(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213)

隨著人們對(duì)能源需求和環(huán)保意識(shí)的提高，核電憑借其轉(zhuǎn)換效率高、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)成為新能源發(fā)展的重點(diǎn)方向?？刂瓢羰潜ＷC核反應(yīng)堆安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其由薄壁不銹鋼包殼管和管內(nèi)填充的中子吸收材料組成，作用是通過吸收核反應(yīng)過程中釋放的中子來控制反應(yīng)堆功率。由于控制棒長期在高溫、高壓、高輻射的環(huán)境下工作，其薄壁不銹鋼包殼會(huì)出現(xiàn)磨損、裂紋等缺陷[1-2]，可能導(dǎo)致控制棒下落卡棒、冷卻劑污染等，甚至危及核電站的安全。因此，對(duì)控制棒的定期嚴(yán)格檢測(cè)是反應(yīng)堆日常維護(hù)中的重要環(huán)節(jié)。渦流檢測(cè)是控制棒缺陷檢測(cè)的重要方法之一[3]，檢測(cè)過程包含缺陷的檢出與評(píng)估。目前，此類渦流檢測(cè)的研究多集中在缺陷的檢出方面，即采用有限元仿真、工程試驗(yàn)等手段對(duì)渦流線圈型式進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)線圈參數(shù)、檢測(cè)頻率等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4]，提高檢測(cè)的靈敏度，以盡可能保證缺陷的檢出。

采用CIVA軟件對(duì)控制棒不同缺陷類型(磨損、裂紋)、不同尺寸缺陷的渦流響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行仿真，開展控制棒渦流檢測(cè)的信號(hào)評(píng)估研究，分析缺陷特征與渦流響應(yīng)信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期實(shí)現(xiàn)基于渦流信號(hào)幅值、相位特征的控制棒缺陷定量表征和缺陷類型識(shí)別。

1 渦流檢測(cè)仿真模型

CIVA軟件是應(yīng)用于無損檢測(cè)的專業(yè)仿真平臺(tái)，由仿真、成像和分析模塊組成，常用于設(shè)計(jì)或優(yōu)化檢測(cè)工藝，預(yù)測(cè)無損檢測(cè)方法在實(shí)際無損檢測(cè)工程中的可行性和檢測(cè)能力。軟件集成了超聲、渦流、射線、CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)、導(dǎo)波等5種無損檢測(cè)技術(shù)，其中渦流仿真模型基于半解析[5]近似方法，具有較高的計(jì)算效率。因此，采用CIVA渦流模塊進(jìn)行控制棒的渦流檢測(cè)仿真研究。CIVA模型建立的流程大致如下：① 檢測(cè)對(duì)象參數(shù)設(shè)置，包括對(duì)象幾何尺寸、材料和電磁特性參數(shù)等；② 檢測(cè)工藝參數(shù)設(shè)置，包括線圈參數(shù)、檢測(cè)頻率、掃查參數(shù)等；③ 缺陷參數(shù)設(shè)置，包括缺陷類型、幾何位置、尺寸等。基于上述模型來執(zhí)行計(jì)算，即可獲得缺陷的渦流響應(yīng)信號(hào)。

以大型先進(jìn)壓水堆控制棒為檢測(cè)對(duì)象，設(shè)置模型中檢測(cè)對(duì)象的幾何尺寸與材料電磁特性參數(shù)(見表1)，CIVA軟件被檢對(duì)象參數(shù)設(shè)置界面見圖1。

表1 被檢對(duì)象幾何參數(shù)與電磁特性參數(shù)

圖1 CIVA軟件被檢對(duì)象參數(shù)設(shè)置界面

檢測(cè)工藝參數(shù)包括線圈參數(shù)及檢測(cè)頻率。其中，線圈參數(shù)參考目前二代加堆型控制棒組件渦流檢測(cè)常用參數(shù)，線圈類型采用外穿絕對(duì)式線圈，內(nèi)徑為10.5 mm，外徑為13 mm，寬度為1.5 mm，線圈匝數(shù)為200。檢測(cè)頻率如式(1)所示，取整后為1 MHz。

f=3ρ/t2

(1)

式中:f為檢測(cè)頻率;ρ為被檢對(duì)象電阻率;t為被檢對(duì)象壁厚。

實(shí)際檢測(cè)對(duì)象內(nèi)含中子吸收芯體。由于渦流檢測(cè)存在趨膚效應(yīng)，檢測(cè)頻率越高，渦流場(chǎng)的透入深度越小，在高頻下感應(yīng)生成的渦流集中在被檢對(duì)象的近表面。文獻(xiàn)[4]通過有限元分析，得出檢測(cè)頻率不小于600 kHz時(shí)，感應(yīng)生成的磁力線基本分布在包殼管管壁內(nèi)的結(jié)論。筆者選用的檢測(cè)頻率為1 MHz，因此不考慮包殼管內(nèi)部芯體對(duì)檢測(cè)帶來的影響。

掃查參數(shù)的設(shè)置主要包括掃查方式、起始位置、行進(jìn)距離等。文中模型設(shè)置的掃查方式為外穿式線圈與管材同軸，相對(duì)管材進(jìn)行軸向掃查；掃查的起始位置和終點(diǎn)位置在包殼管無缺陷處；掃查區(qū)域涵蓋缺陷區(qū)域；掃查步進(jìn)遠(yuǎn)小于檢測(cè)要求的分辨力(檢測(cè)分辨力通常要求不小于1.5 mm)。檢測(cè)工藝參數(shù)軟件設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 檢測(cè)工藝參數(shù)軟件設(shè)置界面

控制棒組件的工作特點(diǎn)決定了其常出現(xiàn)磨損型缺陷與裂紋型缺陷。其中，磨損型缺陷通常分為C型磨損和V型磨損。在實(shí)際檢測(cè)中，常見檢出缺陷的軸向尺寸一般大于10 mm，遠(yuǎn)大于線圈寬度的兩倍，因此缺陷軸向尺寸并不是最主要的影響因素。磨損型缺陷的軸向尺寸參照現(xiàn)有缺陷試樣，選取為20 mm；周向尺寸通過缺陷占試樣圓周的角度進(jìn)行表征，C型磨損缺陷周向尺寸較大，設(shè)置為90°和120°，V型磨損缺陷周向尺寸較小,設(shè)置為25°；缺陷深度參照常見檢出尺寸，變化范圍為壁厚(以下用t表示)的5%40%。對(duì)裂紋型缺陷而言，常見檢出裂紋軸向長度在1020 mm之間，因此裂紋長度的平均值為15 mm；裂紋寬度設(shè)置為0.1 mm與1 mm。缺陷的網(wǎng)格劃分需根據(jù)缺陷的尺寸決定，但一般設(shè)置原則有3條：① 網(wǎng)格越細(xì)獲得的計(jì)算精度越高；② 建議各個(gè)軸的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)不小于3；③ 對(duì)圓柱形工件，缺陷深度方向的網(wǎng)格劃分與集膚深度有關(guān)，如式(2)所示。

(2)

式中：δ為渦流檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)透入深度。

根據(jù)上述參數(shù)建立的控制棒包殼管渦流檢測(cè)仿真模型如圖3所示，模型缺陷參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖3 控制棒包殼管渦流檢測(cè)仿真模型

表2 模型缺陷參數(shù)設(shè)置

2 渦流檢測(cè)仿真結(jié)果分析

2.1 渦流信號(hào)幅值分析

由表1可知，缺陷軸向尺寸遠(yuǎn)大于線圈寬度1.5 mm的兩倍，此時(shí)信號(hào)幅值只受缺陷截面損失影響，而與缺陷軸向尺寸無關(guān)。裂紋不屬于面積型缺陷，僅考慮磨損型缺陷信號(hào)幅值A(chǔ)與截面損失s的對(duì)應(yīng)關(guān)系，磨損型缺陷的截面損失s定義為缺陷體積占相同軸向尺寸試樣的體積之比，如式(3)所示。

(3)

對(duì)不同截面損失的磨損型缺陷進(jìn)行仿真，得到幅值與缺陷截面損失的關(guān)系(見圖4)。

圖4 磨損型缺陷的幅值響應(yīng)

由圖4可知，缺陷信號(hào)幅值與缺陷截面損失之間是線性相關(guān)的，信號(hào)幅值隨著缺陷截面損失的增加而增加。當(dāng)缺陷截面損失相同，周向尺寸與深度不同的缺陷信號(hào)幅值幾乎完全相同時(shí)，最大幅值差僅為0.53 V。對(duì)兩種C型磨損的信號(hào)幅值A(chǔ)與截面損失s進(jìn)行線性擬合，得到的s-A擬合關(guān)系式十分接近，這表明缺陷信號(hào)幅值僅由缺陷截面損失決定。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，將獲得的缺陷信號(hào)幅值代入s-A擬合關(guān)系式中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷截面損失的定量評(píng)估。

2.2 渦流信號(hào)相位分析

渦流信號(hào)的相位角與感應(yīng)渦流在試件中傳播的深度有關(guān)，常作為對(duì)缺陷深度進(jìn)行定量分析的特征量。對(duì)不同深度的磨損和裂紋缺陷進(jìn)行模擬，渦流信號(hào)相位隨缺陷深度的變化如圖5所示。對(duì)圖5進(jìn)行分析可得到如下結(jié)論。

圖5 渦流信號(hào)相位隨缺陷深度的變化

(1) 由圖5(a)可知，缺陷深度與渦流信號(hào)相位之間總體呈線性關(guān)系。缺陷深度增加時(shí)，C型磨損、V型磨損和裂紋3種缺陷信號(hào)的相位均隨之增加。由于試樣管壁很薄，壁厚僅0.47 mm，相同深度的3種缺陷的信號(hào)相位相差不大，但3種缺陷信號(hào)的相位隨缺陷深度增加的速度不同。因此，不同類型缺陷彼此間的相位差隨缺陷深度的增加而增加。除此之外，當(dāng)裂紋的寬度減小時(shí)，信號(hào)相位略有增大。

(2) 由圖5(a)可知，當(dāng)缺陷深度小于20%t時(shí)，信號(hào)相位大致分布在85°～92°之間；在此區(qū)間，C型磨損與V型磨損信號(hào)的相位差小于1°[見圖5(b)]。這表明，此時(shí)缺陷信號(hào)相位幾乎只由缺陷深度決定。因此，基于信號(hào)相位可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷深度的定量分析，而無法區(qū)分缺陷類型。

(3) 由圖5(a)可知，當(dāng)20%t≤缺陷深度≤40%t時(shí)，缺陷信號(hào)相位分布在92°～106°之間。此時(shí)，缺陷信號(hào)相位與缺陷深度和類型都相關(guān)，表現(xiàn)為：對(duì)于相同深度的缺陷，窄裂紋信號(hào)相位>寬裂紋信號(hào)相位>V型磨損信號(hào)相位>C型磨損信號(hào)相位。該現(xiàn)象表明，當(dāng)缺陷深度超過20%t時(shí)，缺陷信號(hào)相位可以輔助缺陷的定性分析。

此外，由圖5(a)，5(b)可知，當(dāng)缺陷深度在5%t～40%t范圍變化時(shí)，兩種不同周向尺寸的C型磨損信號(hào)的相位差始終小于0.5°。這表明，對(duì)于相同深度的C型磨損而言，周向尺寸對(duì)信號(hào)相位幾乎沒有影響。

2.3 渦流信號(hào)幅值與相位綜合分析

基于缺陷信號(hào)的幅值和相位可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷截面損失和深度的定量分析,此處考慮將幅值、相位與缺陷特征聯(lián)合起來進(jìn)行分析研究。缺陷-幅值-相位綜合表征如圖6所示，由圖6可知，3種類型缺陷分布的區(qū)域相對(duì)集中，具有一定的規(guī)律性，具體分析見圖7。

圖6 缺陷-幅值-相位綜合表征圖

圖7 3種缺陷的相位和幅值分布規(guī)律

由圖7(a)可知，磨損缺陷信號(hào)相位大致分布在85°～101°之間，C型磨損信號(hào)相位與V型磨損信號(hào)相位十分接近，所處區(qū)間基本一致；裂紋信號(hào)相位大約分布在92°～106°之間。同時(shí)，圖7表明信號(hào)相位在85°～92°區(qū)間內(nèi)僅包含磨損型缺陷；當(dāng)信號(hào)相位大于101°時(shí)僅包含裂紋型缺陷；信號(hào)相位在92°～101°時(shí)同時(shí)包含磨損型與裂紋型兩種缺陷，此時(shí)考慮引入信號(hào)幅值，對(duì)相位處于92°～101°范圍內(nèi)的缺陷進(jìn)一步區(qū)分，結(jié)果如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，C型磨損缺陷信號(hào)幅值明顯大于V型磨損及裂紋的幅值，幅值分布在4.511.8 V之間。因此，當(dāng)缺陷信號(hào)相位在92°～101°間時(shí)，信號(hào)幅值大于4.5 V的缺陷為C型磨損缺陷，信號(hào)幅值在12.7 V之間的缺陷為V型磨損缺陷。淺裂紋缺陷與V型磨損缺陷信號(hào)幅值相近，此時(shí)應(yīng)結(jié)合其他檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步地判斷。

3 結(jié)論

(1) 渦流信號(hào)幅值與缺陷截面損失間呈線性關(guān)系，依據(jù)幅值可以對(duì)缺陷截面損失進(jìn)行定量分析。

(2) 渦流信號(hào)相位與缺陷深度間總體呈線性關(guān)系。當(dāng)缺陷深度較小時(shí)，可直接依據(jù)相位判定缺陷深度；當(dāng)缺陷深度超過某一臨界值時(shí)，深度的定量基于確定的缺陷類型進(jìn)行判定。

(3) 缺陷類型的確定無法單純依靠渦流信號(hào)幅值或相位進(jìn)行判定，但是，構(gòu)造的缺陷-幅值-相位圖可以成為缺陷類型判定的依據(jù)。