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保意識的提高，核電憑借其轉換效率高、可持續發展等優點成為新能源發展的重點方向。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、高輻射的環境下工作，其薄壁不銹鋼包殼會出現磨損、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節。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、檢測頻率等工藝參數進行優化[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仿真平臺，由仿真、成像和分析模塊組成，常用于設計或優化檢測工藝，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 檢測對象參數設置，包括對象幾何尺寸、材料和電磁特性參數等；② 檢測工藝參數設置，包括線圈參數、檢測頻率、掃查參數等；③ 缺陷參數設置，包括缺陷類型、幾何位置、尺寸等。基于上述模型來執行計算，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(見表1)，CIVA軟件被檢對象參數設置界面見圖1。

表1 被檢對象幾何參數與電磁特性參數

圖1 CIVA軟件被檢對象參數設置界面

檢測工藝參數包括線圈參數及檢測頻率。其中，線圈參數參考目前二代加堆型控制棒組件渦流檢測常用參數，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；掃查區域涵蓋缺陷區域；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)。檢測工藝參數軟件設置界面如圖2所示。

圖2 檢測工藝參數軟件設置界面

控制棒組件的工作特點決定了其常出現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。缺陷的網格劃分需根據缺陷的尺寸決定，但一般設置原則有3條：① 網格越細獲得的計算精度越高；② 建議各個軸的網格劃分數不小于3；③ 對圓柱形工件，缺陷深度方向的網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。

根據上述參數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對缺陷深度的定量分析，而無法區分缺陷類型。

(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域相對集中，具有一定的規律性，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。