王榮耀,王海濤,劉向兵2,蔣夢(mèng)浩3,錢王潔2,王嘉星

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016;2.蘇州熱工研究院，蘇州 215004;3.武警江西省總隊(duì)，南昌 330025)

反應(yīng)堆壓力容器(RPV)是壓水堆核電廠最關(guān)鍵的設(shè)備之一，起到密封放射性、防止裂變產(chǎn)物逸出的作用。其長(zhǎng)期在高溫、高壓、強(qiáng)輻照等惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，是核電站防止放射性物質(zhì)泄漏的第二道安全屏障，也是核電站在全壽期內(nèi)唯一不可更換的大型設(shè)備[1]。RPV的安全運(yùn)行壽命決定了核電站的服役壽命,影響著核電站的安全性與經(jīng)濟(jì)性，因此研究RPV的輻照脆化狀態(tài)，對(duì)預(yù)估RPV的壽命具有重要的意義[2]。

1996年，德國(guó)DOBMANN等比較了多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，以尋找合適的無(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)用到核電站關(guān)鍵組件的在役檢測(cè)中[3]；2004年，歐洲研究中心DEBARBERIS等[4]采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法描述了RPV輻照脆化的參數(shù)變化；2005年，美國(guó)的WANG等[5]利用信息融合技術(shù)建立RPV輻照脆化模型來(lái)預(yù)測(cè)RPV鋼的輻照脆化程度；2009年，中國(guó)原子能科學(xué)研究院佟振鋒等[6]對(duì)RPV鋼建立了一種輻照脆化模型來(lái)預(yù)測(cè)RPV鋼輻照脆化的程度及其發(fā)展趨勢(shì)；2013年，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院邱天等[7]在研究RPV鋼輻照脆化效應(yīng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)RPV鋼的材料，將RPV鋼的壽命提高至60 a。2013～2014年,俄羅斯中央研究院的MARGOLIN等[8]研究了熱老化對(duì)RPV鋼輻照脆化的影響，提出了一種新的方法來(lái)對(duì)RPV鋼的輻照脆化進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

磁巴克豪森噪聲檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電磁無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)變化非常敏感，研究表明RPV鋼在中子輻照后發(fā)生脆化的主要原因是基體缺陷的產(chǎn)生與雜質(zhì)元素的析出，而MBN信號(hào)對(duì)鐵磁材料的此類微結(jié)構(gòu)變化非常敏感[9]，與用于宏觀缺陷檢測(cè)的超聲等常規(guī)手段相比，該方法可在宏觀缺陷產(chǎn)生前對(duì)材料進(jìn)行性能評(píng)估，實(shí)現(xiàn)材料老化的早期預(yù)警。此外，MBN檢測(cè)技術(shù)屬于非接觸式檢測(cè)，不需要耦合劑，檢測(cè)便捷，易實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。在理論上MBN檢測(cè)技術(shù)用于RPV 鋼輻照損傷評(píng)估與早期預(yù)測(cè)是切實(shí)可行的，因此，筆者建立了一套針對(duì)小尺寸RPV鋼輻照脆化的便捷式檢測(cè)系統(tǒng)，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)的重復(fù)性與穩(wěn)定性。

1 傳感器設(shè)計(jì)與仿真

傳感器是便攜式巴克豪森噪聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件，其MBN信號(hào)產(chǎn)生與接收的能力對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)精度有直接影響。文章設(shè)計(jì)的傳感器主要由激勵(lì)線圈、U型磁軛、工型磁芯以及檢測(cè)線圈組成，激勵(lì)線圈纏繞在U型磁軛上構(gòu)成傳感器的磁化器，檢測(cè)線圈纏繞在工型磁芯上構(gòu)成接收器。傳感器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意

1.1 磁化器

將被測(cè)試件局部交流磁化是磁巴克豪森噪聲檢測(cè)技術(shù)中的第一步，該功能由傳感器中的磁化器部分實(shí)現(xiàn)。磁化器包括磁軛與激勵(lì)線圈，需要根據(jù)被測(cè)試件的結(jié)構(gòu)及尺寸等特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)已有的研究成果，相較于其他形狀的磁軛，U型磁軛的優(yōu)勢(shì)更明顯，當(dāng)檢測(cè)線圈放在U型磁軛中心時(shí)，磁場(chǎng)分布均勻，可用于檢測(cè)MBN信號(hào)。U型磁軛兩腳間的間距越大，磁疇偏轉(zhuǎn)越強(qiáng)，檢測(cè)到的巴克豪森信號(hào)也就越強(qiáng)。但由于現(xiàn)有的待測(cè)試件尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為16 mm×14 mm×1 mm，要形成完整的磁通路，U型磁軛的兩腳內(nèi)距必須小于16 mm。在盡可能增大巴克豪森檢測(cè)信號(hào)又能夠符合尺寸需求的情況下，通過(guò)多次試驗(yàn)設(shè)計(jì)，最終確定的U型磁軛尺寸如圖1所示。在磁軛材料的選取上，選用了與巴克豪森噪聲信號(hào)中心頻率相近且在磁場(chǎng)下容易磁化及退磁的錳鋅鐵氧體，此外，錳鋅鐵氧體還具有截面積一致、磁導(dǎo)率高、損耗低及成本低等優(yōu)點(diǎn)。最后選用直徑為0.21 mm的漆包線繞在U型磁軛上，匝數(shù)為450匝。

1.2 接收器

常見的磁傳感器有霍爾傳感器、巨磁阻傳感器和檢測(cè)線圈，其主要參數(shù)對(duì)比如表1所示。根據(jù)已有結(jié)果表明，RPV鋼的磁巴克豪森噪聲信號(hào)的中心頻率一般在10 kHz左右，且3種傳感器的線性范圍均滿足檢測(cè)要求，而檢測(cè)線圈的靈敏度更高，即對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化更為敏感，對(duì)于巴克豪森噪聲信號(hào)的拾取能力也更強(qiáng)。

表1 3種常見磁傳感器的參數(shù)對(duì)比

接收器由工型磁芯和漆包線組成，工型磁芯選用的也是錳鋅鐵氧體材料，其具有磁導(dǎo)率高和磁通密度高的特點(diǎn)，且高頻損耗低?？紤]到RPV鋼試件的尺寸以及U型磁軛的大小，最終確定了內(nèi)徑2 mm、內(nèi)高4 mm、外徑6 mm、外高8 mm的小尺寸工型錳鋅鐵氧體為磁芯，選用直徑為0.07 mm的銅漆包線纏繞在工型錳鋅鐵氧體上，匝數(shù)為630匝。同時(shí)，小尺寸的磁傳感器具有與試件的接觸面積小且可以定位到試件具體位置的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 傳感器仿真與優(yōu)化

對(duì)設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行有限元仿真，其具體模型參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖2,3所示，從圖中可以看出，設(shè)計(jì)的傳感器可以很好地磁化被測(cè)試件，即該傳感器在理論上是可行的。

表2 傳感器仿真模型參數(shù)

圖2 磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布(仿真)

圖3 磁感線的分布(仿真)

在電磁無(wú)損檢測(cè)中，提離效應(yīng)是很重要的一個(gè)參數(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器中，提離值指的是接收器與被測(cè)試件之間的距離，是巴克豪森噪聲檢測(cè)中極其重要的一個(gè)參數(shù)。筆者從有限元仿真的角度分析提離值對(duì)巴克豪森噪聲信號(hào)接收的影響，得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨提離值的變化曲線如圖4所示。

圖4 仿真得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨提離值變化的曲線

由圖4可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨提離值的增大而減小，但是提離值過(guò)小會(huì)出現(xiàn)因試件振動(dòng)造成其他噪聲干擾較大的問(wèn)題，故最終設(shè)計(jì)的傳感器提離值為0.3 mm。

2 便攜式巴克豪森檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 激勵(lì)電源

TMS320F28335開發(fā)板D/A選取的是DAC7724芯片,其具有功耗低、尺寸小、輸出電壓范圍廣、精度高等特點(diǎn)。該芯片輸出信號(hào)頻率范圍為0～100 Hz，采用模擬正弦波的方法以固定時(shí)間間隔采樣來(lái)控制幅值及頻率，送給DAC7724芯片輸出，就可以產(chǎn)生任意幅值和任意頻率的正弦波。

由于DAC7724芯片輸出的正弦波信號(hào)的帶負(fù)載能力較低，如果直接施加在傳感器上，會(huì)引發(fā)磁場(chǎng)強(qiáng)度太弱而無(wú)法磁化RPV試件的問(wèn)題，因此需要在DAC7724芯片輸出的正弦波信號(hào)與傳感器間加入功率放大器。最終確定的功率放大器實(shí)物如圖5所示，選用TDA3293芯片，該芯片內(nèi)部分為三級(jí)，其中差分輸入級(jí)由雙極型晶體管組成，推動(dòng)級(jí)和功率輸出級(jí)采用場(chǎng)效應(yīng)管，這種結(jié)構(gòu)綜合了雙極型晶體管低噪聲和功率場(chǎng)效應(yīng)管在線性、溫度系數(shù)、音色上的優(yōu)勢(shì)，具有相當(dāng)理想的客觀測(cè)試指標(biāo)，具有低失真、高耐壓、過(guò)熱保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 功率放大器實(shí)物圖片

2.2 調(diào)理電路

經(jīng)傳感器輸出的巴克豪森噪聲信號(hào)為毫伏甚至微伏級(jí)別，信號(hào)十分微弱且存在工頻信號(hào)、漏磁信號(hào)等干擾信號(hào)。為了得到清晰的巴克豪森噪聲信號(hào)，需要對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大及濾波，最終整個(gè)調(diào)理電路包括前置放大、高通濾波和主放大三部分，其實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路實(shí)物圖片

前置放大電路選用功耗低、精度高的INA128芯片，由三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，其增益大小可通過(guò)改變外部增益調(diào)節(jié)電阻RG得到，理論增益范圍為1～10 000。一般來(lái)說(shuō)，巴克豪森噪聲信號(hào)的頻率在1 kHz以上，為了消除其他噪聲以獲得較為純凈的MBN信號(hào)，系統(tǒng)在調(diào)理電路中加入了有源高通濾波器，采用運(yùn)算放大器OP37作為三階高通濾波器的有源元件，最終設(shè)計(jì)的高通濾波器通帶截止頻率為1.5 Hz，通帶為-3 dB。經(jīng)高通濾波器電路后，巴克豪森噪聲信號(hào)會(huì)有一定的衰減，為進(jìn)一步放大MBN信號(hào)以便分析和處理，在高通濾波電路后加入主放大電路。系統(tǒng)選用高精確的運(yùn)算放大器OP37來(lái)設(shè)計(jì)主放大電路，改變反饋電阻的值可以改變放大倍數(shù)。

2.3 信號(hào)采集與顯示

經(jīng)過(guò)調(diào)理模塊后的MBN信號(hào)會(huì)被送至TMS320F28335開發(fā)板的ADC(數(shù)字信號(hào)處理器)單元中，轉(zhuǎn)換成DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)可處理的數(shù)字信號(hào)，TMS320F28335的處理能力較強(qiáng)，32位浮點(diǎn)處理單元及6個(gè)DMA(直接內(nèi)存存取)通道可使送入DSP的數(shù)字信號(hào)得到更快處理并輸出。

采集到的MBN信號(hào)雖然經(jīng)過(guò)硬件調(diào)理，但是采集過(guò)程仍然會(huì)增加部分噪聲干擾，因而需要進(jìn)行進(jìn)一步的軟件濾波調(diào)理，以便后續(xù)信號(hào)處理。FIR濾波器是有限長(zhǎng)單位沖擊響應(yīng)濾波器，又叫做非遞歸型濾波器，被廣泛地運(yùn)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。便攜式檢測(cè)系統(tǒng)的采集頻率為80 kHz，會(huì)得到大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而DSP內(nèi)存不能滿足，需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器)中。通過(guò)改寫cmd文件，將經(jīng)過(guò)FIR濾波的MBN信號(hào)存儲(chǔ)到TMS320F28335板的外部RAM中。

此系統(tǒng)選用3.5 in.(1 in.=25.4 mm)增強(qiáng)型TJC4024K032_011R液晶屏，TMS320F28335與LCD液晶屏通過(guò)SCI串口進(jìn)行通訊，將要顯示的波形數(shù)據(jù)和特征值數(shù)據(jù)發(fā)到RAM上，軟件控制RAM刷屏實(shí)現(xiàn)波形和特征值的顯示。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 穩(wěn)定性測(cè)試

在對(duì)儀器系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將傳感器與巴克豪森檢測(cè)儀的機(jī)箱相連，測(cè)試不同激勵(lì)頻率時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用5Hz激勵(lì)頻率進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試，隨著測(cè)試次數(shù)的增加，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(Relative Standard Deviation，RSD)逐漸減小,在測(cè)試次數(shù)達(dá)到50～60次時(shí)，RSD趨于水平。頻率為4 Hz 時(shí)系統(tǒng)最大誤差為0.72%，即單次測(cè)量誤差為0.72%。傳感器頻域穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如表3所示，綜合考慮RPV鋼輻照催化機(jī)理、傳感器大小、兼容檢測(cè)效率與精度，選取4Hz作為檢測(cè)首選激勵(lì)頻率。

表3 傳感器頻域穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

3.2 重復(fù)性測(cè)試

由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)需要手動(dòng)將傳感器與被測(cè)對(duì)象進(jìn)行磁耦合，考慮到被測(cè)對(duì)象的表面接觸狀況及操作方式的不同，所以在測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試。

對(duì)3個(gè)不同輻照脆化程度的RPV鋼試件的表面正中心進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，其尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)均為16 mm×14 mm×1 mm，采用4 Hz，400 mV的激勵(lì)信號(hào)，每次手動(dòng)將傳感器輕壓在試件上，如此反復(fù)測(cè)試10次，取均方根為參考特征值，測(cè)量結(jié)果如圖7所示(圖中N1,N2,N3表示3個(gè)試件)，從圖中可以看出系統(tǒng)的重復(fù)性較好。

圖7 系統(tǒng)的重復(fù)性測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

基于磁巴克豪森效應(yīng)原理、針對(duì)小尺寸RPV鋼試件研制了一套便攜式RPV鋼輻照脆化檢測(cè)系統(tǒng)。用有限元仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法驗(yàn)證了該系統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，并通過(guò)儀器的穩(wěn)定性和重復(fù)性測(cè)試證明了該系統(tǒng)在RPV鋼輻照脆化檢測(cè)應(yīng)用中有較高的靈敏度，具備工程應(yīng)用價(jià)值。

所開發(fā)的儀器與其他無(wú)損檢測(cè)方法相比，可在宏觀缺陷產(chǎn)生前對(duì)材料進(jìn)行性能評(píng)估，實(shí)現(xiàn)材料老化的早期預(yù)警，且屬于非接觸式檢測(cè)，檢測(cè)便捷，易實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。利用磁巴克豪森噪聲原理對(duì)RPV鋼輻照脆化的檢測(cè)在工程上將有廣泛的應(yīng)用前景。