蒸汽發生器傳熱管渦流檢測的相位特性

(1.江南大學 機械工程學院, 無錫 214122；2.江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，無錫 214122；3.中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215004)

蒸汽發生器是核電站中非常重要的熱交換裝置，蒸汽發生器傳熱管是熱交換裝置的重要部件，其會影響核電站的整體安全。更具體地說，如果蒸汽發生器傳熱管發生損壞，一次側的放射性物質就可能發生泄漏，甚至導致嚴重的安全事故。蒸汽發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[1]，在長期的高溫、高壓與腐蝕環境中，其質量的好壞，不僅影響核電站的發電功率，對于核電站運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生機理有化學機理、機械機理等。化學機理包括壁厚減薄、點蝕、晶間腐蝕/應力腐蝕裂紋、一次側應力腐蝕裂紋等；機械機理包括磨損、撞擊、疲勞等。馬強等[2]利用渦流測量防震條的位置，分析了影響渦流檢測精度的因素。SHIM等[3]利用渦流檢測方法對蒸汽發生器傳熱管的一般腐蝕缺陷進行了預測。筆者利用Bobbin傳感器對傳熱管的缺陷進行了檢測，并通過COMSOL軟件進行了仿真模擬，通過相位分析法分析了缺陷的大小與檢測頻率的關系，確定了最優檢測頻率的區間。

1 渦流檢測原理

渦流檢測的原理是：將導體接近通有交流電的線圈，由線圈建立交變磁場，該磁場通過導體并與之發生電磁感應作用，在導體內建立渦流。導體中的渦流也會產生自己的磁場，渦流磁場的作用也改變了激勵磁場的強弱，進而導致線圈的電壓、相位和阻抗發生改變。線圈通過導體表面的缺陷處時，線圈渦流的強度和分布等特性會發生變化，通過分析其幅值、相位以及阻抗的變化，就可判斷出被測導體缺陷的存在。

相位分析法是傳熱管渦流檢測中常用的數據分析方法，檢測人員根據缺陷深度與相位之間的關系作出一條相位判傷曲線，對檢測過程中發現的缺陷，可通過此曲線，由相位的大小來判斷缺陷的深度。線圈在進行檢測時，不能完全貼合試件表面，會產生提離效應。即使有較小的距離變化，也會引起較大的信號強度變化[4]。

趨膚效應是指當激勵線圈中通入交變電流時，金屬物體縱向截面各處的渦流分布不均勻，接近被測金屬表面的電流密度較大，接近導體內部的電流密度較小，渦流集中產生在導體表面。趨膚深度的計算公式為

(1)

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

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

由趨膚效應公式可知，感應電磁場相對激勵磁場的相位滯后Δθ為

(2)

式中：d為缺陷深度；f為檢測頻率。

由此可見，相位滯后與缺陷深度之間存在線性關系。

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，針對含人工缺陷的傳熱管和Bobbin探頭建立相應的仿真模型。仿真模型主要包含以下幾個部分：空氣、缺陷管、線圈。為了能夠更接近實際情況，空氣域的設置范圍應較大。傳熱管與線圈的模型參數與實際應用的含缺陷的傳熱管和線圈的參數一致。圖1為傳熱管的三維仿真模型，為了驗證試驗結果，仿真的頻率區間選擇為200 kHz～800 kHz。

圖1 傳熱管的三維仿真模型

劃分網絡時，在現有空氣域內部靠近傳熱管模型的外側，再添加一個空氣域(見圖2)，這是為了使靠近缺陷位置的網絡劃分更細化，以及提高計算精度，同時也可避免空氣域網格過大增加計算量。另外，傳熱管內缺陷的體積與傳熱管的體積相比是非常小的，因此為了控制計算精度，對傳熱管缺陷網絡劃分采用自由四面體網絡劃分的方式，圖3為傳熱管模型的網絡劃分示意。

圖2 增加空氣域模型示意

圖3 傳熱管模型的網絡劃分示意

依據實際模型，為傳熱管仿真模型中的各個區域添加材料屬性，依據實際所需，從材料庫中選取材料。表1為模擬時材料的參數設置, 表2為線圈參數的設置。圖1中球形空氣域半徑為500 mm。圖2中近傳熱管處空氣域為半徑20 mm，長度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。模擬計算的方法為線圈幾何分析和頻域計算。

表1 模擬時材料的參數設置

表2 線圈參數的設置

2.2 仿真結果與分析

經過仿真分析，得到了不同頻率下，不同缺陷阻抗的響應值。通過計算出的阻抗數據，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時阻抗變化具有較好的單調遞增趨勢；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性趨勢，其原因是隨著頻率的增大，趨膚效應越來越明顯，致使滲透深度變小，可以看出在頻率達到500 kHz后，線圈不能有效檢測出缺陷。各頻率下標準滲透深度如表3所示，因為滲透深度為指數變化趨勢，工程中，通常定義2.6倍的標準滲透深度為渦流的有效滲透深度，即將2.6倍標準滲透深度范圍內的90%渦流視為對渦流線圈產生了有效影響[6]。缺陷仿真相位變化曲線如圖5所示。發現頻率范圍在200 kHz～500 kHz時，相位變化具有較好的單調下降趨勢。比較圖4和圖5可以發現,從相位特性中容易識別缺陷，特別是在400 kHz～500 kHz的高頻率范圍下，缺陷越大，檢出率越高。管壁上的多個缺陷經過仿真后，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，說明激勵頻率對相位的影響比較小。隨著缺陷深度的變化，相位角隨深度的變化呈遞減關系，說明通過相位的檢測可以反映出缺陷變化的趨勢。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 各頻率下標準滲透深度

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 試驗相位變化曲線

3 試驗方法

3.1 試驗儀器

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構，檢測速度快，適合大范圍的檢測需要。線圈內徑為6.5 mm，外徑為8.0 mm，線圈高為1.5 mm，間距為1.5 mm，匝數為32匝。

圖6 Bobbin線圈傳感器外觀

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

信號發生設備為ET3325信號發生器(杭州中創電子有限公司)，信號采集設備為SR865型鎖相放大器(斯坦福檢測系統有限公司)。整個檢測系統實物如圖8所示，試驗平臺連接方法示意如圖9所示。

圖7 被檢測管外觀

mm

圖8 檢測系統實物

圖9 試驗平臺連接方法示意

3.2 試驗結果與分析

使用含有表4中相應尺寸缺陷的檢測管，檢測速度為300 mm/s(±10%)，通過信號發生器分別設置100 kHz，200 kHz，300 kHz，400 kHz，500 kHz，600 kHz，700 kHz，800kHz等8個檢測頻率的正弦激勵信號，輸出信號電壓為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樣管，通過鎖相放大器記錄8個檢測頻率段時探頭經過缺陷時的相位變化。通過相位變化繪制出每個頻率的散點圖，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關系，隨著缺陷尺寸的增大，相位角有著遞減的趨勢，與仿真的相位變化趨勢相吻合，說明相位的變化可以作為檢測缺陷大小的依據。但是從圖10(g)～(h)可以看出，由于磁場在管道表面會產生趨膚效應，通過趨膚效應的公式可以得出，當頻率增大時滲透深度減小，頻率為700 kHz和800 kHz時的趨膚深度通過式(1)計算分別為0.059 mm和0.055 mm，所以探頭對缺陷的檢出率降低。由于試驗狀態有一定的不穩定性，試驗會出現提離效應，線圈的阻抗會發生較大變化，尤其當頻率大于600 kHz時輸出信號不穩定，檢測結果存在較大的誤差，曲線有較大的波動。通過對數據進行歸一化處理，得出歸一化曲線如圖11所示，當各缺陷在頻率為800 kHz時，曲線的收斂性較差，同時也可看出檢測頻率在500 kHz時收斂性最好。

圖11 不同缺陷深度的歸一化曲線

3.3 試驗結果與仿真對比分析

圖12為不同頻率下仿真與試驗的相位差分對比，將缺陷位置處的相位與無缺陷位置處的相位進行差分，通過仿真與試驗結果的對比可以看出，仿真與試驗缺陷檢測結果趨勢相同，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的相位差分對比

如表4所示，缺陷長度一定，寬度和深度規律變化，在不同頻率下進行仿真，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，同時檢測頻率在300 kHz～500 kHz范圍時檢出率最高，是最優檢測頻率區間。

圖13 仿真時不同頻率下的缺陷深度曲線

4 結語

相位可以直觀地反映出檢測信號隨著缺陷尺寸變化的趨勢，對于傳熱管缺陷的危險系數級別是重要的判斷依據。500 kHz左右為最優檢測頻率，探頭線圈輸出波形較好，檢測結果呈較好的線性關系。

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，說明探頭對尺寸較大的缺陷有著較好的檢出率和靈敏度。