核燃料包殼管的陣列渦流檢測

俞東寶，湯 慧，張小剛，成志飛

(中核北方核燃料元件有限公司，包頭 014035)

核燃料元件是反應堆的核心部件，工作于高溫、高壓、強輻照、冷卻劑沖刷及腐蝕蛻變等苛刻環境中。包殼管作為核反應堆的第一道安全屏障，對其進行質量監控對反應堆的安全運行至關重要[1]。入堆前，若包殼管裂紋、夾雜、點坑等缺陷參數超過安全閾值，燃料棒將存在較高的失效風險。因此，須采用有效的無損檢測方法對包殼管進行100%檢測。當前包殼管的無損檢測方法主要有超聲、渦流和目視檢測等3種[2]。包殼管渦流檢測主要包括機械旋轉掃描技術和陣列技術。機械旋轉掃描多用于在線檢測，檢測設備維護難度大，檢測效率低。陣列渦流技術多用于核電傳熱管的在役檢測。隨著計算機技術、電子掃描技術以及信號處理技術的發展，陣列渦流技術逐漸成熟。該技術通過設計渦流檢測線圈結構，并借助渦流儀強大的分析、計算及處理功能，實現對材料和零件的快速、有效檢測。其傳感器陣列的結構形式靈活多樣，可以非常方便地對表面復雜的零件或者大面積金屬表面進行檢測，且其發射/接收線圈的布局模式成倍地提高了渦流對材料的滲透深度。

隨著陣列檢測技術逐漸成熟，其應用領域也越來越廣泛。核燃料棒用包殼管直徑通常為6～16 mm，壁厚約為0.5 mm，其制造過程中可能存在不同深度、不同方向的劃傷和折疊等缺陷，對缺陷的方向和深度檢測寬容度要求較高。陣列渦流檢測技術融合了最新的傳感器技術、計算機技術和數字信號處理技術，為包殼管的檢測提供了新途徑[3]。文章采用陣列渦流檢測技術對316不銹鋼包殼管上的人工缺陷進行檢測，檢測結果表明該方法可在11 dB的信噪比(滿足標準YB/T 4083-2020 《鋼管、鋼棒自動渦流探傷系統綜合性能測試方法》 關于信噪比大于10 dB的要求)條件下，準確地檢出不同類型、不同尺寸的內外表面缺陷，對包殼管的渦流檢測具有重要的指導意義。

1 陣列渦流檢測原理

陣列渦流檢測設備中最為常見的兩種激勵(T)-接收(R)方式如圖1所示，圖中LSD為單個線圈激勵、多個線圈接收方式，該接受方式接收線圈與激勵線圈的間距較大，特別適合用于表面大缺陷的檢測，并且受提離的影響較小；SDD為雙線圈激勵、雙線圈接收方式，該方式對小缺陷的檢測靈敏度高。兩種激勵-接收方式可同時發現不同方向的缺陷，可檢測缺陷類型較全面[4]。

圖1 陣列線圈激勵-接收方式示意

試驗選用外穿過環繞式陣列探頭(布置2圈，每圈23個點探頭)，采用SDD激勵-接收方式，陣列渦流掃描方向如圖2所示。

圖2 陣列渦流掃描方向示意

2 工藝試驗

2.1 人工缺陷對比樣管

人工缺陷對比樣管是針對被檢對象的檢測要求，按照相關標準加工制作，并經相關部門確認，用于被檢對象質量符合性評價的試樣。人工缺陷的形式并不統一，一般由產品制造或使用過程中可能產生的缺陷性質和形狀決定。試驗所用的對比樣管采用槽和通孔來模擬316不銹鋼包殼管中的常見缺陷(槽型缺陷用于模擬裂紋、折疊等缺陷，通孔缺陷用于模擬分層、夾雜等缺陷)。試驗選擇尺寸為15.7 mm×0.55 mm(直徑×壁厚，下同)的包殼管制作人工缺陷(加工通孔，內環槽、內縱槽、外環槽、外縱槽)。人工缺陷對比樣管結構如圖3所示。

圖3 人工缺陷對比樣管結構示意

圖3中缺陷①是一個貫穿管壁的通孔，孔徑為0.2 mm；缺陷②是一個長度為3 mm的周向槽，槽寬為0.2 mm，深度為壁厚的10%，從管子內壁面切入；缺陷③是一個長度為3 mm的周向槽，槽寬為0.2 mm，深度為壁厚的10%，從管子外壁面切入；缺陷④，⑤，⑥是3個貫穿管壁的通孔，孔徑為0.2 mm；沿圓周方向彼此間隔為120°，長度方向上相隔200 mm；缺陷⑦是一個長度為3 mm的軸向槽，槽寬為0.2 mm，深度為壁厚的10%，從管子外壁面切入；缺陷⑧是一個長度為3 mm的軸向槽，槽寬為0.2 mm，深度為壁厚的10%，從管子內壁面切入；缺陷⑨是一個貫穿管壁的通孔，孔徑為0.2 mm。

2.2 參數配置

陣列渦流檢測時的缺陷信號強弱不僅取決于工件本身的電導率、磁導率、缺陷類型等因素，同時也受探頭激勵電壓、增益和激勵頻率的影響。

陣列渦流探頭的激勵電壓及增益可調，電壓及增益越大，檢測線圈的感應電動勢也就越大，同時噪聲信號的幅值也會更大。將噪聲信號控制在一定水平的情況下，應盡量增加電壓值和增益。試驗采用雙通道檢測(軸向和周向通道)，電壓設置為6 V，增益為54 dB。根據渦流檢測理論，頻率越高，趨膚效應越強，表面缺陷的檢測靈敏度就越高，但穿透能力會下降，近表面缺陷的檢測靈敏度也會下降。綜合考慮后試驗選用的檢測頻率為350 kHz。

2.3 檢測結果

提離效應是渦流檢測的重要考慮因素，其會影響薄壁管檢測信號的信噪比，對檢測不利，所以首先評價提離效應對檢測結果的影響。通孔的信噪比與提離的關系曲線如圖4所示，可見在50 mm·s-1的檢測速度下，系統可保證在1 mm提離條件下檢測信噪比達11 dB。

圖4 通孔的信噪比與提離的關系曲線

不銹鋼人工缺陷對比樣管的陣列渦流檢測結果如圖5所示。由圖5可直接確定缺陷的辨識度和分布位置。

圖5 人工缺陷對比樣管的陣列渦流檢測結果

由圖5可知，兩通道均可準確識別通孔、外環槽、外縱槽等缺陷，而內環槽、內縱槽圖像辨識度相對較低。

不同人工缺陷的檢測量化結果如表1所示，通過對比檢測信號的相位和幅值可判斷缺陷的類型及分布深度。

表1 不同人工缺陷的檢測量化結果

由表1的量化結果可知，通孔、外環槽、外縱槽信號的信噪比較高，幅值均大于0.3 V。內環槽和內縱槽缺陷信號的幅值較低，小于0.2 V。同種缺陷類型下，外傷的響應幅值比內傷的響應幅值大兩倍以上，且從相位可知，內表面缺陷相位約為110°，外表面缺陷的相位則約為70°。由此可知缺陷的檢出率受缺陷深度和分布位置的影響較大。通過調節適當的參數可準確檢出尺寸為3 mm×0.2 mm×0.05 mm(長×寬×深)的內環槽、內縱槽、外環槽、外縱槽以及直徑為0.2 mm的通孔。

3 結語

開展了陣列渦流技術在核燃料包殼管檢測中的應用研究，采用尺寸為15.7 mm×0.55 mm的316不銹鋼對比樣管進行檢測靈敏度驗證。檢測結果說明陣列渦流技術可有效應用于核燃料包殼管的檢測，同時，鑒于探頭結構設計的靈活性，該檢測技術具有較強的適應性，可推廣到其他相關核燃料元件的質量控制中。