核電站控制棒渦流檢測的仿真設(shè)計(jì)

曹強(qiáng)，陳欣，葉琛

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海　200240；2.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司 上?！?00233）

核電站控制棒渦流檢測的仿真設(shè)計(jì)

曹強(qiáng)1，2，陳欣1，葉琛2

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司 上海200233）

核能發(fā)電以其高效、清潔成為了目前能源供應(yīng)不可或缺的重要來源?？刂瓢糇鳛榭刂坪朔磻?yīng)的核心設(shè)備，控制著核反應(yīng)的啟停。由于在運(yùn)行過程中，控制棒長期處于高溫高壓高輻射狀態(tài)，其薄壁不銹鋼包殼可能會(huì)產(chǎn)生磨損、腫脹等缺陷。本文針對上述可能產(chǎn)生的缺陷，對使用渦流檢測進(jìn)行控制棒檢測做可行性分析，針對傳感器類型、檢測頻率、填充系數(shù)、缺陷響應(yīng)、人工樣管等無損檢測參數(shù)進(jìn)行討論，并且使用軟件對其檢測過程進(jìn)行有限元仿真。

核能；控制棒；渦流檢測；有限元仿真

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對于環(huán)保意識的不斷提高，傳統(tǒng)火力發(fā)電的高污染高排放愈發(fā)不能適應(yīng)環(huán)境保護(hù)的需求。酸雨霧霾規(guī)模的不斷擴(kuò)大，更是逼迫著人類尋求更加清潔的能源，而太陽能、風(fēng)能由于其轉(zhuǎn)換效率以及天氣因素，無法作為電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)負(fù)荷，此時(shí)發(fā)展技術(shù)成熟、安全性高的核能發(fā)電成為了全球的目標(biāo)。隨著福島核事故的事態(tài)進(jìn)展，人類對于核安全的重視程度達(dá)到了空前，如何更好地控制核反應(yīng)，成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

壓水堆核電站是以高溫高壓的硼酸水作為慢化劑及熱傳導(dǎo)物質(zhì)，將鈾235發(fā)生核裂變反應(yīng)時(shí)釋放出的熱量傳遞給汽輪機(jī)做功。其中鈾235的反應(yīng)起停，是由銀銦鎘合金進(jìn)行控制。銀銦鎘合金可以快速有效的吸收裂變的反應(yīng)物中子，從而阻止核反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。在實(shí)際核電站運(yùn)行中，由于受到導(dǎo)向架的摩擦，控制棒表面會(huì)發(fā)生一定的磨損，該磨損會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部吸收體的裸露，影響核反應(yīng)控制性。對控制棒的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測非常重要，國內(nèi)外有使用水下電視、超聲波等方法［1-2］。而渦流檢測對金屬材料具有靈敏度高、可量化的特點(diǎn)，文中討論渦流檢測用于控制棒無損檢測的可行性。

1　渦流檢測的原理

電渦流檢測基本原理如圖1所示。在一個(gè)或多個(gè)銅制線圈組中通入交流電，電流的大小不變，方向呈周期性變化。將該組線圈靠近被測金屬工件，則在工件的表面及近表面會(huì)產(chǎn)生一定的電流，該感應(yīng)電流就是渦流。當(dāng)工件表面或近表面沒有缺陷時(shí)，渦流并不會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)有缺陷產(chǎn)生時(shí)，該渦流的大小會(huì)發(fā)生變化，通過次級線圈可以偵測到這種變化。通過比較原施加電壓和感應(yīng)電壓之間的相位差與標(biāo)準(zhǔn)相位差的差值，該差值以阻抗Z的形式體現(xiàn)，其變化程度取決于線圈的外型尺寸（尺寸因子r）、線圈與工件的距離d、工件的電導(dǎo)率σ、磁導(dǎo)率μ以及檢測頻率f等［3］。

2　控制棒渦流檢測可行性分析

圖1　渦流檢測基本原理示意圖Fig.1　Basic principle of eddy-current inspection

渦流檢測是線圈不需與被測物件直接接觸，可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，適合于形狀規(guī)則的工件。同時(shí)運(yùn)用渦流檢測，由于集膚效應(yīng)的特點(diǎn)，電流集中于金屬工件的表面及近表面，適用于靠近表面的缺陷檢測。控制棒由24根規(guī)則排布的直徑9.7 mm的不銹鋼管組成，壁厚0.5 mm，長度約4 m。選用合適的渦流檢測頻率，兼顧透入深度和靈敏度之間的關(guān)系，并且研發(fā)合適的工裝，遠(yuǎn)程行進(jìn)檢測，可使工作人員盡可能遠(yuǎn)離輻照。

渦流檢測對于表面和近表面的檢測靈敏度高，特別是控制棒表面的磨損、腫脹缺陷，此外可對大小不同的缺陷進(jìn)行定量的評價(jià)。由于控制棒檢測通常在核電站維修期間進(jìn)行，檢測時(shí)間窗口短，而使用渦流檢測可以非常方便的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和分析比較，便于后期的校核。

綜上所述，初期采用外傳過式差分線圈對控制棒進(jìn)行渦流檢測，選擇合適的頻率、填充系數(shù)可以達(dá)到檢測速率高、漏檢率低、性能可靠的特點(diǎn)。

3　渦流傳感器的仿真

利用COMSOL多物理場仿真軟件對傳感器的參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算［4］。

電磁渦流檢測中的電磁場屬于似穩(wěn)態(tài)交流磁場，由于傳感器和被測對象都屬于高度對稱對象，所以原有三維電磁場問題可以轉(zhuǎn)化為二維軸對稱似穩(wěn)交變電磁場問題［5］。求得了軸對稱平面的電磁場分布，即代表了整個(gè)空間分布［6］。使用軸對稱平面作為求解區(qū)域，簡化了有限元分析計(jì)算。在本文中，由于控制棒管材、檢測線圈、周圍水環(huán)境的結(jié)構(gòu)都是呈軸對稱的，因此取其截面的一半來建模，由此，控制棒電渦流檢測系統(tǒng)的仿真模型可簡化為如圖2所示的二維模型。并且賦予電氣參數(shù)，如表1所示。

圖2　渦流傳感器簡化模型Fig.2　Simplified model of eddy current sensor

3.1激勵(lì)線圈的填充系數(shù)選擇

設(shè)計(jì)渦流傳感器需首先選擇傳感器的填充系數(shù)η，即管材外截面積與線圈截面積的比值，如公式（1）所示。

表1　模型中的電氣參數(shù)賦值Tab.1　Electrical parameter

式中，D為線圈組直徑（mm），d為待測工件直徑。

由于填充系數(shù)并非越高越好，過高的填充系數(shù)會(huì)導(dǎo)致控制棒在穿過傳感器時(shí)發(fā)生卡殼、減速等故障，引起控制棒的損壞。而低填充系數(shù)的傳感器雖然有良好的通過性，但對于缺陷的檢測靈敏度較低。通過有限元仿真軟件COMSOL，模擬3種不同填充系數(shù)（78%、70%、65%）如表2所示的傳感器電磁場能量及磁力線分布，觀察最適合的填充系數(shù)。由于控制棒的外徑為9.7 mm，可能發(fā)生的腫脹區(qū)域厚度約為0.5 mm，為了避免控制棒無法通過傳感器，選用的傳感器填充系數(shù)不應(yīng)大于80%。

表2　不同填充系數(shù)的傳感器Tab.2　Different types of sensors

經(jīng)過軟件仿真計(jì)算對比，如圖3所示，三種類型的傳感器在工件表面產(chǎn)生了大量的渦電流，引起這一現(xiàn)象的主要原因是集膚效應(yīng)，即電流集中在工件外表的薄層，越靠近工件表面，電流密度越大，內(nèi)部實(shí)際上電流較小。如圖3（c）中所示，過小的填充系數(shù)65%，其傳感器產(chǎn)生的磁力線大量集中在工件上表面，無法穿透0.5 mm壁厚的不銹鋼，這樣勢必會(huì)引起工件下表面的缺陷無法被偵測出。而70%與78%填充系數(shù)的傳感器，如圖3（a）（b）所示，越高的填充系數(shù)，帶來工件內(nèi)部越均勻的磁力線分布，磁場密度與能量也越強(qiáng)，在選擇傳感器時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮型號A的傳感器。

3.2激勵(lì)線圈的頻率選擇

檢測頻率也是渦流檢測中的重要參數(shù)，直接影響了檢測的靈敏度，理論上如公式（2）所示，在待測工件不變的情況下，透入深度與檢測頻率呈反比，即檢測頻率越高，透入深度也就越低。

式中δ為有效透入深度（mm）；f為檢測頻率（Hz）；μ為磁導(dǎo)率（H/m）；σ為電導(dǎo)率（S/m）。

選取60 kHz、600 kHz、6 000 kHz 3種檢測頻率進(jìn)行有限元仿真，觀察不同頻率下的磁場分布情況。

圖3　各類型傳感器磁力線分布情況Fig.3　The magnetic distribution of different sensors

圖4　不同檢測頻率下磁力線分布情況Fig.4　Magnetic field distribution under different conditions of frequency detection

如圖4（a）所示，在60 kHz檢測頻率下，雖磁力線分布可以覆蓋整個(gè)工件，但分布稀疏，磁場能量較低。當(dāng)檢測頻率提高到如圖4（c）所示的6 000 kHz時(shí)，磁力線密度大大增加，渦電流產(chǎn)生了明顯的集膚效應(yīng)，大量聚集于工件的僅表面，使得工件內(nèi)部的缺陷無法被偵測出。選擇600 kHz作為檢測頻率，磁力線在工件中分布均勻，能量密度較為集中，透入深度較為合理。

4　人工缺陷的設(shè)計(jì)

由于控制棒不屬于承壓設(shè)備，不適用于JB/T4730中對于人工缺陷的相關(guān)規(guī)定，所以根據(jù)缺陷形成的機(jī)理設(shè)計(jì)適用的人工缺陷［7］。

如圖5所示，在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，受到高溫高壓的硼酸水的沖擊，控制棒組件在堆芯內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微振現(xiàn)象，反復(fù)與導(dǎo)向架進(jìn)行摩擦，日積月累會(huì)產(chǎn)生磨損減薄。此外，當(dāng)整個(gè)電站處于負(fù)荷跟隨運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，控制棒會(huì)隨著功率要求做上下布進(jìn)運(yùn)動(dòng)，與導(dǎo)向架會(huì)產(chǎn)生不可避免的接觸，最終導(dǎo)致產(chǎn)生磨損［2］。而腫脹缺陷多發(fā)于局部磨損后，由于壁厚減薄無法抵擋內(nèi)部芯塊的迅速膨脹，從而引起減薄出的腫脹。

由此可以看出，無論是磨損還是腫脹，缺陷都體現(xiàn)在局部的體積性金屬流失。由于導(dǎo)向架的厚度限制，缺陷的長度一般不超過10 mm。應(yīng)設(shè)計(jì)有代表性的體積性缺陷作為人工缺陷。如圖6所示為典型人工缺陷，設(shè)計(jì)有20%及50%周向槽，用于模擬實(shí)際缺陷。

圖5　控制棒磨損機(jī)理Fig.5　Control rod wear mechanism

圖6　人工缺陷示意圖Fig.6　Artificial defects

5　檢測過程的仿真

使用CIVA軟件 （半有限元專業(yè)無損檢測仿真軟件），對人工缺陷進(jìn)行渦流仿真［8］。軟件中模擬人工缺陷，關(guān)鍵參數(shù)選擇根據(jù)傳感器仿真結(jié)果得出，如表3和圖7所示。

表3　CIVA軟件參數(shù)設(shè)置Tab.3　Parameter settings of CIVA

圖7　CIVA軟件設(shè)置界面Fig.7　Parameter settings of CIVA

如圖8所示的仿真結(jié)果中可以看出，利薩如圖中所呈現(xiàn)的信號能夠有效反應(yīng)缺陷相應(yīng)，所設(shè)計(jì)的傳感器能夠有效得檢測出20%的壁厚減薄。

圖8　CIVA軟件仿真結(jié)果Fig.8　Results of CIVA

6　結(jié)束語

文中針對核電站控制棒組件的渦流檢測從技術(shù)角度進(jìn)行了可行性分析，并得出了以下結(jié)論：

1）可用渦流檢測方法對核電站控制棒進(jìn)行無損檢測，其具有檢測靈敏度高，檢測速度快的優(yōu)勢。

2）傳感器宜選用外穿過式渦流探頭，檢測頻率為600 kHz左右，填充系數(shù)80%左右。

3）需設(shè)計(jì)合理的傳感器工裝與檢測臺架，配合整個(gè)檢測過程。

［1］張麗琴，鐘志民，李勁松，等.燃料組件控制棒包殼在役超聲渦流自動(dòng)檢測［J］.無損檢測，2005（1）：38-40.

［2］蔡家藩，陳增武，喬維，等.核電站反應(yīng)堆控制棒束組件自動(dòng)檢查［J］.無損檢測，2013（5）：71-77.

［3］任海燕，丁克勤.低頻渦流檢測激勵(lì)頻率選取的仿真研究［J］.無損探傷，2009（3）：18.

［4］許亮.應(yīng)用COMSOL有限元軟件分析電磁響應(yīng)特性［J］.無線互聯(lián)科技，2012（11）：47.

［5］孫朝明，徐彥霖，劉寶.有限元方法用于渦流磁場計(jì)算的有效性分析［J］.無損檢測，2006（11）：564.

［6］孫凱，盧榮勝，張勇.基于COMSOL Multiphysic電渦流傳感器的仿真和設(shè)計(jì)［J］.中國儀器儀表，2010（4）：63-66.

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The simulation design of eddy current inspection on the control rod of nuclear power plant

CAO Qiang1，2，CHEN Xin1，YE Chen2
（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.State Nuclear Power Plant Services Company，Shanghai 200233，China）

Nuclear power for its efficient，clean now become an important source of enenrgy supply.As a critical equipment，the control rod is used to start and stop the core.In the process of the reaction，because the control rod is in long-term radiation condition of high temperature and high pressure，the thin-wall stainless steel cladding may bring wear，swelling and other defects.This issue dissus eddy current inspection on the control rod.Dissus the types of sensors，the frequency of detection，the filling coefficient of the sensors，the corresponding defects，artificial tube.etc.Also do the finite element simulation of the inspection process using software.

nuclear power；control rod；eddy current inspection；finite element simulation

TN06

A

1674－6236（2016）03-0057-04

2015-03-16稿件編號：201503211

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX06001-003）

曹 強(qiáng)（1987—），男，上海人，碩士研究生，工程師。研究方向：電磁檢測、核電運(yùn)行技術(shù)。