托卡馬克內(nèi)部線圈導(dǎo)體偏心缺陷渦流檢測(cè)探頭參數(shù)優(yōu)化

趙宏達(dá),任學(xué)冬,喬海燕,劉廣華,李　勇,陳振茂

(1.中航工業(yè)北京航空材料研究院， 北京 100095;2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095;3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100095;4.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049)

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托卡馬克內(nèi)部線圈導(dǎo)體偏心缺陷渦流檢測(cè)探頭參數(shù)優(yōu)化

趙宏達(dá)1,2,3,任學(xué)冬1,2,3,喬海燕1,2,3,劉廣華1,2,3,李勇4,陳振茂4

(1.中航工業(yè)北京航空材料研究院， 北京 100095;2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100095;3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100095;4.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049)

摘要：針對(duì)托卡馬克內(nèi)部線圈導(dǎo)體在加工過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生偏心缺陷，導(dǎo)致中間陶瓷層絕緣效果降低的問(wèn)題，通過(guò)不同結(jié)構(gòu)柔性渦流探頭及各種放置方式下檢出效果的對(duì)比,分析了探頭優(yōu)化配置方式。為進(jìn)一步提高檢出靈敏度，基于退化磁矢位(Ar)方法進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，探討了不同尺寸參數(shù)的柔性探頭對(duì)檢出效果的影響，對(duì)探頭尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為實(shí)際檢出時(shí)渦流探頭的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)部線圈；渦流檢測(cè)；偏心缺陷；參數(shù)優(yōu)化

內(nèi)部線圈安裝在托卡馬克裝置屏蔽模塊后面的真空容器壁上，主要用來(lái)控制等離子體邊界局域模式、電阻墻模式和垂直穩(wěn)定性，在整個(gè)試驗(yàn)反應(yīng)堆的運(yùn)行中起著重要作用[1]。內(nèi)部線圈的具體結(jié)構(gòu)為雙層套管型導(dǎo)體，內(nèi)部銅管為導(dǎo)電部件，內(nèi)部通以冷水進(jìn)行冷卻。由于真空室內(nèi)部環(huán)境具有超高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)以及強(qiáng)輻射等特點(diǎn)，內(nèi)部線圈外管選用高鎳合金Inconel 625制成的外管來(lái)確保整個(gè)套管導(dǎo)體的強(qiáng)度，且內(nèi)管與外管之間由壓實(shí)的氧化鎂顆粒填充以保持絕緣[2]。由于內(nèi)部線圈導(dǎo)體加工成型過(guò)程中需要擠壓，擠壓過(guò)程中可能導(dǎo)致套管導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部銅管產(chǎn)生與外側(cè)鋼管不同軸，即發(fā)生偏心，而引起中間氧化鎂陶瓷層厚度分布不均勻，影響其絕緣效果，甚至可能導(dǎo)致等離子體破裂等嚴(yán)重事故的發(fā)生。因此，對(duì)內(nèi)部線圈導(dǎo)體結(jié)構(gòu)偏心缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)尤為重要。

渦流檢測(cè)以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，具有檢測(cè)速度快、無(wú)耦合劑、檢測(cè)靈敏度高以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，適用于導(dǎo)體的無(wú)損檢測(cè)[3-4]。通過(guò)數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)研究，筆者提出了使用特定頻率下測(cè)得的差分電阻值來(lái)評(píng)價(jià)套管導(dǎo)體偏心程度的方法。此外，通過(guò)使用柔性探頭代替剛性探頭以減小提離效應(yīng)，并對(duì)探頭的不同放置方式下的檢出效果進(jìn)行了探究，提出了采用絕對(duì)式柔性探頭進(jìn)行檢測(cè)的最佳方案[5-6]。在已有的研究基礎(chǔ)上基于退化磁矢位(Ar)方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，探究不同尺寸參數(shù)的柔性探頭對(duì)檢出效果的影響，對(duì)探頭尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)際檢出時(shí)渦流探頭的繞制提供了理論依據(jù)。

1數(shù)值計(jì)算方法

Ar法是一種計(jì)算渦流場(chǎng)和渦流檢測(cè)信號(hào)的有限元方法，具有良好的計(jì)算精度[7]。由于在Ar法中電流源場(chǎng)的磁矢位和渦流源場(chǎng)的磁矢位是獨(dú)立考慮的，所以在實(shí)際計(jì)算中無(wú)需對(duì)探頭進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，極大地方便了檢測(cè)信號(hào)的計(jì)算?；贏r法對(duì)9 kHz激勵(lì)頻率下不同偏心距離(0，0.5，1，1.5，2.0 mm)的檢出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并提取信號(hào)的實(shí)部分量進(jìn)行分析。內(nèi)部線圈具體參數(shù)如表1所示。數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，檢測(cè)探頭為絕對(duì)式柔性探頭，沿偏心方向放置，具體參數(shù)為:外徑R=20 mm，內(nèi)徑r=5 mm，高h(yuǎn)=1.5 mm，n=320匝。

為分析不同參數(shù)的柔性探頭的檢出效果，保持單匝線圈通電電流不變，采用單一變量法，對(duì)于R,r,h,n四個(gè)參數(shù)，令其中三個(gè)不變，對(duì)9 kHz激勵(lì)頻率下的檢出信號(hào)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，探究不同參數(shù)的柔性探頭對(duì)檢出效果的影響。

圖1　內(nèi)部線圈導(dǎo)體示意

圖2　數(shù)值計(jì)算模型

線圈外徑/mm內(nèi)徑/mm厚度/mm電導(dǎo)率/(S·m-1)相對(duì)磁導(dǎo)率內(nèi)管46.0033.306.355.7×1071.00外管59.0051.004.008.1×1051.00中間層51.0046.002.5001.00

2數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)檢測(cè)效果的影響

2.1探頭外徑對(duì)檢測(cè)效果影響

保持探頭的激勵(lì)頻率及單匝線圈通電電流不變，令內(nèi)徑r=5 mm，高度h=1.5 mm，匝數(shù)n=320匝。激勵(lì)頻率為9 kHz,線圈外徑R分別為10,15,20,25,30 mm時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3　線圈外徑不同時(shí)差分電阻-偏心距離曲線

在圖3中，橫坐標(biāo)為偏心距離，縱坐標(biāo)為差分電阻值。每條曲線的變化率對(duì)應(yīng)此時(shí)的檢出靈敏度。由于圖3中各曲線線性度較好，各曲線斜率絕對(duì)值即為此時(shí)檢出靈敏度。從圖3可以看出，當(dāng)檢測(cè)條件及線圈探頭其他參數(shù)不變時(shí)，隨線圈外徑的增大，差分電阻值呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，且檢出靈敏度也增大。

2.2探頭內(nèi)徑對(duì)檢測(cè)效果影響

保持探頭的激勵(lì)頻率及單匝線圈通電電流不變，令外徑R=20 mm，高度h=1.5 mm，匝數(shù)n=320匝。激勵(lì)頻率為9 kHz,線圈內(nèi)徑r分別為3,5,7,10,15 mm時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　線圈內(nèi)徑不同時(shí)差分電阻-偏心距離曲線

由圖4可以看出，當(dāng)檢測(cè)條件及線圈其他參數(shù)不變時(shí)，隨線圈外徑的增大，差分電阻值呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)，且檢出靈敏度也在提高。

2.3探頭高度對(duì)檢測(cè)效果影響

保持探頭的激勵(lì)頻率及單匝線圈通電電流不變，令R=20 mm，r=5 mm，匝數(shù)n=320匝。激勵(lì)頻率為9 kHz,線圈高度h分別為0.5,1,1.5,2,2.5 mm時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5　線圈高度不同時(shí)差分電阻-偏心距離曲線

由圖5可以看出，當(dāng)檢測(cè)條件及線圈探頭其他參數(shù)不變時(shí)，隨著線圈高度的增加，差分電阻值呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，檢出靈敏度減小。

2.4探頭匝數(shù)對(duì)檢測(cè)效果影響

保持探頭的激勵(lì)頻率及單匝線圈通電電流不變，令R=20 mm，r=5 mm，高度h=1.5 mm。激勵(lì)頻率為9 kHz,當(dāng)線圈匝數(shù)n分別為200,260,320,380,440時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6　線圈匝數(shù)不同時(shí)差分電阻-偏心距離曲線

由圖6可以看出，當(dāng)檢測(cè)條件及線圈探頭其他參數(shù)不變時(shí)，隨著線圈匝數(shù)的增加，差分電阻值呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，且檢出靈敏度也增大。

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件不變，分別增大線圈的外徑、內(nèi)徑以及線圈匝數(shù)時(shí)，差分電阻值會(huì)隨之減小，且減小趨勢(shì)較為明顯；當(dāng)其他條件不變，增大線圈的高度時(shí)，差分電阻值會(huì)隨之增大，但通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)，增大趨勢(shì)并不明顯。因此，對(duì)于內(nèi)部線圈導(dǎo)體的偏心缺陷渦流檢測(cè)，線圈的外徑、內(nèi)徑以及線圈匝數(shù)較線圈高度對(duì)檢出靈敏度的影響更大。實(shí)際檢出試驗(yàn)中，應(yīng)盡量保證線圈的外徑、內(nèi)徑以及線圈匝數(shù)達(dá)到要求。

3基于正交試驗(yàn)法的線圈參數(shù)優(yōu)化

3.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)法是利用排列整齊的正交表來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)通過(guò)較少的試驗(yàn)次數(shù)找到較好的生產(chǎn)條件，以達(dá)到最好的生產(chǎn)效果。正交表能夠在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，使每次試驗(yàn)都具有較強(qiáng)的代表性，由于正交表具備均衡分散的特點(diǎn)，保證了全面試驗(yàn)的某些要求，這些試驗(yàn)往往能夠較好或更好地達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康腫8]。因此安排合理的正交試驗(yàn)分析線圈外徑、內(nèi)徑以及線圈匝數(shù)對(duì)檢出靈敏度的影響程度具有可行性。

考慮外徑和內(nèi)徑的交互作用(此為虛因素，不影響試驗(yàn)的設(shè)計(jì))。選取四因素、三水平的L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體因素與水平的選取由表2給出。

表2　因素及水平選取

3.2正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)表選取的9個(gè)樣本進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，提取檢出信號(hào)電阻分量進(jìn)行分析得到差分電阻值與偏心距離之間的關(guān)系，對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合，所得擬合直線斜率絕對(duì)值即為檢出靈敏度。將檢出靈敏度作為分析指標(biāo)yi，此時(shí)正交試驗(yàn)及極差分析如表3所示。

在正交試驗(yàn)分析中，各因素對(duì)應(yīng)極差反映了其對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小。因此，由表3得出，線圈匝數(shù)n的影響最大，線圈外徑R的影響次之，然后是線圈的內(nèi)徑r，線圈外徑R與內(nèi)徑r的交互作用影響最小。

表3　正交試驗(yàn)結(jié)果分析

4結(jié)論

對(duì)托卡馬克內(nèi)部線圈導(dǎo)體偏心缺陷的渦流檢測(cè)，探頭的檢出靈敏度隨探頭線圈的外徑、內(nèi)徑以及匝數(shù)的增大而顯著提高；探頭的檢出靈敏度隨探頭線圈高度的增大而減小，且影響較小。進(jìn)一步的正交試驗(yàn)揭示了線圈的外徑、內(nèi)徑、外徑同內(nèi)徑的交互作用以及線圈匝數(shù)四個(gè)因素對(duì)于提高檢出靈敏度的重要性依次為匝數(shù)、外徑、內(nèi)徑、外徑*內(nèi)徑。因此，實(shí)際制作渦流探頭時(shí)，為提高檢測(cè)靈敏度，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

(1) 盡量保證探頭匝數(shù)足夠多，此時(shí)可以選直徑較小的漆包線進(jìn)行線圈的繞制。

(2) 應(yīng)盡量增大探頭的外徑和內(nèi)徑，減小線圈的高度。

(3) 當(dāng)線圈的匝數(shù)一定時(shí)，增大探頭的外徑可以減小線圈的厚度，厚度減小的同時(shí)會(huì)提高檢測(cè)靈敏度。此外，對(duì)于柔性探頭，厚度的減小可以提高線圈探頭的柔韌性，增強(qiáng)其與待檢導(dǎo)體的貼合度，有利于減小提離效應(yīng)帶來(lái)的誤差。

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Parameter Opitimization of Eddy Current Testing Probe for Evaluation of Eccentricity in Conductors of Tokamak In-Vessel Coils

ZHAO Hong-da1,2,3, REN Xue-dong1,2,3, QIAO Hai-yan1,2,3, LIU Guang-hua1,2,3, LI Yong4, CHEN Zhen-mao4

(1.AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China;3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China;4.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China)

Abstract：During manufacture procedure of IVCs, eccentricity may occur between the inner and outer tubes. Large eccentricity could seriously reduce the insulation property of the middle ceramic layer of IVC conductor and weaken the performance of entire IVC. Therefore, it is necessary to evaluate the eccentricity of IVCs by using non-destructive testing techniques. An eddy current testing method based on flexible probe had been proposed in early studies of authors. To enhance the sensitivity of the eddy current testing method further, in this paper, a numerical simulation was performed based on the reduced magnetic vector potential method (Ar) to investigate the influence of probe size on the testing sensitivity. Simulation results clarified the optimized parameters of flexible probe, and provide a theoretical basis for the design of flexible probe for practical application.

Key words:In-vessel coil; Eddy current testing; Eccentricity; Parameter optimization

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：趙宏達(dá)(1989-),男,碩士,助理工程師,主要從事滲透檢測(cè)及電磁檢測(cè)研究工作。通信作者: 趙宏達(dá), E-mail: zhaohd621@163.com。

DOI:10.11973/wsjc201605004

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)05-0014-04