核反應堆控制棒渦流檢測仿真

(中國核動力研究設計院，成都 610213)

隨著人們對能源需求和環(huán)保意識的提高，核電憑借其轉換效率高、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點成為新能源發(fā)展的重點方向。控制棒是保證核反應堆安全運行的關鍵部件，其由薄壁不銹鋼包殼管和管內填充的中子吸收材料組成，作用是通過吸收核反應過程中釋放的中子來控制反應堆功率。由于控制棒長期在高溫、高壓、高輻射的環(huán)境下工作，其薄壁不銹鋼包殼會出現(xiàn)磨損、裂紋等缺陷[1-2]，可能導致控制棒下落卡棒、冷卻劑污染等，甚至危及核電站的安全。因此，對控制棒的定期嚴格檢測是反應堆日常維護中的重要環(huán)節(jié)。渦流檢測是控制棒缺陷檢測的重要方法之一[3]，檢測過程包含缺陷的檢出與評估。目前，此類渦流檢測的研究多集中在缺陷的檢出方面，即采用有限元仿真、工程試驗等手段對渦流線圈型式進行設計，對線圈參數(shù)、檢測頻率等工藝參數(shù)進行優(yōu)化[4]，提高檢測的靈敏度，以盡可能保證缺陷的檢出。

采用CIVA軟件對控制棒不同缺陷類型(磨損、裂紋)、不同尺寸缺陷的渦流響應信號進行仿真，開展控制棒渦流檢測的信號評估研究，分析缺陷特征與渦流響應信號之間的對應關系，以期實現(xiàn)基于渦流信號幅值、相位特征的控制棒缺陷定量表征和缺陷類型識別。

1 渦流檢測仿真模型

CIVA軟件是應用于無損檢測的專業(yè)仿真平臺，由仿真、成像和分析模塊組成，常用于設計或優(yōu)化檢測工藝，預測無損檢測方法在實際無損檢測工程中的可行性和檢測能力。軟件集成了超聲、渦流、射線、CT(電子計算機斷層掃描)、導波等5種無損檢測技術，其中渦流仿真模型基于半解析[5]近似方法，具有較高的計算效率。因此，采用CIVA渦流模塊進行控制棒的渦流檢測仿真研究。CIVA模型建立的流程大致如下：① 檢測對象參數(shù)設置，包括對象幾何尺寸、材料和電磁特性參數(shù)等；② 檢測工藝參數(shù)設置，包括線圈參數(shù)、檢測頻率、掃查參數(shù)等；③ 缺陷參數(shù)設置，包括缺陷類型、幾何位置、尺寸等。基于上述模型來執(zhí)行計算，即可獲得缺陷的渦流響應信號。

以大型先進壓水堆控制棒為檢測對象，設置模型中檢測對象的幾何尺寸與材料電磁特性參數(shù)(見表1)，CIVA軟件被檢對象參數(shù)設置界面見圖1。

表1 被檢對象幾何參數(shù)與電磁特性參數(shù)

圖1 CIVA軟件被檢對象參數(shù)設置界面

檢測工藝參數(shù)包括線圈參數(shù)及檢測頻率。其中，線圈參數(shù)參考目前二代加堆型控制棒組件渦流檢測常用參數(shù)，線圈類型采用外穿絕對式線圈，內徑為10.5 mm，外徑為13 mm，寬度為1.5 mm，線圈匝數(shù)為200。檢測頻率如式(1)所示，取整后為1 MHz。

f=3ρ/t2

(1)

式中:f為檢測頻率;ρ為被檢對象電阻率;t為被檢對象壁厚。

實際檢測對象內含中子吸收芯體。由于渦流檢測存在趨膚效應，檢測頻率越高，渦流場的透入深度越小，在高頻下感應生成的渦流集中在被檢對象的近表面。文獻[4]通過有限元分析，得出檢測頻率不小于600 kHz時，感應生成的磁力線基本分布在包殼管管壁內的結論。筆者選用的檢測頻率為1 MHz，因此不考慮包殼管內部芯體對檢測帶來的影響。

掃查參數(shù)的設置主要包括掃查方式、起始位置、行進距離等。文中模型設置的掃查方式為外穿式線圈與管材同軸，相對管材進行軸向掃查；掃查的起始位置和終點位置在包殼管無缺陷處；掃查區(qū)域涵蓋缺陷區(qū)域；掃查步進遠小于檢測要求的分辨力(檢測分辨力通常要求不小于1.5 mm)。檢測工藝參數(shù)軟件設置界面如圖2所示。

圖2 檢測工藝參數(shù)軟件設置界面

控制棒組件的工作特點決定了其常出現(xiàn)磨損型缺陷與裂紋型缺陷。其中，磨損型缺陷通常分為C型磨損和V型磨損。在實際檢測中，常見檢出缺陷的軸向尺寸一般大于10 mm，遠大于線圈寬度的兩倍，因此缺陷軸向尺寸并不是最主要的影響因素。磨損型缺陷的軸向尺寸參照現(xiàn)有缺陷試樣，選取為20 mm；周向尺寸通過缺陷占試樣圓周的角度進行表征，C型磨損缺陷周向尺寸較大，設置為90°和120°，V型磨損缺陷周向尺寸較小,設置為25°；缺陷深度參照常見檢出尺寸，變化范圍為壁厚(以下用t表示)的5%40%。對裂紋型缺陷而言，常見檢出裂紋軸向長度在1020 mm之間，因此裂紋長度的平均值為15 mm；裂紋寬度設置為0.1 mm與1 mm。缺陷的網(wǎng)格劃分需根據(jù)缺陷的尺寸決定，但一般設置原則有3條：① 網(wǎng)格越細獲得的計算精度越高；② 建議各個軸的網(wǎng)格劃分數(shù)不小于3；③ 對圓柱形工件，缺陷深度方向的網(wǎng)格劃分與集膚深度有關，如式(2)所示。

(2)

式中：δ為渦流檢測標準透入深度。

根據(jù)上述參數(shù)建立的控制棒包殼管渦流檢測仿真模型如圖3所示，模型缺陷參數(shù)設置如表2所示。

圖3 控制棒包殼管渦流檢測仿真模型

表2 模型缺陷參數(shù)設置

2 渦流檢測仿真結果分析

2.1 渦流信號幅值分析

由表1可知，缺陷軸向尺寸遠大于線圈寬度1.5 mm的兩倍，此時信號幅值只受缺陷截面損失影響，而與缺陷軸向尺寸無關。裂紋不屬于面積型缺陷，僅考慮磨損型缺陷信號幅值A與截面損失s的對應關系，磨損型缺陷的截面損失s定義為缺陷體積占相同軸向尺寸試樣的體積之比，如式(3)所示。

(3)

對不同截面損失的磨損型缺陷進行仿真，得到幅值與缺陷截面損失的關系(見圖4)。

圖4 磨損型缺陷的幅值響應

由圖4可知，缺陷信號幅值與缺陷截面損失之間是線性相關的，信號幅值隨著缺陷截面損失的增加而增加。當缺陷截面損失相同，周向尺寸與深度不同的缺陷信號幅值幾乎完全相同時，最大幅值差僅為0.53 V。對兩種C型磨損的信號幅值A與截面損失s進行線性擬合，得到的s-A擬合關系式十分接近，這表明缺陷信號幅值僅由缺陷截面損失決定。實際檢測時，將獲得的缺陷信號幅值代入s-A擬合關系式中，可實現(xiàn)對缺陷截面損失的定量評估。

2.2 渦流信號相位分析

渦流信號的相位角與感應渦流在試件中傳播的深度有關，常作為對缺陷深度進行定量分析的特征量。對不同深度的磨損和裂紋缺陷進行模擬，渦流信號相位隨缺陷深度的變化如圖5所示。對圖5進行分析可得到如下結論。

圖5 渦流信號相位隨缺陷深度的變化

(1) 由圖5(a)可知，缺陷深度與渦流信號相位之間總體呈線性關系。缺陷深度增加時，C型磨損、V型磨損和裂紋3種缺陷信號的相位均隨之增加。由于試樣管壁很薄，壁厚僅0.47 mm，相同深度的3種缺陷的信號相位相差不大，但3種缺陷信號的相位隨缺陷深度增加的速度不同。因此，不同類型缺陷彼此間的相位差隨缺陷深度的增加而增加。除此之外，當裂紋的寬度減小時，信號相位略有增大。

(2) 由圖5(a)可知，當缺陷深度小于20%t時，信號相位大致分布在85°～92°之間；在此區(qū)間，C型磨損與V型磨損信號的相位差小于1°[見圖5(b)]。這表明，此時缺陷信號相位幾乎只由缺陷深度決定。因此，基于信號相位可實現(xiàn)對缺陷深度的定量分析，而無法區(qū)分缺陷類型。

(3) 由圖5(a)可知，當20%t≤缺陷深度≤40%t時，缺陷信號相位分布在92°～106°之間。此時，缺陷信號相位與缺陷深度和類型都相關，表現(xiàn)為：對于相同深度的缺陷，窄裂紋信號相位>寬裂紋信號相位>V型磨損信號相位>C型磨損信號相位。該現(xiàn)象表明，當缺陷深度超過20%t時，缺陷信號相位可以輔助缺陷的定性分析。

此外，由圖5(a)，5(b)可知，當缺陷深度在5%t～40%t范圍變化時，兩種不同周向尺寸的C型磨損信號的相位差始終小于0.5°。這表明，對于相同深度的C型磨損而言，周向尺寸對信號相位幾乎沒有影響。

2.3 渦流信號幅值與相位綜合分析

基于缺陷信號的幅值和相位可在一定程度上實現(xiàn)對缺陷截面損失和深度的定量分析,此處考慮將幅值、相位與缺陷特征聯(lián)合起來進行分析研究。缺陷-幅值-相位綜合表征如圖6所示，由圖6可知，3種類型缺陷分布的區(qū)域相對集中，具有一定的規(guī)律性，具體分析見圖7。

圖6 缺陷-幅值-相位綜合表征圖

圖7 3種缺陷的相位和幅值分布規(guī)律

由圖7(a)可知，磨損缺陷信號相位大致分布在85°～101°之間，C型磨損信號相位與V型磨損信號相位十分接近，所處區(qū)間基本一致；裂紋信號相位大約分布在92°～106°之間。同時，圖7表明信號相位在85°～92°區(qū)間內僅包含磨損型缺陷；當信號相位大于101°時僅包含裂紋型缺陷；信號相位在92°～101°時同時包含磨損型與裂紋型兩種缺陷，此時考慮引入信號幅值，對相位處于92°～101°范圍內的缺陷進一步區(qū)分，結果如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，C型磨損缺陷信號幅值明顯大于V型磨損及裂紋的幅值，幅值分布在4.511.8 V之間。因此，當缺陷信號相位在92°～101°間時，信號幅值大于4.5 V的缺陷為C型磨損缺陷，信號幅值在12.7 V之間的缺陷為V型磨損缺陷。淺裂紋缺陷與V型磨損缺陷信號幅值相近，此時應結合其他檢測方法對其進行進一步地判斷。

3 結論

(1) 渦流信號幅值與缺陷截面損失間呈線性關系，依據(jù)幅值可以對缺陷截面損失進行定量分析。

(2) 渦流信號相位與缺陷深度間總體呈線性關系。當缺陷深度較小時，可直接依據(jù)相位判定缺陷深度；當缺陷深度超過某一臨界值時，深度的定量基于確定的缺陷類型進行判定。

(3) 缺陷類型的確定無法單純依靠渦流信號幅值或相位進行判定，但是，構造的缺陷-幅值-相位圖可以成為缺陷類型判定的依據(jù)。