(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無錫 214122；3.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215004)

蒸汽發(fā)生器是核電站中非常重要的熱交換裝置，蒸汽發(fā)生器傳熱管是熱交換裝置的重要部件，其會(huì)影響核電站的整體安全。更具體地說，如果蒸汽發(fā)生器傳熱管發(fā)生損壞，一次側(cè)的放射性物質(zhì)就可能發(fā)生泄漏，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。蒸汽發(fā)生器傳熱管的損壞或斷裂與核電站的壽命和輸出功率密切相關(guān)[1]，在長(zhǎng)期的高溫、高壓與腐蝕環(huán)境中，其質(zhì)量的好壞，不僅影響核電站的發(fā)電功率，對(duì)于核電站運(yùn)行的安全性與可靠性的影響也非常大。傳熱管常見缺陷的產(chǎn)生機(jī)理有化學(xué)機(jī)理、機(jī)械機(jī)理等?；瘜W(xué)機(jī)理包括壁厚減薄、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕/應(yīng)力腐蝕裂紋、一次側(cè)應(yīng)力腐蝕裂紋等；機(jī)械機(jī)理包括磨損、撞擊、疲勞等。馬強(qiáng)等[2]利用渦流測(cè)量防震條的位置，分析了影響渦流檢測(cè)精度的因素。SHIM等[3]利用渦流檢測(cè)方法對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管的一般腐蝕缺陷進(jìn)行了預(yù)測(cè)。筆者利用Bobbin傳感器對(duì)傳熱管的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，并通過COMSOL軟件進(jìn)行了仿真模擬，通過相位分析法分析了缺陷的大小與檢測(cè)頻率的關(guān)系，確定了最優(yōu)檢測(cè)頻率的區(qū)間。

1 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)的原理是：將導(dǎo)體接近通有交流電的線圈，由線圈建立交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過導(dǎo)體并與之發(fā)生電磁感應(yīng)作用，在導(dǎo)體內(nèi)建立渦流。導(dǎo)體中的渦流也會(huì)產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，渦流磁場(chǎng)的作用也改變了激勵(lì)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而導(dǎo)致線圈的電壓、相位和阻抗發(fā)生改變。線圈通過導(dǎo)體表面的缺陷處時(shí)，線圈渦流的強(qiáng)度和分布等特性會(huì)發(fā)生變化，通過分析其幅值、相位以及阻抗的變化，就可判斷出被測(cè)導(dǎo)體缺陷的存在。

相位分析法是傳熱管渦流檢測(cè)中常用的數(shù)據(jù)分析方法，檢測(cè)人員根據(jù)缺陷深度與相位之間的關(guān)系作出一條相位判傷曲線，對(duì)檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷，可通過此曲線，由相位的大小來判斷缺陷的深度。線圈在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不能完全貼合試件表面，會(huì)產(chǎn)生提離效應(yīng)。即使有較小的距離變化，也會(huì)引起較大的信號(hào)強(qiáng)度變化[4]。

趨膚效應(yīng)是指當(dāng)激勵(lì)線圈中通入交變電流時(shí)，金屬物體縱向截面各處的渦流分布不均勻，接近被測(cè)金屬表面的電流密度較大，接近導(dǎo)體內(nèi)部的電流密度較小，渦流集中產(chǎn)生在導(dǎo)體表面。趨膚深度的計(jì)算公式為

(1)

式中：δ為趨膚深度；ω為激勵(lì)線圈中交變電流的角頻率；σ和μ分別為被測(cè)金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率[5]。

傳熱管材料Inconel 690屬于非鐵磁性材料，其磁導(dǎo)率μ為4π×10-7H·m-1，電導(dǎo)率σ為1.03×106S·m-1。

由趨膚效應(yīng)公式可知，感應(yīng)電磁場(chǎng)相對(duì)激勵(lì)磁場(chǎng)的相位滯后Δθ為

(2)

式中：d為缺陷深度；f為檢測(cè)頻率。

由此可見，相位滯后與缺陷深度之間存在線性關(guān)系。

2 仿真分析

2.1 仿真模型的建立

采用軟件COMSOL Multiphysics 5.3中的AC/DC模塊，針對(duì)含人工缺陷的傳熱管和Bobbin探頭建立相應(yīng)的仿真模型。仿真模型主要包含以下幾個(gè)部分：空氣、缺陷管、線圈。為了能夠更接近實(shí)際情況，空氣域的設(shè)置范圍應(yīng)較大。傳熱管與線圈的模型參數(shù)與實(shí)際應(yīng)用的含缺陷的傳熱管和線圈的參數(shù)一致。圖1為傳熱管的三維仿真模型，為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，仿真的頻率區(qū)間選擇為200 kHz～800 kHz。

圖1 傳熱管的三維仿真模型

劃分網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在現(xiàn)有空氣域內(nèi)部靠近傳熱管模型的外側(cè)，再添加一個(gè)空氣域(見圖2)，這是為了使靠近缺陷位置的網(wǎng)絡(luò)劃分更細(xì)化，以及提高計(jì)算精度，同時(shí)也可避免空氣域網(wǎng)格過大增加計(jì)算量。另外，傳熱管內(nèi)缺陷的體積與傳熱管的體積相比是非常小的，因此為了控制計(jì)算精度，對(duì)傳熱管缺陷網(wǎng)絡(luò)劃分采用自由四面體網(wǎng)絡(luò)劃分的方式，圖3為傳熱管模型的網(wǎng)絡(luò)劃分示意。

圖2 增加空氣域模型示意

圖3 傳熱管模型的網(wǎng)絡(luò)劃分示意

依據(jù)實(shí)際模型，為傳熱管仿真模型中的各個(gè)區(qū)域添加材料屬性，依據(jù)實(shí)際所需，從材料庫(kù)中選取材料。表1為模擬時(shí)材料的參數(shù)設(shè)置, 表2為線圈參數(shù)的設(shè)置。圖1中球形空氣域半徑為500 mm。圖2中近傳熱管處空氣域?yàn)榘霃?0 mm，長(zhǎng)度480 mm的圓柱體；傳熱管模型為19.05 mm×1.09 mm(外徑×壁厚)的管狀模型。模擬計(jì)算的方法為線圈幾何分析和頻域計(jì)算。

表1 模擬時(shí)材料的參數(shù)設(shè)置

表2 線圈參數(shù)的設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果與分析

經(jīng)過仿真分析，得到了不同頻率下，不同缺陷阻抗的響應(yīng)值。通過計(jì)算出的阻抗數(shù)據(jù)，再擬合出阻抗變化的曲線(見圖4)。從圖4(a)～(c)可以看出，頻率范圍在200 kHz～400 kHz時(shí)阻抗變化具有較好的單調(diào)遞增趨勢(shì)；從圖4(d)～(g)可以看出，所在頻率下的阻抗變化不具有較好的單調(diào)性趨勢(shì)，其原因是隨著頻率的增大，趨膚效應(yīng)越來越明顯，致使?jié)B透深度變小，可以看出在頻率達(dá)到500 kHz后，線圈不能有效檢測(cè)出缺陷。各頻率下標(biāo)準(zhǔn)滲透深度如表3所示，因?yàn)闈B透深度為指數(shù)變化趨勢(shì)，工程中，通常定義2.6倍的標(biāo)準(zhǔn)滲透深度為渦流的有效滲透深度，即將2.6倍標(biāo)準(zhǔn)滲透深度范圍內(nèi)的90%渦流視為對(duì)渦流線圈產(chǎn)生了有效影響[6]。缺陷仿真相位變化曲線如圖5所示。發(fā)現(xiàn)頻率范圍在200 kHz～500 kHz時(shí)，相位變化具有較好的單調(diào)下降趨勢(shì)。比較圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn),從相位特性中容易識(shí)別缺陷，特別是在400 kHz～500 kHz的高頻率范圍下，缺陷越大，檢出率越高。管壁上的多個(gè)缺陷經(jīng)過仿真后，隨著頻率的改變，相位角的差值變化比較小，阻抗幅值變化比較大，說明激勵(lì)頻率對(duì)相位的影響比較小。隨著缺陷深度的變化，相位角隨深度的變化呈遞減關(guān)系，說明通過相位的檢測(cè)可以反映出缺陷變化的趨勢(shì)。通過缺陷深度和阻抗變化曲線可以看出，隨著缺陷的增大，線圈的阻抗也在增大，說明體積較大的缺陷較容易被檢出。

表3 各頻率下標(biāo)準(zhǔn)滲透深度

圖4 不同頻率下，缺陷仿真阻抗變化曲線

圖5 缺陷仿真相位變化曲線

圖10 試驗(yàn)相位變化曲線

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)儀器

Bobbin線圈傳感器外觀如圖6所示，該傳感器采用軸繞式差分線圈結(jié)構(gòu)，檢測(cè)速度快，適合大范圍的檢測(cè)需要。線圈內(nèi)徑為6.5 mm，外徑為8.0 mm，線圈高為1.5 mm，間距為1.5 mm，匝數(shù)為32匝。

圖6 Bobbin線圈傳感器外觀

被檢測(cè)管為目前核電站中使用的Inconel 690材料的蒸汽發(fā)生器傳熱管，管材規(guī)格(外徑×壁厚)為19.05 mm×1.09 mm，管材的電導(dǎo)率σ為1.03×106S·m-1，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1。被檢測(cè)管外觀如圖7所示，被檢測(cè)管上的缺陷尺寸(寬×長(zhǎng)×深)如表4所示。

信號(hào)發(fā)生設(shè)備為ET3325信號(hào)發(fā)生器(杭州中創(chuàng)電子有限公司)，信號(hào)采集設(shè)備為SR865型鎖相放大器(斯坦福檢測(cè)系統(tǒng)有限公司)。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示，試驗(yàn)平臺(tái)連接方法示意如圖9所示。

圖7 被檢測(cè)管外觀

mm

圖8 檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)連接方法示意

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

使用含有表4中相應(yīng)尺寸缺陷的檢測(cè)管，檢測(cè)速度為300 mm/s(±10%)，通過信號(hào)發(fā)生器分別設(shè)置100 kHz，200 kHz，300 kHz，400 kHz，500 kHz，600 kHz，700 kHz，800kHz等8個(gè)檢測(cè)頻率的正弦激勵(lì)信號(hào)，輸出信號(hào)電壓為500 mV。通過鎖相放大器記錄缺陷位置的相位。

將探頭勻速通過檢測(cè)樣管，通過鎖相放大器記錄8個(gè)檢測(cè)頻率段時(shí)探頭經(jīng)過缺陷時(shí)的相位變化。通過相位變化繪制出每個(gè)頻率的散點(diǎn)圖，從而擬合出相位變化曲線。相位變化曲線如圖10所示。

從圖10(a)～(f)可以看出，相位的變化與缺陷尺寸的變化存在一定的單調(diào)關(guān)系，隨著缺陷尺寸的增大，相位角有著遞減的趨勢(shì)，與仿真的相位變化趨勢(shì)相吻合，說明相位的變化可以作為檢測(cè)缺陷大小的依據(jù)。但是從圖10(g)～(h)可以看出，由于磁場(chǎng)在管道表面會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，通過趨膚效應(yīng)的公式可以得出，當(dāng)頻率增大時(shí)滲透深度減小，頻率為700 kHz和800 kHz時(shí)的趨膚深度通過式(1)計(jì)算分別為0.059 mm和0.055 mm，所以探頭對(duì)缺陷的檢出率降低。由于試驗(yàn)狀態(tài)有一定的不穩(wěn)定性，試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)提離效應(yīng)，線圈的阻抗會(huì)發(fā)生較大變化，尤其當(dāng)頻率大于600 kHz時(shí)輸出信號(hào)不穩(wěn)定，檢測(cè)結(jié)果存在較大的誤差，曲線有較大的波動(dòng)。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得出歸一化曲線如圖11所示，當(dāng)各缺陷在頻率為800 kHz時(shí)，曲線的收斂性較差，同時(shí)也可看出檢測(cè)頻率在500 kHz時(shí)收斂性最好。

圖11 不同缺陷深度的歸一化曲線

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真對(duì)比分析

圖12為不同頻率下仿真與試驗(yàn)的相位差分對(duì)比，將缺陷位置處的相位與無缺陷位置處的相位進(jìn)行差分，通過仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出，仿真與試驗(yàn)缺陷檢測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相同，而且在400 kHz，500 kHz處部分缺陷的重合度較好。

圖12 不同頻率下仿真與試驗(yàn)的相位差分對(duì)比

如表4所示，缺陷長(zhǎng)度一定，寬度和深度規(guī)律變化，在不同頻率下進(jìn)行仿真，得到的缺陷深度曲線如圖13所示，可見隨著缺陷體積的不斷增大，檢出率增大，同時(shí)檢測(cè)頻率在300 kHz～500 kHz范圍時(shí)檢出率最高，是最優(yōu)檢測(cè)頻率區(qū)間。

圖13 仿真時(shí)不同頻率下的缺陷深度曲線

4 結(jié)語

相位可以直觀地反映出檢測(cè)信號(hào)隨著缺陷尺寸變化的趨勢(shì)，對(duì)于傳熱管缺陷的危險(xiǎn)系數(shù)級(jí)別是重要的判斷依據(jù)。500 kHz左右為最優(yōu)檢測(cè)頻率，探頭線圈輸出波形較好，檢測(cè)結(jié)果呈較好的線性關(guān)系。

隨著缺陷尺寸的增加，阻抗曲線和相位曲線的斜率也在增加，說明探頭對(duì)尺寸較大的缺陷有著較好的檢出率和靈敏度。