基于MBN的便攜式RPV鋼輻照脆化檢測系統(tǒng)設(shè)計

王榮耀,王海濤,劉向兵2,蔣夢浩3,錢王潔2,王嘉星

(1.南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016;2.蘇州熱工研究院，蘇州 215004;3.武警江西省總隊，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。其長期在高溫、高壓、強輻照等惡劣的環(huán)境下運行，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)濟性，因此研究RPV的輻照脆化狀態(tài)，對預(yù)估RPV的壽命具有重要的意義[2]。

1996年，德國DOBMANN等比較了多種無損檢測技術(shù)的優(yōu)缺點和適用場合，以尋找合適的無損檢測方法應(yīng)用到核電站關(guān)鍵組件的在役檢測中[3]；2004年，歐洲研究中心DEBARBERIS等[4]采用數(shù)學統(tǒng)計方法描述了RPV輻照脆化的參數(shù)變化；2005年，美國的WANG等[5]利用信息融合技術(shù)建立RPV輻照脆化模型來預(yù)測RPV鋼的輻照脆化程度；2009年，中國原子能科學研究院佟振鋒等[6]對RPV鋼建立了一種輻照脆化模型來預(yù)測RPV鋼輻照脆化的程度及其發(fā)展趨勢；2013年，中國核動力研究設(shè)計院邱天等[7]在研究RPV鋼輻照脆化效應(yīng)的基礎(chǔ)上，改進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RPV鋼輻照脆化的影響，提出了一種新的方法來對RPV鋼的輻照脆化進行預(yù)測研究。

磁巴克豪森噪聲檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于電磁無損檢測領(lǐng)域，對材料的微觀結(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信號對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)生前對材料進行性能評估，實現(xiàn)材料老化的早期預(yù)警。此外，MBN檢測技術(shù)屬于非接觸式檢測，不需要耦合劑，檢測便捷，易實現(xiàn)在線檢測。在理論上MBN檢測技術(shù)用于RPV 鋼輻照損傷評估與早期預(yù)測是切實可行的，因此，筆者建立了一套針對小尺寸RPV鋼輻照脆化的便捷式檢測系統(tǒng)，并驗證了該系統(tǒng)的重復性與穩(wěn)定性。

1 傳感器設(shè)計與仿真

傳感器是便攜式巴克豪森噪聲信號檢測系統(tǒng)的核心部件，其MBN信號產(chǎn)生與接收的能力對系統(tǒng)的檢測精度有直接影響。文章設(shè)計的傳感器主要由激勵線圈、U型磁軛、工型磁芯以及檢測線圈組成，激勵線圈纏繞在U型磁軛上構(gòu)成傳感器的磁化器，檢測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

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

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)勢更明顯，當檢測線圈放在U型磁軛中心時，磁場分布均勻，可用于檢測MBN信號。U型磁軛兩腳間的間距越大，磁疇偏轉(zhuǎn)越強，檢測到的巴克豪森信號也就越強。但由于現(xiàn)有的待測試件尺寸(長×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信號又能夠符合尺寸需求的情況下，通過多次試驗設(shè)計，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中心頻率相近且在磁場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、磁導率高、損耗低及成本低等優(yōu)點。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線圈，其主要參數(shù)對比如表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要求，而檢測線圈的靈敏度更高，即對磁場強度的變化更為敏感，對于巴克豪森噪聲信號的拾取能力也更強。

表1 3種常見磁傳感器的參數(shù)對比

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，其具有磁導率高和磁通密度高的特點，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，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。

1.3 傳感器仿真與優(yōu)化

對設(shè)計的傳感器進行有限元仿真，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)計的傳感器可以很好地磁化被測試件，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 磁場強度的分布(仿真)

圖3 磁感線的分布(仿真)

在電磁無損檢測中，提離效應(yīng)是很重要的一個參數(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計的傳感器中，提離值指的是接收器與被測試件之間的距離，是巴克豪森噪聲檢測中極其重要的一個參數(shù)。筆者從有限元仿真的角度分析提離值對巴克豪森噪聲信號接收的影響，得到的磁感應(yīng)強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)強度隨提離值變化的曲線

由圖4可以看出，磁感應(yīng)強度隨提離值的增大而減小，但是提離值過小會出現(xiàn)因試件振動造成其他噪聲干擾較大的問題，故最終設(shè)計的傳感器提離值為0.3 mm。

2 便攜式巴克豪森檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 激勵電源

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。該芯片輸出信號頻率范圍為0～100 Hz，采用模擬正弦波的方法以固定時間間隔采樣來控制幅值及頻率，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的帶負載能力較低，如果直接施加在傳感器上，會引發(fā)磁場強度太弱而無法磁化RPV試件的問題，因此需要在DAC7724芯片輸出的正弦波信號與傳感器間加入功率放大器。最終確定的功率放大器實物如圖5所示，選用TDA3293芯片，該芯片內(nèi)部分為三級，其中差分輸入級由雙極型晶體管組成，推動級和功率輸出級采用場效應(yīng)管，這種結(jié)構(gòu)綜合了雙極型晶體管低噪聲和功率場效應(yīng)管在線性、溫度系數(shù)、音色上的優(yōu)勢，具有相當理想的客觀測試指標，具有低失真、高耐壓、過熱保護等優(yōu)點。

圖5 功率放大器實物圖片

2.2 調(diào)理電路

經(jīng)傳感器輸出的巴克豪森噪聲信號為毫伏甚至微伏級別，信號十分微弱且存在工頻信號、漏磁信號等干擾信號。為了得到清晰的巴克豪森噪聲信號，需要對傳感器輸出的信號進行放大及濾波，最終整個調(diào)理電路包括前置放大、高通濾波和主放大三部分，其實物圖如圖6所示。

圖6 信號調(diào)理電路實物圖片

前置放大電路選用功耗低、精度高的INA128芯片，由三個運算放大器構(gòu)成，其增益大小可通過改變外部增益調(diào)節(jié)電阻RG得到，理論增益范圍為1～10 000。一般來說，巴克豪森噪聲信號的頻率在1 kHz以上，為了消除其他噪聲以獲得較為純凈的MBN信號，系統(tǒng)在調(diào)理電路中加入了有源高通濾波器，采用運算放大器OP37作為三階高通濾波器的有源元件，最終設(shè)計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，巴克豪森噪聲信號會有一定的衰減，為進一步放大MBN信號以便分析和處理，在高通濾波電路后加入主放大電路。系統(tǒng)選用高精確的運算放大器OP37來設(shè)計主放大電路，改變反饋電阻的值可以改變放大倍數(shù)。

2.3 信號采集與顯示

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

采集到的MBN信號雖然經(jīng)過硬件調(diào)理，但是采集過程仍然會增加部分噪聲干擾，因而需要進行進一步的軟件濾波調(diào)理，以便后續(xù)信號處理。FIR濾波器是有限長單位沖擊響應(yīng)濾波器，又叫做非遞歸型濾波器，被廣泛地運用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域。便攜式檢測系統(tǒng)的采集頻率為80 kHz，會得到大量的試驗數(shù)據(jù)，而DSP內(nèi)存不能滿足，需要將數(shù)據(jù)存儲到外部RAM(隨機存儲器)中。通過改寫cmd文件，將經(jīng)過FIR濾波的MBN信號存儲到TMS320F28335板的外部RAM中。

此系統(tǒng)選用3.5 in.(1 in.=25.4 mm)增強型TJC4024K032_011R液晶屏，TMS320F28335與LCD液晶屏通過SCI串口進行通訊，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刷屏實現(xiàn)波形和特征值的顯示。

3 系統(tǒng)性能測試

3.1 穩(wěn)定性測試

在對儀器系統(tǒng)穩(wěn)定性進行測試時，將傳感器與巴克豪森檢測儀的機箱相連，測試不同激勵頻率時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用5Hz激勵頻率進行系統(tǒng)穩(wěn)定性測試，隨著測試次數(shù)的增加，相對標準偏差(Relative Standard Deviation，RSD)逐漸減小,在測試次數(shù)達到50～60次時，RSD趨于水平。頻率為4 Hz 時系統(tǒng)最大誤差為0.72%，即單次測量誤差為0.72%。傳感器頻域穩(wěn)定性測試結(jié)果如表3所示，綜合考慮RPV鋼輻照催化機理、傳感器大小、兼容檢測效率與精度，選取4Hz作為檢測首選激勵頻率。

表3 傳感器頻域穩(wěn)定性測試結(jié)果

3.2 重復性測試

由于現(xiàn)場應(yīng)用時需要手動將傳感器與被測對象進行磁耦合，考慮到被測對象的表面接觸狀況及操作方式的不同，所以在測試系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,進行了重復性測試。

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

圖7 系統(tǒng)的重復性測試結(jié)果

4 結(jié)語

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

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