RPV輻照脆化巴克豪森噪聲檢測的二維仿真

徐 忠，吳凌云，王海濤，鄭 凱，樊明亮，錢王潔，劉向兵

（1.江蘇省特種設備安全監督檢測研究院，南京210036；2.南京航空航天大學 自動化學院，南京210016；3.蘇州熱工研究院壽命管理中心，蘇州215004）

基于低碳經濟、能源結構調整的需求，核電工業開始加速發展。于是在役核電站長期運行的安全性和可靠性顯得尤為重要［1］，特別是核反應堆壓力容器（RPV）的完整性，關乎到整個核電站的安全和經濟。RPV 是核電站特別重要的設備且不可更換，是核電站的第一道保護屏障，決定了整個核電站的壽命。RPV 的服役環境相當惡劣，除了要經受高溫、高壓、腐蝕和流體沖擊等惡劣環境的影響，還要經受快中子的輻照轟擊，這些都會加速RPV 的老化，縮短核電站的壽命。其中，快中子引起的輻照脆化是影響核電站壽命的主要因素［2］。RPV 用鋼受到快中子輻照后會增大脆性斷裂的風險，而材料的脆性斷裂又是RPV 安全的最大威脅，因而使其成為研究重點。為了預防RPV 用鋼的脆性斷裂，必須對RPV 用鋼的輻照脆化進行評估。

目前核電站對RPV 用鋼的輻照脆化檢測大多采用有損的檢測方法。例如對反應堆壓力容器的輻照脆化監督，國內外均通過監督試樣的輻照曲線來實現，火電站主蒸汽管道壽命預測使用的是持久強度外推法。然而，以上檢測方法都有明顯的局限性，首先它們都需要現場檢測，并且不能夠持續在線監測；其次是研究周期長，成本高；最重要的還是不安全。因此，開發一種無損檢測方法對RPV 的輻照脆化進行評估成了當務之急。

RPV 的輻照脆化與材料的微觀結構有著密切關系［3］，而巴克豪森噪聲信號對材料的微觀結構變化非常敏感，國外很多學者采用巴克豪森噪聲檢測方法對RPV 用鋼的輻照脆化進行研究［4－6］。國內目前并沒有將巴克豪森噪聲檢測方法應用到RPV用鋼的輻照脆化檢測中去。除此之外，采用巴克豪森噪聲檢測方法對RPV 用鋼進行輻照脆化檢測遇到的另一個難題就是試樣的輻射性。為了避免試樣對試驗人員造成輻射傷害，采用帶電粒子輻照試樣來模擬真實環境下的輻照脆化。為了使帶電粒子輻照均勻，試驗采用小尺寸的試樣，而傳統的巴克豪森噪聲檢測方法很難檢測小尺寸的試樣。筆者設計了針對小尺寸試樣的檢測裝置，利用Ansoft軟件對其進行仿真，驗證小型磁化裝置是否可行。

1 有限元仿真原理

Ansoft以Maxwell方程組作為電磁分析的出發點［7］，式（1）～（4）是Maxwell方程組的微分形式。有限元方法是為了對一些工程問題求得近似解的一種數值分析方法，有限元方法［8］就是利用變分原理和加權原理，將偏微分方程表征的連續函數的封閉場域劃分為許多個區域，對微分形式的方程進行離散化，導出一個代數方程組。

電磁場分析［9］有限元的過程主要包括模型建立、材料屬性定義、邊界條件的添加、激勵的添加、網格的劃分和計算求解。其中材料屬性、邊界條件和計算求解［10］這幾步尤為重要。度；H為磁場強度；D為電通量。

在巴克豪森噪聲檢測裝置有限元仿真中，利用檢測裝置的周圍磁場變化和檢測線圈中電壓的變化來研究檢測裝置對巴克豪森噪聲信號的影響。巴克豪森噪聲檢測有限元分析主要用到式（1）和（2），巴克豪森檢測的激勵線圈就是利用一個變化的電場來產生一個磁場，磁場將試樣磁化之后，放置在試件正中間的檢測線圈，可以檢測到磁場的變化，再利用變化的磁場產生電場，最后檢測信號以電壓的形式輸出。若試件存在應力或缺陷，其磁特性會發生一定的變化。在外磁場作用下，磁感應強度也隨之變化。利用Ansoft有限元分析軟件可以觀察到檢測線圈和磁化裝置中磁場的變化。

2 仿真模型的建立

根據巴克豪森噪聲檢測系統中的檢測裝置建立了有限元仿真模型。模型建立的主要步驟包括幾何形狀的繪制、材料屬性的定義和邊界條件的選取。模型由U 型磁軛、激勵線圈、試件和檢測線圈組成。為了更真實地仿真巴克豪森噪聲檢測，材料性質要與真實環境下的材料一致或相近，將邊界條件內空隙設置為空氣，檢測線圈與試件間設置一定的提離值。模型如圖1 所示，材料參數為：銅激勵線圈為450匝，激勵電壓為32×sin（20πt），銅檢測線圈600匝，磁軛為90 mm×130 mm 的鐵氧體，RPV 試樣為16mm×16mm×1mm的Steel＿1008，求解邊界為空氣（氣球邊界）。

圖1 仿真模型

3 仿真結果及其分析

式中：J為傳導電流密度；?D／?t為位移電流密度；ρ為自由電荷體密度；E為電場強度；B為磁感應強

3.1 檢測裝置上的磁場分布

在正弦電壓信號32×sin（20πt）激勵下，檢測裝置達到了被磁化的效果，如圖2所示。從圖2（a）可看出，試件被磁化的效果相當好，但在U 型磁軛和試件接觸的地方磁場環境相當惡劣，這對檢測線圈的影響非常大。從圖2（b）可以看出，檢測線圈周圍布滿了干擾磁場，加了純鐵屏蔽罩之后，外界磁場干擾被屏蔽在外面，大大減小了外界磁場干擾對檢測線圈的影響。

圖2 磁力線和磁場分布云圖

3.2 檢測線圈放置位置對有限元分析的影響

為了達到磁化小型試件的目的，U 型磁軛兩腳的內距為12mm，外距設計為40mm。為了有效地仿真檢測線圈放置位置對巴克豪森噪聲信號的影響，在距離試件上表面0.5 mm 的位置放置一條12mm的線段，用線段仿真檢測線圈的移動，分析檢測線圈的位置對磁場的影響。

查看線段路徑上的磁場變化圖像，如圖3所示。從圖3可以看出磁感應強度在磁軛兩腳處磁感應強度最大，遠離磁軛兩腳磁感應強度出現先減小后增大，最后在中間出現一個尖谷的規律，主要原因是隨著遠離磁軛兩腳，磁感應強度減小，出現峰峰和峰谷，是由于磁場的疊加造成的。從圖2也可以看出，磁軛兩腳間距太小，磁軛兩腳之間的磁場干擾相當嚴重，這就需要檢測線圈的屏蔽性能非常好。

圖3 檢測線圈位置與磁感應強度的關系

3.3 檢測線圈的提離值對有限元分析的影響

檢測線圈的提離值是影響巴克豪森噪聲檢測的一個重要因素，圖4是不同提離值下的磁感應強度隨時間的變化情況示意圖，不同提離值下磁感應強度的差別是較大的。圖5是根據圖4的結果繪制出來的曲線。

圖4 不同提離值下磁感應強度隨時間的變化曲線

從圖5可以看出，隨著提離值的增加，最大磁感應強度先增大后減小。產生這個現象的主要原因可能是磁軛兩腳之間距離太小，進入檢測線圈磁感線太少，磁感應強度不是很大；隨著提離值的增加，進入檢測線圈的磁感線增加，磁感應強度增大，隨著提離值再次增大，進入檢測線圈的磁感線減少，磁感應強度減小。從檢測線圈中的磁感應強度的變化可以說明提離值對巴克豪森噪聲檢測的影響。

圖5 最大磁感應強度隨檢測線圈提離值的變化

4 結論

利用Ansoft有限元分析軟件對RPV 輻照脆化檢測裝置可行性進行仿真分析。主要針對裝置周圍磁場分布情況進行了分析，得出了小型檢測裝置可以達到磁化試件效果的結論；在路徑上查看了磁場的變化情況，得出了磁感應強度隨檢測線圈位置的變化關系和提離值隨檢測線圈的變化關系。這些仿真結果可以為RPV 輻照脆化檢測裝置的設計提供參考，對RPV 輻照脆化檢測準確性有重要的意義。

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