外，相同深度下，隨著外缺陷直徑的增加，使得缺陷響應(yīng)信號(hào)幅值最大時(shí)的檢測(cè)頻率也呈一個(gè)逐漸增加的趨勢(shì)。因此對(duì)于一個(gè)估計(jì)會(huì)存在較大缺陷的被檢對(duì)象，可以在此最佳頻率范圍內(nèi)選擇相對(duì)較大的檢測(cè)頻率，再根據(jù)相位判傷法可確定合適的相位—深度對(duì)應(yīng)關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)中選擇500Khz之間的頻率對(duì)外壁較淺缺陷的響應(yīng)靈敏度最高，有利于使用相位判傷曲線來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析，此時(shí)對(duì)缺陷深度的定量結(jié)果也就更為可靠。

（2）對(duì)于傷深大于60%壁厚（包括通孔缺陷）的外缺陷，隨著檢測(cè)頻率的增加，缺陷響應(yīng)信號(hào)的幅值也會(huì)越來(lái)越大，呈單調(diào)遞增關(guān)系，此時(shí)無(wú)法單獨(dú)依據(jù)頻率-幅值變化關(guān)系來(lái)選擇檢測(cè)頻率，而應(yīng)主要依據(jù)能得到良好的相位深度對(duì)應(yīng)曲線時(shí)的頻率來(lái)選擇檢測(cè)頻率。

2）對(duì)于內(nèi)缺陷，無(wú)論缺陷深度如何變化，其響應(yīng)幅值都隨檢測(cè)頻率增加而增加，呈單調(diào)遞增關(guān)系；在滿足透入深度的條件下，采用較高檢測(cè)頻率對(duì)缺陷的檢測(cè)靈敏度也就越高。此時(shí)主要考慮相關(guān)頻率下相位判傷曲線的相位-深度對(duì)應(yīng)性對(duì)工程實(shí)踐是否適用，然后再取此頻率范圍中的最大頻率來(lái)確定最佳檢測(cè)頻率。而由之前分析歸納得，對(duì)于本研究對(duì)象，采用400-550Khz范圍內(nèi)的試驗(yàn)頻率對(duì)外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度較高，有利于使用相位判傷曲線來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析，對(duì)缺陷深度的定量結(jié)果也更為可靠。

【參考文獻(xiàn)】

[1]韓捷，廖述圣.核電站管道缺陷渦流定量檢測(cè)的可靠性分析[J].核動(dòng)力工程，2009，30（4）：17-20.