(1.江南大學 機械工程學院, 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫 214122；3.中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215004)

蒸汽發(fā)生器是核電站中非常重要的熱交換裝置，蒸汽發(fā)生器傳熱管是熱交換裝置的重要部件，其會影響核電站的整體安全。更具體地說，如果蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生損壞，一次側的放射性物質(zhì)就可能發(fā)生泄漏，甚至導致嚴重的安全事故。蒸汽發(fā)生器傳熱管的損壞或斷裂與核電站的壽命和輸出功率密切相關[1]，在長期的高溫、高壓與腐蝕環(huán)境中，其質(zhì)量的好壞，不僅影響核電站的發(fā)電功率，對于核電站運行的安全性與可靠性的影響也非常大。傳熱管常見缺陷的產(chǎn)生機理有化學機理、機械機理等?；瘜W機理包括壁厚減薄、點蝕、晶間腐蝕/應力腐蝕裂紋、一次側應力腐蝕裂紋等；機械機理包括磨損、撞擊、疲勞等。馬強等[2]利用渦流測量防震條的位置，分析了影響渦流檢測精度的因素。SHIM等[3]利用渦流檢測方法對蒸汽發(fā)生器傳熱管的一般腐蝕缺陷進行了預測。筆者利用Bobbin傳感器對傳熱管的缺陷進行了檢測，并通過COMSOL軟件進行了仿真模擬，通過相位分析法分析了缺陷的大小與檢測頻率的關系，確定了最優(yōu)檢測頻率的區(qū)間。

1 渦流檢測原理

渦流檢測的原理是：將導體接近通有交流電的線圈，由線圈建立交變磁場，該磁場通過導體并與之發(fā)生電磁感應作用，在導體內(nèi)建立渦流。導體中的渦流也會產(chǎn)生自己的磁場，渦流磁場的作用也改變了激勵磁場的強弱，進而導致線圈的電壓、相位和阻抗發(fā)生改變。線圈通過導體表面的缺陷處時，線圈渦流的強度和分布等特性會發(fā)生變化，通過分析其幅值、相位以及阻抗的變化，就可判斷出被測導體缺陷的存在。

相位分析法是傳熱管渦流檢測中常用的數(shù)據(jù)分析方法，檢測人員根據(jù)缺陷深度與相位之間的關系作出一條相位判傷曲線，對檢測過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷，可通過此曲線，由相位的大小來判斷缺陷的深度。線圈在進行檢測時，不能完全貼合試件表面，會產(chǎn)生提離效應。即使有較小的距離變化，也會引起較大的信號強度變化[4]。

趨膚效應是指當激勵線圈中通入交變電流時，金屬物體縱向截面各處的渦流分布不均勻，接近被測金屬表面的電流密度較大，接近導體內(nèi)部的電流密度較小，渦流集中產(chǎn)生在導體表面。趨膚深度的計算公式為

(1)

式中：δ為趨膚深度；ω為激勵線圈中交變電流的角頻率；σ和μ分別為被測金屬導體的電導率和磁導率[5]。

傳熱管材料Inconel 690屬于非鐵磁性材料，其磁導率μ為4π×10-7H·m-1，電導率σ為1.03×106S·m-1。

由趨膚效應公式可知，感應電磁場相對激勵磁場的相位滯后Δθ為

(2)

式中：d為缺陷深度；f為檢測頻率。

由此可見，相位滯后與缺陷深度之間存在線性關系。

2 仿真分析

2.1 仿真模型的建立

采用軟件COMSOL Multiphysics 5.3中的AC/DC模塊，針對含人工缺陷的傳熱管和Bobbin探頭建立相應的仿真模型。仿真模型主要包含以下幾個部分：空氣、缺陷管、線圈。為了能夠更接近實際情況，空氣域的設置范圍應較大。傳熱管與線圈的模型參數(shù)與實際應用的含缺陷的傳熱管和線圈的參數(shù)一致。圖1為傳熱管的三維仿真模型，為了驗證試驗結果，仿真的頻率區(qū)間選擇為200 kHz～800 kHz。

圖1 傳熱管的三維仿真模型

劃分網(wǎng)絡時，在現(xiàn)有空氣域內(nèi)部靠近傳熱管模型的外側，再添加一個空氣域(見圖2)，這是為了使靠近缺陷位置的網(wǎng)絡劃分更細化，以及提高計算精度，同時也可避免空氣域網(wǎng)格過大增加計算量。另外，傳熱管內(nèi)缺陷的體積與傳熱管的體積相比是非常小的，因此為了控制計算精度，對傳熱管缺陷網(wǎng)絡劃分采用自由四面體網(wǎng)絡劃分的方式，圖3為傳熱管模型的網(wǎng)絡劃分示意。

圖2 增加空氣域模型示意

圖3 傳熱管模型的網(wǎng)絡劃分示意

依據(jù)實際模型，為傳熱管仿真模型中的各個區(qū)域添加材料屬性，依據(jù)實際所需，從材料庫中選取材料。表1為模擬時材料的參數(shù)設置, 表2為線圈參數(shù)的設置。圖1中球形空氣域半徑為500 mm。圖2中近傳熱管處空氣域為半徑20 mm，長度480 mm的圓柱體；傳熱管模型為19.05 mm×1.09 mm(外徑×壁厚)的管狀模型。模擬計算的方法為線圈幾何分析和頻域計算。

表1 模擬時材料的參數(shù)設置

表2 線圈參數(shù)的設置

2.2 仿真結果與分析

經(jīng)過仿真分析，得到了不同頻率下，不同缺陷阻抗的響應值。通過計算出的阻抗數(shù)據(jù)，再擬合出阻抗變化的曲線(見圖4)。從圖4(a)～(c)可以看出，頻率范圍在200 kHz～400 kHz時阻抗變化具有較好的單調(diào)遞增趨勢；從圖4(d)～(g)可以看出，所在頻率下的阻抗變化不具有較好的單調(diào)性趨勢，其原因是隨著頻率的增大，趨膚效應越來越明顯，致使?jié)B透深度變小，可以看出在頻率達到500 kHz后，線圈不能有效檢測出缺陷。各頻率下標準滲透深度如表3所示，因為滲透深度為指數(shù)變化趨勢，工程中，通常定義2.6倍的標準滲透深度為渦流的有效滲透深度，即將2.6倍標準滲透深度范圍內(nèi)的90%渦流視為對渦流線圈產(chǎn)生了有效影響[6]。缺陷仿真相位變化曲線如圖5所示。發(fā)現(xiàn)頻率范圍在200 kHz～500 kHz時，相位變化具有較好的單調(diào)下降趨勢。比較圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn),從相位特性中容易識別缺陷，特別是在400 kHz～500 kHz的高頻率范圍下，缺陷越大，檢出率越高。管壁上的多個缺陷經(jīng)過仿真后，隨著頻率的改變，相位角的差值變化比較小，阻抗幅值變化比較大，說明激勵頻率對相位的影響比較小。隨著缺陷深度的變化，相位角隨深度的變化呈遞減關系，說明通過相位的檢測可以反映出缺陷變化的趨勢。通過缺陷深度和阻抗變化曲線可以看出，隨著缺陷的增大，線圈的阻抗也在增大，說明體積較大的缺陷較容易被檢出。

表3 各頻率下標準滲透深度

圖4 不同頻率下，缺陷仿真阻抗變化曲線

圖5 缺陷仿真相位變化曲線

圖10 試驗相位變化曲線

3 試驗方法

3.1 試驗儀器

Bobbin線圈傳感器外觀如圖6所示，該傳感器采用軸繞式差分線圈結構，檢測速度快，適合大范圍的檢測需要。線圈內(nèi)徑為6.5 mm，外徑為8.0 mm，線圈高為1.5 mm，間距為1.5 mm，匝數(shù)為32匝。

圖6 Bobbin線圈傳感器外觀

被檢測管為目前核電站中使用的Inconel 690材料的蒸汽發(fā)生器傳熱管，管材規(guī)格(外徑×壁厚)為19.05 mm×1.09 mm，管材的電導率σ為1.03×106S·m-1，其相對磁導率為1。被檢測管外觀如圖7所示，被檢測管上的缺陷尺寸(寬×長×深)如表4所示。

信號發(fā)生設備為ET3325信號發(fā)生器(杭州中創(chuàng)電子有限公司)，信號采集設備為SR865型鎖相放大器(斯坦福檢測系統(tǒng)有限公司)。整個檢測系統(tǒng)實物如圖8所示，試驗平臺連接方法示意如圖9所示。

圖7 被檢測管外觀

mm

圖8 檢測系統(tǒng)實物

圖9 試驗平臺連接方法示意

3.2 試驗結果與分析

使用含有表4中相應尺寸缺陷的檢測管，檢測速度為300 mm/s(±10%)，通過信號發(fā)生器分別設置100 kHz，200 kHz，300 kHz，400 kHz，500 kHz，600 kHz，700 kHz，800kHz等8個檢測頻率的正弦激勵信號，輸出信號電壓為500 mV。通過鎖相放大器記錄缺陷位置的相位。

將探頭勻速通過檢測樣管，通過鎖相放大器記錄8個檢測頻率段時探頭經(jīng)過缺陷時的相位變化。通過相位變化繪制出每個頻率的散點圖，從而擬合出相位變化曲線。相位變化曲線如圖10所示。

從圖10(a)～(f)可以看出，相位的變化與缺陷尺寸的變化存在一定的單調(diào)關系，隨著缺陷尺寸的增大，相位角有著遞減的趨勢，與仿真的相位變化趨勢相吻合，說明相位的變化可以作為檢測缺陷大小的依據(jù)。但是從圖10(g)～(h)可以看出，由于磁場在管道表面會產(chǎn)生趨膚效應，通過趨膚效應的公式可以得出，當頻率增大時滲透深度減小，頻率為700 kHz和800 kHz時的趨膚深度通過式(1)計算分別為0.059 mm和0.055 mm，所以探頭對缺陷的檢出率降低。由于試驗狀態(tài)有一定的不穩(wěn)定性，試驗會出現(xiàn)提離效應，線圈的阻抗會發(fā)生較大變化，尤其當頻率大于600 kHz時輸出信號不穩(wěn)定，檢測結果存在較大的誤差，曲線有較大的波動。通過對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得出歸一化曲線如圖11所示，當各缺陷在頻率為800 kHz時，曲線的收斂性較差，同時也可看出檢測頻率在500 kHz時收斂性最好。

圖11 不同缺陷深度的歸一化曲線

3.3 試驗結果與仿真對比分析

圖12為不同頻率下仿真與試驗的相位差分對比，將缺陷位置處的相位與無缺陷位置處的相位進行差分，通過仿真與試驗結果的對比可以看出，仿真與試驗缺陷檢測結果趨勢相同，而且在400 kHz，500 kHz處部分缺陷的重合度較好。

圖12 不同頻率下仿真與試驗的相位差分對比

如表4所示，缺陷長度一定，寬度和深度規(guī)律變化，在不同頻率下進行仿真，得到的缺陷深度曲線如圖13所示，可見隨著缺陷體積的不斷增大，檢出率增大，同時檢測頻率在300 kHz～500 kHz范圍時檢出率最高，是最優(yōu)檢測頻率區(qū)間。

圖13 仿真時不同頻率下的缺陷深度曲線

4 結語

相位可以直觀地反映出檢測信號隨著缺陷尺寸變化的趨勢，對于傳熱管缺陷的危險系數(shù)級別是重要的判斷依據(jù)。500 kHz左右為最優(yōu)檢測頻率，探頭線圈輸出波形較好，檢測結果呈較好的線性關系。

隨著缺陷尺寸的增加，阻抗曲線和相位曲線的斜率也在增加，說明探頭對尺寸較大的缺陷有著較好的檢出率和靈敏度。