基于TMR傳感器陣列的蒸汽發(fā)生器換熱管檢測探頭設(shè)計

陶 鈺，呂坤勇，彭 磊,2，李曉光，葉朝鋒,4

(1.上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201210；2.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050;3.中廣核檢測技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215026；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電廠一回路和二回路的邊界。來自一次回路的反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過蒸汽發(fā)生器換熱管傳遞給二次回路的水循環(huán)中，產(chǎn)生蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電。通常一個蒸汽發(fā)生器由數(shù)千根換熱管組成。在長期的高溫、高壓、機械振動和化學(xué)腐蝕等作用下，換熱管會出現(xiàn)老化，隨著時間的積累甚至導(dǎo)致管道破裂[1]。若不及時發(fā)現(xiàn)換熱管中存在的結(jié)構(gòu)缺陷，則可能導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏到環(huán)境中，造成重大危害。因此，定期對換熱管進行結(jié)構(gòu)健康檢測，對確保核電站管道完整性和安全運行具有重要意義。

渦流檢測是探測和表征管壁缺陷的一種有效方法。近年來，利用渦流檢測的方法對蒸汽發(fā)生器換熱管進行檢測的技術(shù)不斷發(fā)展，以提高檢測速度及可靠性。Bobbin探頭、旋轉(zhuǎn)探頭(餅形旋轉(zhuǎn)探頭、十字交叉探頭)、陣列探頭(X探頭、智能陣列探頭)等，被廣泛用于檢測和表征管壁缺陷[2]。文獻[3-5]中提出了一種利用三相交流電驅(qū)動的三相勵磁繞組式旋轉(zhuǎn)渦流探頭，試探頭對各個方向的缺陷都很敏感，且具有很快的檢測速度，但三相繞組引起的管壁渦流在管子周向方向上是不均勻的，將導(dǎo)致缺陷信號依賴于其周向位置，從而增加了信號解釋的復(fù)雜性。近些年來，高靈敏度的磁阻效應(yīng)傳感器在無損檢測中的應(yīng)用引起了研究者們的研究興趣。文獻[6]提出了一種采用旋轉(zhuǎn)電流勵磁方案和巨磁電阻傳感器(GMR)測量磁場成像，對軸向和周向缺陷均敏感，且在寬頻率范圍內(nèi)具有高靈敏度的優(yōu)點。文獻[7]提出了一種帶有TMR傳感器陣列的Bobbin探頭，用于對鋁管內(nèi)部裂紋進行成像和評估，同時，鋁管內(nèi)壁縱向裂紋的深度和長度都可以通過檢測數(shù)據(jù)進行量化。文獻[8]針對管道檢測中內(nèi)、外壁缺陷難以區(qū)分的問題進行了研究，通過仿真模型研究了缺陷幾何尺寸對線圈探頭產(chǎn)生磁場的變化規(guī)律，分析了軸向方向磁感應(yīng)強度與線圈匝數(shù)及缺陷深度的關(guān)系，最后利用探頭樣機實驗驗證了探頭設(shè)計的可行性。

本文提出了一種新型的渦流檢測探頭，利用實驗驗證的有限元模型對探頭的設(shè)計和性能進行評估，并結(jié)合探頭樣機檢測實驗，對缺陷的仿真結(jié)果進行驗證。

1 TMR陣列傳感器探頭

1.1 TMR傳感器

隧道效應(yīng)磁阻(TMR)傳感器原核心是磁隧道結(jié)(MTJ)，其原理結(jié)構(gòu)及典型的響應(yīng)曲線如圖1所示[9-10]。MTJ由多層納米級厚度的薄膜組成，包括導(dǎo)電層、合成反磁耦合層、偏置層、隧道層(絕緣層)和自由反轉(zhuǎn)層等。在納米尺度下，電子能夠基于量子隧道效應(yīng)穿越其中的絕緣層。當(dāng)自由反轉(zhuǎn)層與偏置層的磁化方向相同時，電子更容易隧穿過絕緣層，因此，MTJ的電阻值與敏感軸方向的外磁場有關(guān)。

圖1 MTJ的原理結(jié)構(gòu)及其典型的響應(yīng)特性曲線

TMR磁傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、溫度漂移小等優(yōu)點[11-12]。此外，由于TMR傳感器可以和讀出電路一起集成在CMOS晶圓片上，所以傳感器可以制作的非常緊湊密集，從而提高在小范圍內(nèi)的分辨率。因此，TMR傳感器非常適用于空間分辨率高、靈敏度高的陣列應(yīng)用。

1.2 探頭設(shè)計

為了提高探頭的測量靈敏度和輸出信噪比，設(shè)計采用體積為0.45 mm×0.45 mm×0.45 mm，且由128個MTJ串聯(lián)組成的TMR傳感元件，這些元件被微加工工藝精密加工成顆粒狀，固定并鍵合到一個圓形電路板上。每個傳感器原敏感軸都位于其所在位置的徑向方向，用于測量感應(yīng)磁場的徑向分量(Br)。該電路板上還集成了制作探頭所需要的連接傳感器到讀出裝置的連接器。TMR傳感器陣列圖如圖2所示。

圖2 PCB上引線鍵合封裝而成的TMR陣列傳感器實物圖

將帶有TMR傳感器陣列的圓形PCB板放入3D打印的塑料結(jié)構(gòu)中，在傳感器陣列的外側(cè)放置一個匝數(shù)為70匝，內(nèi)徑16 mm，外徑16.2 mm，高度為11.5 mm的Bobbin線圈來激發(fā)渦流場，傳感器陣列位于線圈中心，如圖3所示。當(dāng)探頭在存在缺陷的管子內(nèi)沿軸向方向掃描時，由缺陷引起的渦流流動中的擾動會產(chǎn)生額外的徑向分量磁場，并由TMR傳感器測得，進而生成c掃描圖像。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)探頭實物圖

2 基于仿真模型的參數(shù)研究

本文建立的蒸汽發(fā)生器換熱管道仿真模型的內(nèi)徑、外徑、高度分別為8.44 mm、9.53 mm、40 mm。管材料為Inconel 690，電導(dǎo)率為8.7×105S/m?？諝夂腿毕莸碾妼?dǎo)率都設(shè)置為0。在該模型中，材料的相對磁導(dǎo)率設(shè)置為1。使用一個環(huán)形激勵線圈在管壁上激勵產(chǎn)生渦流。線圈的內(nèi)徑、外徑和高度分別為7.74 mm，7.94 mm和2 mm。激勵電流為頻率為100 kHz，幅值為10 mA的正弦電流。

利用壓縮磁矢勢Ar,V-Ar方程[13]來建立探頭和待測管道的三維有限元模型，如式(1)和式(2)所示：

▽×v▽×Ar+jωσAr+σ▽V=▽×Hs-▽×vHs-jωσAs

(1)

▽·(jωσAr+σ▽V)=-▽·jωσAs

(2)

式中：v為磁阻率；σ為電導(dǎo)率；ω為角頻率。

磁場強度H分解為由激勵電流產(chǎn)生的Hs和由感應(yīng)電流產(chǎn)生的Hr，同理，磁矢量勢A分解為由激勵電流產(chǎn)生的As和由感應(yīng)電流產(chǎn)生的Ar。為節(jié)約計算時間，使用空間均勻的激勵磁場來等效計算，則式(1)、式(2)中等號右邊的Hs和As是時間的函數(shù)，而在整個空間內(nèi)均勻?？紤]到激勵線圈的尺寸遠大于傳感器的尺寸，這種簡化所帶來的誤差可忽略。使用簡化模型后，只需要一次數(shù)值計算，就可生成一個時間點整個掃描平面內(nèi)的磁場圖像，而不需要在空間做掃描，如此，就可節(jié)約計算時間。

利用三維有限元模型，模擬了缺陷檢測的物理過程，并預(yù)測了由EC-TMR探頭測量得到的管壁不同方向的缺陷信號以及提離效應(yīng)引起的感應(yīng)磁場的徑向分量變化。

2.1 缺陷方向

首先仿真研究了缺陷方向?qū)z測檢出的影響。利用以管中心為原點、沿管軸向的-z軸方向和管壁沿圓周展開的周向位置來分析問題。

在三維有限元仿真模型里，管壁上有一個長4 mm、寬0.2 mm的窄縫型穿透缺口，中心位于z=5 mm處。缺陷長軸與換熱管的軸向方向夾角為θ。將待測管壁沿z=0截面周向展開后，缺陷的位置和角度如圖4所示。

圖4 缺陷方向示意圖

當(dāng)缺陷與z軸的角度θ分別為15°、30°、45°、60°、75°、90°時，探頭檢測到的感應(yīng)磁場徑向分量(Br)的實部信號如圖5所示，虛部信號如圖6所示。

圖5 Br實部信號

圖6 Br虛部信號

圖7為缺陷偏移角度與感應(yīng)磁場幅值峰值變化的趨勢圖。從圖5～圖7可以看出，當(dāng)缺陷方向與待測樣品軸向方向一致時，所測得的信號峰值最大，隨著缺陷偏移角度的增大，測得感應(yīng)磁場的峰值幅度呈減小趨勢。這是因為激勵線圈所產(chǎn)生的渦流在管壁中沿圓周方向流動，因此，軸向缺陷會對其產(chǎn)生明顯的擾動。然而，當(dāng)缺陷與渦流流向平行時，會產(chǎn)生較小的擾動，所以一定程度上降低了檢測能力。

圖7 Br峰值的變化與缺陷角度關(guān)系

2.2 提離效應(yīng)

在工業(yè)實際應(yīng)用中，經(jīng)常采用特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)來避免探頭振動，但在實際檢測過程中，探頭仍有微小的提離變化。對于常規(guī)ECT系統(tǒng)，由于提離變化引起的噪聲是檢測過程中難點。本節(jié)將研究提離變化對探頭輸出信號的影響。

2.2.1 無缺陷條件下提離效應(yīng)分析

假設(shè)探頭在管內(nèi)無缺陷區(qū)域掃描，探頭中心位于偏離管子中心Δl處。如圖8所示。

(a)探頭俯視圖

(b)探頭側(cè)視圖

利用以管中心為原點、沿管軸向的-z軸和沿離中心方向的-y軸的笛卡爾坐標(biāo)系來分析問題。根據(jù)Biot-Savart定律，任意觀測點的感應(yīng)磁場表達式為：

(3)

式中Bx、By、Bz分別為觀測點-x、-y、-z方向的感應(yīng)磁場分量；V為體積積分；Jx、Jy、Jz為源點處-x、-y和-z方向的電流密度；μ0為空氣磁導(dǎo)率；|r|為觀測點到源點的距離；rx、ry、rz分別是|r|在-x、-y、-z方向上的投影。

由于陣列傳感器位于z=0平面，以任意的傳感器位置為觀測點，如圖8(b)所示，有兩個源點P和Q滿足式(4)～式(7)。

(4)

(5)

(6)

|rP|=|rQ|

(7)

由于管子和探頭是關(guān)于z=0平面對稱的，在P和Q處的源電流滿足式(8)。

Jx(x,y,z)=Jx(x,y,-z)Jx(x,y,z)=Jy(x,y,-z)Jz(x,y,z)=-Jz(x,y,-z)

(8)

因此

(9)

(10)

從式(9)和式(10)可以看出，在任意傳感器位置，Bx=0，By=0。因此，可以得出結(jié)論：在沒有缺陷時，無論提離變化Δl多大，傳感器的輸出均為0。這是一個特別有用的結(jié)論，因為大多數(shù)被測試的蒸汽發(fā)生器換熱管在實際應(yīng)用中都是沒有缺陷的，而在沒有缺陷的區(qū)域由于提離效應(yīng)引起的輸出信號波動5給后續(xù)處理帶來了很大挑戰(zhàn)，其中一些甚至?xí)?dǎo)致誤報。

2.2.2 有缺陷時提離效應(yīng)的影響

2.2.1節(jié)從理論上證明了在沒有缺陷的換熱管中，由于探頭的振動導(dǎo)致的提離變化不會對輸出信號產(chǎn)生任何影響。本節(jié)將討論在有缺陷的調(diào)協(xié)處，提離效應(yīng)將導(dǎo)致輸出結(jié)果的變化情況。

圖9為本節(jié)仿真設(shè)置中缺陷位置與管壁的坐標(biāo)位置示意圖，當(dāng)仿真模型分別設(shè)置為(1)探頭沿x方向提離變化范圍為-0.3 ～0.3 mm，y方向無提離變化；(2)探頭沿x方向無提離變化，y方向提離變化范圍為-0.3 ～0.3 mm時，傳感器輸出信號實部與虛部峰值分別如下圖10、圖11所示。

圖9 缺陷位置與管壁關(guān)系示意圖

圖10 Br峰值變化與x方向提離變化趨勢圖

圖11 Br峰值變化與y方向提離變化趨勢圖

從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)探頭提離沿著x方向變化時，越靠近缺陷位置，所測得信號峰值越大，當(dāng)x=0時，即探頭中心距離缺陷位置的直線距離最近時，峰值最大；當(dāng)探頭提離沿著y方向變化時，信號峰值隨著y坐標(biāo)的增大不斷增強，即越靠近缺陷位置，測得信號峰值越大。因此，有效控制探頭在管內(nèi)掃描過程中的振動對更有效的檢測管壁缺陷，提高輸出信噪比具有重要意義。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗系統(tǒng)搭建

在基于仿真研究的基礎(chǔ)上，利用實測實驗來驗證本文提出的探頭設(shè)計的可行性。實驗使用換熱管樣品來進行缺陷檢測，管道內(nèi)外徑分別為16.6 mm和19 mm，管材料為Inconel 690。在管壁同一水平方向加工4個缺陷，分別為：(1)直徑2 mm通孔缺陷；(2)直徑2 mm、50%壁厚的平底孔缺陷；(3)7 mm×1.2 mm，深度為50%壁厚窄縫型缺陷；(4)13 mm×1.2 mm，深度為50%壁厚窄縫型缺陷。4個缺陷中心距離管口位置分別為25 mm、45 mm、65.5 mm、85.5 mm，如圖12所示。

圖12 缺陷在管道上位置分布圖

進行測試的實驗系統(tǒng)框圖如圖13所示，由計算機控制單片機(MSP5529)及步進電機帶動探頭從管口方向向右掃描，步進為1 mm，依次經(jīng)過4個缺陷。TMR傳感器輸出經(jīng)過多路選通電路和濾波放大電路后由鎖相放大器(SR844)測得，最后將數(shù)據(jù)存儲并進行后續(xù)處理。其中，激勵線圈由信號發(fā)生器產(chǎn)生的25 kHz的正弦電流驅(qū)動。

圖13 實驗系統(tǒng)框圖

3.2 實驗結(jié)果及分析

TMR傳感器的輸出電壓結(jié)果如圖14所示，其中軸向位置為探頭沿水平方向掃描距離，周向為將32個傳感器圓周展開所對應(yīng)的位置。從圖14中可以看出，四個缺陷位置處輸出電壓峰值明顯，且一定程度上可以反應(yīng)出各個缺陷的相對位置信息，同時，在缺陷處，輸出電壓幅值峰值變化與缺陷深度及長度成正相關(guān)。

圖14 缺陷掃描實驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計并測試了一種新的用于核電站蒸汽發(fā)生器換熱管檢測的渦流探頭，該探頭由高空間分辨率、高靈敏度的TMR傳感器陣列制成，檢測速度快，單次掃描即可對待測樣品的磁場成像。

(1)利用有限元仿真模型，模擬了缺陷檢測的物理過程，表征了該探頭對不同角度的缺陷的檢測效果，同時，理論上證明了在沒有缺陷的區(qū)域，探頭對提離變化不敏感。這是該探頭在無缺陷區(qū)域保持高信噪比的一個重要優(yōu)點。

(2)研制并測試了由激勵線圈、TMR傳感器陣列和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的實驗探頭，對帶有不同形狀、尺寸、深度的缺陷的蒸汽發(fā)生器換熱管樣品(Inconel690)進行了檢測，實驗結(jié)果證明了該探頭設(shè)計的可行性。

現(xiàn)有的仿真及實驗結(jié)果與預(yù)期相符，證明了利用TMR傳感器陣列制作渦流檢測成像探頭用于核電站蒸汽發(fā)生器換熱管檢測成像，是有可能取代傳統(tǒng)的基于感應(yīng)線圈的探頭的。同時，本文設(shè)計探頭工作模式簡單、易于實現(xiàn)、檢測速度快、靈敏度高，可以獲得高分辨率的磁場圖像數(shù)據(jù)并快速準(zhǔn)確地檢測和定位換熱管中存在的缺陷。研究結(jié)果對于探頭和檢測工藝設(shè)計具有一定的參考價值。