RPV輻照脆化巴克豪森噪聲檢測的二維仿真

徐 忠，吳凌云，王海濤，鄭 凱，樊明亮，錢王潔，劉向兵

（1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢測研究院，南京210036；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京210016；3.蘇州熱工研究院壽命管理中心，蘇州215004）

基于低碳經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求，核電工業(yè)開始加速發(fā)展。于是在役核電站長期運行的安全性和可靠性顯得尤為重要［1］，特別是核反應(yīng)堆壓力容器（RPV）的完整性，關(guān)乎到整個核電站的安全和經(jīng)濟(jì)。RPV 是核電站特別重要的設(shè)備且不可更換，是核電站的第一道保護(hù)屏障，決定了整個核電站的壽命。RPV 的服役環(huán)境相當(dāng)惡劣，除了要經(jīng)受高溫、高壓、腐蝕和流體沖擊等惡劣環(huán)境的影響，還要經(jīng)受快中子的輻照轟擊，這些都會加速RPV 的老化，縮短核電站的壽命。其中，快中子引起的輻照脆化是影響核電站壽命的主要因素［2］。RPV 用鋼受到快中子輻照后會增大脆性斷裂的風(fēng)險，而材料的脆性斷裂又是RPV 安全的最大威脅，因而使其成為研究重點。為了預(yù)防RPV 用鋼的脆性斷裂，必須對RPV 用鋼的輻照脆化進(jìn)行評估。

目前核電站對RPV 用鋼的輻照脆化檢測大多采用有損的檢測方法。例如對反應(yīng)堆壓力容器的輻照脆化監(jiān)督，國內(nèi)外均通過監(jiān)督試樣的輻照曲線來實現(xiàn)，火電站主蒸汽管道壽命預(yù)測使用的是持久強度外推法。然而，以上檢測方法都有明顯的局限性，首先它們都需要現(xiàn)場檢測，并且不能夠持續(xù)在線監(jiān)測；其次是研究周期長，成本高；最重要的還是不安全。因此，開發(fā)一種無損檢測方法對RPV 的輻照脆化進(jìn)行評估成了當(dāng)務(wù)之急。

RPV 的輻照脆化與材料的微觀結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系［3］，而巴克豪森噪聲信號對材料的微觀結(jié)構(gòu)變化非常敏感，國外很多學(xué)者采用巴克豪森噪聲檢測方法對RPV 用鋼的輻照脆化進(jìn)行研究［4－6］。國內(nèi)目前并沒有將巴克豪森噪聲檢測方法應(yīng)用到RPV用鋼的輻照脆化檢測中去。除此之外，采用巴克豪森噪聲檢測方法對RPV 用鋼進(jìn)行輻照脆化檢測遇到的另一個難題就是試樣的輻射性。為了避免試樣對試驗人員造成輻射傷害，采用帶電粒子輻照試樣來模擬真實環(huán)境下的輻照脆化。為了使帶電粒子輻照均勻，試驗采用小尺寸的試樣，而傳統(tǒng)的巴克豪森噪聲檢測方法很難檢測小尺寸的試樣。筆者設(shè)計了針對小尺寸試樣的檢測裝置，利用Ansoft軟件對其進(jìn)行仿真，驗證小型磁化裝置是否可行。

1 有限元仿真原理

Ansoft以Maxwell方程組作為電磁分析的出發(fā)點［7］，式（1）～（4）是Maxwell方程組的微分形式。有限元方法是為了對一些工程問題求得近似解的一種數(shù)值分析方法，有限元方法［8］就是利用變分原理和加權(quán)原理，將偏微分方程表征的連續(xù)函數(shù)的封閉場域劃分為許多個區(qū)域，對微分形式的方程進(jìn)行離散化，導(dǎo)出一個代數(shù)方程組。

電磁場分析［9］有限元的過程主要包括模型建立、材料屬性定義、邊界條件的添加、激勵的添加、網(wǎng)格的劃分和計算求解。其中材料屬性、邊界條件和計算求解［10］這幾步尤為重要。度；H為磁場強度；D為電通量。

在巴克豪森噪聲檢測裝置有限元仿真中，利用檢測裝置的周圍磁場變化和檢測線圈中電壓的變化來研究檢測裝置對巴克豪森噪聲信號的影響。巴克豪森噪聲檢測有限元分析主要用到式（1）和（2），巴克豪森檢測的激勵線圈就是利用一個變化的電場來產(chǎn)生一個磁場，磁場將試樣磁化之后，放置在試件正中間的檢測線圈，可以檢測到磁場的變化，再利用變化的磁場產(chǎn)生電場，最后檢測信號以電壓的形式輸出。若試件存在應(yīng)力或缺陷，其磁特性會發(fā)生一定的變化。在外磁場作用下，磁感應(yīng)強度也隨之變化。利用Ansoft有限元分析軟件可以觀察到檢測線圈和磁化裝置中磁場的變化。

2 仿真模型的建立

根據(jù)巴克豪森噪聲檢測系統(tǒng)中的檢測裝置建立了有限元仿真模型。模型建立的主要步驟包括幾何形狀的繪制、材料屬性的定義和邊界條件的選取。模型由U 型磁軛、激勵線圈、試件和檢測線圈組成。為了更真實地仿真巴克豪森噪聲檢測，材料性質(zhì)要與真實環(huán)境下的材料一致或相近，將邊界條件內(nèi)空隙設(shè)置為空氣，檢測線圈與試件間設(shè)置一定的提離值。模型如圖1 所示，材料參數(shù)為：銅激勵線圈為450匝，激勵電壓為32×sin（20πt），銅檢測線圈600匝，磁軛為90 mm×130 mm 的鐵氧體，RPV 試樣為16mm×16mm×1mm的Steel＿1008，求解邊界為空氣（氣球邊界）。

圖1 仿真模型

3 仿真結(jié)果及其分析

式中：J為傳導(dǎo)電流密度；?D／?t為位移電流密度；ρ為自由電荷體密度；E為電場強度；B為磁感應(yīng)強

3.1 檢測裝置上的磁場分布

在正弦電壓信號32×sin（20πt）激勵下，檢測裝置達(dá)到了被磁化的效果，如圖2所示。從圖2（a）可看出，試件被磁化的效果相當(dāng)好，但在U 型磁軛和試件接觸的地方磁場環(huán)境相當(dāng)惡劣，這對檢測線圈的影響非常大。從圖2（b）可以看出，檢測線圈周圍布滿了干擾磁場，加了純鐵屏蔽罩之后，外界磁場干擾被屏蔽在外面，大大減小了外界磁場干擾對檢測線圈的影響。

圖2 磁力線和磁場分布云圖

3.2 檢測線圈放置位置對有限元分析的影響

為了達(dá)到磁化小型試件的目的，U 型磁軛兩腳的內(nèi)距為12mm，外距設(shè)計為40mm。為了有效地仿真檢測線圈放置位置對巴克豪森噪聲信號的影響，在距離試件上表面0.5 mm 的位置放置一條12mm的線段，用線段仿真檢測線圈的移動，分析檢測線圈的位置對磁場的影響。

查看線段路徑上的磁場變化圖像，如圖3所示。從圖3可以看出磁感應(yīng)強度在磁軛兩腳處磁感應(yīng)強度最大，遠(yuǎn)離磁軛兩腳磁感應(yīng)強度出現(xiàn)先減小后增大，最后在中間出現(xiàn)一個尖谷的規(guī)律，主要原因是隨著遠(yuǎn)離磁軛兩腳，磁感應(yīng)強度減小，出現(xiàn)峰峰和峰谷，是由于磁場的疊加造成的。從圖2也可以看出，磁軛兩腳間距太小，磁軛兩腳之間的磁場干擾相當(dāng)嚴(yán)重，這就需要檢測線圈的屏蔽性能非常好。

圖3 檢測線圈位置與磁感應(yīng)強度的關(guān)系

3.3 檢測線圈的提離值對有限元分析的影響

檢測線圈的提離值是影響巴克豪森噪聲檢測的一個重要因素，圖4是不同提離值下的磁感應(yīng)強度隨時間的變化情況示意圖，不同提離值下磁感應(yīng)強度的差別是較大的。圖5是根據(jù)圖4的結(jié)果繪制出來的曲線。

圖4 不同提離值下磁感應(yīng)強度隨時間的變化曲線

從圖5可以看出，隨著提離值的增加，最大磁感應(yīng)強度先增大后減小。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的主要原因可能是磁軛兩腳之間距離太小，進(jìn)入檢測線圈磁感線太少，磁感應(yīng)強度不是很大；隨著提離值的增加，進(jìn)入檢測線圈的磁感線增加，磁感應(yīng)強度增大，隨著提離值再次增大，進(jìn)入檢測線圈的磁感線減少，磁感應(yīng)強度減小。從檢測線圈中的磁感應(yīng)強度的變化可以說明提離值對巴克豪森噪聲檢測的影響。

圖5 最大磁感應(yīng)強度隨檢測線圈提離值的變化

4 結(jié)論

利用Ansoft有限元分析軟件對RPV 輻照脆化檢測裝置可行性進(jìn)行仿真分析。主要針對裝置周圍磁場分布情況進(jìn)行了分析，得出了小型檢測裝置可以達(dá)到磁化試件效果的結(jié)論；在路徑上查看了磁場的變化情況，得出了磁感應(yīng)強度隨檢測線圈位置的變化關(guān)系和提離值隨檢測線圈的變化關(guān)系。這些仿真結(jié)果可以為RPV 輻照脆化檢測裝置的設(shè)計提供參考，對RPV 輻照脆化檢測準(zhǔn)確性有重要的意義。

［1］ 姜葳.質(zhì)子輻照A508－3鋼微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（21）：156－158.

［2］ 程瑞.核電壓力容器鋼輻照脆化力學(xué)效應(yīng)［D］.上海：華東理工大學(xué)，2012.

［3］ 喬建生，楊文.反應(yīng)堆壓力容器材料輻照脆化機(jī)理研究進(jìn)展［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2012（4）：480－486.

［4］ CHANG K O.Changes in magnetic parameters of neutron irradiated RPV Linde80 high copper weld surveillance specimens［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2002，79（11）：753－760.

［5］ PARK D G，KIM C G，KIM H C，et al.Effect of neutron irradiation on magnetic properties in the low alloy Ni－Mo steel SA508－3［J］.J.Appl Phys，1997，81（8）：4125－4127.

［6］ PARK D G，OK C I，JEONG H T，et al.Nondestructive evaluation of irradiation effects in RPV steel using Barkhausen noise and magnetoacoustic emission signals［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，1999，196：382－384.

［7］ 閻照文.ANSYS10.0 工程電磁分析技術(shù)與實例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［8］ 孫瑜.板型及柱型金屬表面缺陷擾動磁場的仿真分析［D］.長沙：國防科技大學(xué)，2004.

［9］ 李學(xué)超，馮恩信.脈沖激勵遠(yuǎn)場渦流管道檢測技術(shù)的有限元仿真［J］.無損檢測，2008，30（9）：31－34.

［10］ 任尚坤，孫大朋.基于有限元仿真的核電站傳熱管渦流檢測［J］.無損檢測，2012，34（4）：26－29.