針對RPV鋼磁巴克豪森噪聲檢測的傳感器設計

邊 闖，王海濤，劉向兵，錢王潔，丁同樂，陳懷東，馬官兵，鄭 凱

(1.南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016；2.蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004；3.中廣核檢測技術有限公司，廣東 深圳 518031；4.江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢測研究院，南京 210036)

0 引言

核安全是核電發(fā)展的前提和最高原則[1]。反應堆壓力容器(RPV，reactor pressure vessel)是壓水堆核電廠中不可更換的關鍵核心部件，RPV的安全服役壽命決定了核電廠的運行壽命[2]。在核電廠運行期間，RPV鋼長期在強輻照、高溫、高壓、強流體沖刷的惡劣環(huán)境下工作，導致RPV材料的內部產(chǎn)生一系列微結構缺陷，其性能會逐漸退化，表現(xiàn)為材料屈服強度增加、韌性降低、脆性增加等機械性能變化[3]，稱為RPV鋼的輻照脆化效應。當材料的力學性能下降到斷裂臨界時，RPV鋼會瞬間發(fā)生斷裂，引發(fā)嚴重的安全事故。因此，為了確保核電廠的安全運行同時最大限度地發(fā)揮其經(jīng)濟性，需要定期對RPV鋼的中子輻照脆化程度進行評估，目前國內外商用核電廠主要通過輻照監(jiān)督樣品的方法對RPV鋼的輻照脆化程度進行監(jiān)督和安全評價[4]，但會受到監(jiān)督樣品的數(shù)量以及含放射性等條件的限制。因此需要開發(fā)新型的無損檢測技術來對RPV鋼進行輻照監(jiān)督，這對于確保核電廠安全可靠地運行有重要的現(xiàn)實意義[5]。

1999年韓國原子能研究院Park[6]使用磁巴克豪森噪聲(MBN，magnetic Barkhausen noise)的檢測方法研究了RPV鋼經(jīng)中子輻照后的脆化情況；2004年歐洲研究中心的Debarberis[7]等人在考慮了輻照導致的基體缺陷、富Cu團簇、P元素偏析等因素后，在初級輻照脆化的理論基礎上建立了脆化動力學模型；2018年清華大學核能與新能源技術研究院的張?zhí)齑萚8-9]等人對RPV鋼分別進行了正電子湮沒和納米壓痕硬度分析，結果表明，輻照使材料產(chǎn)生了空位型缺陷和溶質原子團簇缺陷，相較于室溫下的輻照，高溫輻照產(chǎn)生了更多的溶質原子團簇缺陷，但空位型缺陷數(shù)量更少。2018年Masaki Shimodaira[10]等研究了輻照引起的位錯環(huán)和溶質原子團簇對低銅RPV鋼硬化的貢獻，得出在不同注量下兩者對RPV鋼的硬化貢獻不同；2021年石見見[11]等利用原子探針和納米壓痕技術對初始輻照、輻照后退火以及再輻照的RPV鋼進行了研究，結果表明輻照會產(chǎn)生大量的Mn-Ni-Si團簇，退火后團簇會得到一定程度的回復，而再輻照產(chǎn)生新的Mn-Ni-Si團簇；2022年丁兆楠[12]等研究了Fe3+輻照下RPV鋼的硬化行為，結果表明當輻照損傷較低時，試樣的硬度隨輻照損傷劑量的增加而迅速增加，而在較高輻照損傷下硬度變化較為緩慢同時呈現(xiàn)飽和趨勢。目前對RPV鋼輻照脆化的研究主要集中在材料微觀結構變化觀測、硬度變化測試等，這些方法都會破壞原本試件的結構完整性，屬于有損檢測，同時這些檢測方法所需儀器價格昂貴，還需要專業(yè)的人員進行操作。無損檢測技術是在不破壞被測試件完整性的條件下對試件進行測量，測量迅速且方便快捷，因此亟需一種能夠有效評估RPV輻照脆化程度的無損檢測新方法。

MBN檢測技術對材料的微觀結構變化敏感，研究表明RPV鋼輻照脆化效應產(chǎn)生的根本原因是輻照導致的材料微觀結構的變化，使材料產(chǎn)生了諸如位錯環(huán)、空位環(huán)、溶質原子團簇、雜質元素的偏析等缺陷[13]，MBN信號對這類微觀缺陷非常敏感，同時相較于超聲等常規(guī)無損檢測技術，該技術可以在宏觀缺陷產(chǎn)生前對材料性能進行評估，而且不需要耦合劑，因此MBN信號檢測技術用于RPV鋼輻照脆化的評估與預測是切實可行的[14]。

1 MBN信號檢測原理

MBN是一種重要的電磁無損檢測技術，該檢測方法已經(jīng)廣泛運用到了應力測量、硬度測試、晶粒度檢測等場合。該效應是由德國科學家Barkhausen[15]于1919年首次發(fā)現(xiàn)。研究表明，在連續(xù)變化磁場的作用下，鐵磁性材料的磁化曲線并不連續(xù)[16]。如圖1所示。

圖1 鐵磁性材料不連續(xù)磁化現(xiàn)象

對鐵磁性材料施加交變磁場時，其內部的磁疇向易磁化方向發(fā)生不可逆的翻轉和磁疇壁位移，并在鐵磁性材料表面產(chǎn)生雜亂的感應電壓脈沖信號，這種現(xiàn)象稱為MBN效應。此時將一個探測線圈放置在材料表面，就可以采集到微弱的電壓噪聲信號，即為MBN信號。如圖2所示。

圖2 MBN信號檢測示意圖

根據(jù)Alessandro[17]等人的理論，金屬體中單個磁疇壁的動力學方程由式(1)確定：

(1)

式中，σ為材料的介電常數(shù)；dφ/dt為磁通率即為接收線圈中的感應電壓；G=0.135 6為一個無量綱常數(shù)，hc為磁疇壁的釘扎部位的局部強制場；有效外加磁場Heff定義為Heff=H-Him，H為外加磁場，Him為退磁場。

當外加激勵磁場為正弦變化時可以描述為：

H(t)=Hssin(2πft)

(2)

式中，Hs為外加磁場的最大值，f為外加激勵磁場的頻率。

退磁場由退磁因子決定，取決于樣品的形狀。退磁因子的計算一般只限于可被均勻磁化的磁性旋轉橢球體，而對于方形薄片退磁場可忽略[18]，因此式(1)、(2)結合可得：

(3)

式(3)表明感應電壓是外加激勵磁場產(chǎn)生的一個諧波分量和隨機變化的強制場疊加后的結果。為了便于對式(3)進行說明，畫出了感應信號隨時間變化如圖3所示。

圖3 感應信號

從圖中可以看出，當材料中不存在釘扎點即hc=0時，dφ/dt為一條正弦線，等于施加的激勵磁場。當存在釘扎點(圖中米形點)即hc≠0時，dφ/dt在H=hc時減小到0，此時小范圍改變外加磁場，磁疇壁也不發(fā)生移動。當外加磁場增加到一定程度時，磁疇壁會“跳躍式”地移動到另一個位置，產(chǎn)生一個高頻的跳變磁場。因此，總的感應信號是外加激勵磁場和一系列跳變磁場的疊加。在MBN信號提取的過程中，利用高通或者帶通濾波器對探測器采集到的信號進行處理，濾除掉低頻信號，保留的就是由于磁疇壁的跳躍產(chǎn)生的高頻信號。濾波后的信號如圖4所示。

圖4 感應信號中高頻分量

圖中的符號代表的是探測器中產(chǎn)生的電流的方向。根據(jù)以上敘述，當磁疇壁遇到一個釘扎點時，受到釘扎點的作用會產(chǎn)生一個跳躍信號，當在某一時刻存在m個釘扎點時，得到的信號強度即為：

(4)

式中，Vt為磁疇壁克服釘扎點的阻礙作用產(chǎn)生的MBN信號；m(hc) 為釘扎點的數(shù)量。該表達式和kim[19-20]得到的表達式相似。表明當忽略磁疇壁的相互作用時，MBN信號在磁疇壁克服釘扎點的阻礙作用時產(chǎn)生[21]。

MBN信號的產(chǎn)生是非常復雜的，受很多因素的影響，盡管如此，依舊可以證明在微觀結構下，MBN信號的產(chǎn)生主要有兩個原因：晶界處90°磁疇的形成和湮滅以及180°磁疇的翻轉，所以一切影響磁疇壁的因素都會影響MBN信號的強度。

(5)

式中，mR(hR)hR為釘扎點在90°磁疇處的貢獻，mP(hP)hP為釘扎點在180°磁疇處的貢獻，mR為90°磁疇處釘扎點的數(shù)量，mP為180°磁疇處釘扎點的數(shù)量。

2 傳感器設計

在MBN信號檢測系統(tǒng)中，傳感器是整個測量系統(tǒng)的關鍵所在，想要獲取穩(wěn)定的MBN信號，傳感器的合理設計至關重要，因此基于MBN信號檢測儀器自主設計了適用于RPV鋼輻照脆化程度檢測的傳感器。該傳感器具體由磁軛、激勵線圈、MBN信號接收器組成。

2.1 磁軛結構設計

磁軛形狀可以為H型和U型，兩種形狀的磁軛都可以對試件進行有效地貼合。李包青[22]等對兩種形狀的磁軛分別進行了仿真，結果表明兩種結構對材料的磁化效果相當；王嘉星[23]等利用錳鋅鐵氧體設計了U型磁軛，但傳感器不能滿足小型化RPV鋼試樣的檢測需求；王文濤[24]利用H型磁軛測量了不同殘余應力下的MBN信號，取得了很好的實驗效果。考慮到H型線圈容易纏繞激勵線圈且線圈分布較為均勻，所以本實驗采用H型磁軛作為傳感器的勵磁模塊。

常用的磁軛材料有硅鋼片和錳鋅鐵氧體。硅鋼片適用于低頻、大功率的情況下，高頻下?lián)p耗急劇增加，通常情況下要低于400 Hz；錳鋅鐵氧體具有高磁導率、高頻低損耗特點，但在低頻下容易飽和[25]。本實驗中使用的激勵信號頻率低于10 Hz，所以選取硅鋼片作為磁軛材料。為了保證傳感器具有較高的靈敏度，這就要求整體尺寸盡可能小，但過小的尺寸不利于MBN信號的接收，同時結合檢測試樣的尺寸，綜合考慮下設計的H型磁軛尺寸如圖5所示。其中磁軛厚度為8 mm。

圖5 磁軛幾何模型圖(mm)

鐵磁性材料在被磁化的過程中，隨著磁化深度的增加，磁化強度會發(fā)生衰減，根據(jù)電磁學理論，磁場在垂直材料表面的衰減規(guī)律為：

H(x)=H0e-αx

(6)

式中，H(x)為材料內部與表面垂直距離為x處的磁場強度；H0為試件表面的磁場強度；α為衰減系數(shù)，1/α通常被定義為穿透深度，是指衰減為H0的1/e時到材料表面的距離[26]。激勵線圈接收到的信號為正弦信號，根據(jù)以下趨膚深度式(7)[27]可以確定材料的磁化深度。

(7)

式中，f為激勵信號的頻率；μ=μ0μr，μr為材料的相對磁導率；σ0為材料的電導率。結合式(6)和(7)可得衰減系數(shù)的表達式為：

(8)

從式(7)和(8)可以看出：隨著激勵信號頻率的增加，趨膚深度變小，材料的磁化范圍變小，引起磁疇轉動和磁疇壁位移的數(shù)量減小，最終導致MBN信號減弱。常見鐵磁性材料的相對磁導率介于50～5 000之間，電導率介于(5～10)×106Ω-1m-1之間，計算出不同頻率下的鐵磁性材料的趨膚深度如表1所示。

表1 不同激勵頻率的趨膚深度

所用RPV鋼試件的厚度為1 mm，考慮到趨膚深度和磁化效果，激勵線圈的頻率應在5 Hz左右(由于試件厚度限制，在仿真過程中改變激勵信號頻率，試件磁感應強度變化不明顯，具體仿真見2.2節(jié))。

2.2 勵磁結構仿真與分析

ANSYS Maxwell是一種電磁仿真軟件，可對諸如傳感器、調節(jié)器、電動機等電磁元件進行仿真。根據(jù)磁場是否隨時間變化，將磁場分析分為靜態(tài)磁場分析和渦流磁場分析。在檢測MBN信號時，激勵信號選擇的是低頻的交流信號，按照正弦規(guī)律變化，可通過Maxwell 2D渦流求解器進行分析計算。

根據(jù)設計的磁軛尺寸，在Maxwell軟件中建立模型，激勵線圈設置為300匝，對激勵線圈施加4 V、5 Hz的正弦信號，檢測試件的尺寸為實際尺寸大小，為15 mm×15 mm×1 mm(長度×寬度×厚度)。得到的磁感應強度分布和磁力線分布如圖6、圖7所示。

圖6 勵磁結構磁感應強度分布

圖7 勵磁結構磁力線分布

通過圖6、圖7中可以看出：試件一定深度被完全磁化，根據(jù)顏色信息初步判斷平均磁感應強度為1.70 T，在磁軛和試件緊密貼合的情況下，磁力線在磁軛和被測試件內部形成閉合回路，分布符合設計預期。

為了精確得出磁化區(qū)域，在距試件上表面深度分別為0.02、0.50、0.98、1.00 mm處設置一條路徑，長度為15 mm(試件長度)，得出在不同深度路徑下的磁感應強度如圖8～11所示。

圖8 0.02 mm深度路徑下磁感應強度變化

圖9 0.50 mm深度路徑下磁感應強度變化

圖10 0.98 mm深度路徑下磁感應強度變化

圖11 1.00 mm深度路徑下磁感應強度變化

通過仿真結果可以看出，在試件內部不同深度下，三條路徑中3.5～11.5mm處的磁感應強度基本相同，磁化效果相當，大約為1.8 T，該長度正好為磁軛兩腳之間的距離，表明在磁軛兩腳之間的區(qū)域，試件可以被完全磁化；而下表面的磁感應強度僅為mT級，可以解釋為試件的下表面設置的是空氣介質，因此磁感應強度迅速減小。

在試件的中心位置設置一條垂直向下的路徑，長度為1 mm(試件厚度)，得出在深度路徑下的磁感應強度變化如圖12所示。

圖12 磁化區(qū)域內不同深度磁感應強度變化

從圖12中可以看出在不同深度下磁感應強度呈現(xiàn)下降趨勢，但數(shù)值相差不大，可以認為在深度范圍內磁感應強度相同，為1.82 T。

因此，通過仿真結果可以得出：待測試件的有效磁化區(qū)域為長度8 mm(磁軛兩腳之間的距離)、寬度8 mm(磁軛的厚度)、深度約為1 mm(試件的厚度)的立方體。在該磁化區(qū)域內磁感應強度為1.82 T，在仿真過程中，小范圍地改變激勵信號的幅值和頻率，試件被磁化的效果變化不明顯，因此只能通過仿真確定激勵信號的大致范圍，而最優(yōu)的激勵信號的幅值和頻率要通過試驗來進行確定。

2.3 MBN信號接收器設計

MBN信號接收器由磁感應元件和磁芯組成。常用的磁感應元件有磁阻傳感器、霍爾元件、感應線圈等。3種磁感應元件的參數(shù)如表2所示。根據(jù)已有結果[28]表明，RPV鋼的MBN信號的中心頻率一般在10 kHz左右，結合傳感器的靈敏度、線性范圍及頻率范圍等參數(shù)，最終選用靈敏度高、線性度好、頻率范圍廣的感應線圈作為檢測元件。考慮到MBN信號的頻率，磁芯選用錳鋅鐵氧體，內徑為3 mm，外徑為6 mm，長8 mm。檢測線圈使用直徑為0.07 mm的銅漆包線，匝數(shù)為400匝。

表2 各磁敏傳感器輸出特性比較

接收器放置的不同位置也會影響MBN信號的有效接收。在試件上方0.2 mm處設置一條路徑，長度為磁軛兩腳柱內距8 mm，此路徑下激勵信號產(chǎn)生的磁感應強度分布如圖13所示。

圖13 材料表面磁感應強度變化

從圖13可以看出，距離磁軛兩腳的距離越近，磁感應強度越大，接收器所受到的干擾越大。為了削弱激勵磁場對MBN信號接收產(chǎn)生的影響，接收器的位置應該放置在磁軛兩腳的正中間位置。同時接收器磁芯也存在材料分布不均勻的現(xiàn)象，可以使用磁芯接地來消除對信號接收的影響。

2.4 傳感器實物

磁軛由40層0.2 mm的定向硅鋼片壓制而成，激勵線圈選取0.21 mm耐高溫耐高壓的聚酯漆包圓銅線，其具有良好的電氣性能，適合作為激勵線圈使用。將漆包線緊密且方向一致地纏繞在H型磁軛上，匝數(shù)為300匝，在硅鋼片表面貼一層銅箔，可以使激勵線圈產(chǎn)生的感應磁場集中在磁軛內部，對試件有更好的磁化效果。

3 MBN信號檢測儀器

為了對RPV鋼輻照脆化程度進行檢測，自主開發(fā)了MBN信號檢測儀器，該檢測儀器體積小、重量輕、測量簡單快捷。檢測儀器組成如圖14所示，具體由DSP、功率放大模塊、傳感器、信號調理電路和LCD屏幕組成。

圖14 MBN信號檢測儀器組成

DSP作為處理器包括核心芯片TMS320F28335、產(chǎn)生激勵信號的DA模塊、采集MBN信號的AD模塊、USB存儲模塊和多種通信接口；由于DSP產(chǎn)生的激勵信號驅動能力較弱，針對該問題設計了功率放大模塊，將激勵信號進行電壓電流的綜合放大，來達到傳感器對試件的磁化要求；測量中試件產(chǎn)生的MBN信號較弱，僅為毫伏級，同時還混雜著激勵信號產(chǎn)生的干擾，因此設計了信號調理電路，具體由第一級放大電路，高通濾波電路，主放大電路組成，在放大MBN信號的同時濾除低頻的干擾信號；隨后DSP的AD模塊對信號進行采樣、軟件濾波、特征值計算等處理，最后通過串行通信接口(SCI)將信號的特征信息傳輸?shù)絃CD屏幕，進行MBN信號和特征值的顯示，同時LCD屏幕具有觸摸屏功能，可手動設置激勵信號的幅值和頻率，便于對不同的測量對象進行MBN信號測量。

4 實驗結果與分析

4.1 特征參數(shù)值提取

在研究RPV鋼輻照脆化程度與MBN信號之間的關系時，常常用MBN信號的特征參數(shù)值來進行表征。例如：峰峰值(VPP)、均方根值(RMS)、半高寬(WC)、包絡面積等。本實驗以VPP和RMS為例來進行研究。

研究表明，不同材料硬度、晶粒度等力學性能指標的不同會導致MBN信號包絡的幅值和頻帶不同，用峰峰值反映信號包絡的幅值信息。峰峰值是指信號最大正值與最大負值的差值，即信號包絡波峰與波谷的絕對值，表征信號包絡高度的變化，計算公式如下：

(9)

均方根值是研究交變信號通用的結果表征值，可以表示鐵磁性材料在交變磁場下的能量信息，同時均方根值對MBN信號分析具有很好的數(shù)值穩(wěn)定性。計算公式如下：

(10)

式中，vi為每個采樣點對應的采樣值；i為單個采樣點點數(shù)；n為采樣總數(shù)。

4.2 試驗測量

以未服役的RPV鋼試樣為試驗對象進行MBN信號測量試驗，激勵信號初始頻率設置為5 Hz，激勵信號幅值為2～11 V。對MBN信號的峰峰值和均方根值進行提取，兩個特征參數(shù)隨激勵信號幅值的變化曲線如圖15所示。

圖15 MBN信號特征參數(shù)值隨激勵電壓變化趨勢

4.3 結果分析

從圖中可以看出：隨著激勵信號幅值的增大，MBN信號的峰峰值和均方根值均變化明顯；幅值增大到7 V后，兩特征參數(shù)值隨激勵信號幅值增大的趨勢減緩。結合磁化過程進行分析，保持頻率不變，增大幅值，在單位時間內導致更多的180°的磁疇壁移動，巴克豪森跳躍發(fā)生的密度增大，MBN信號的強度也逐漸增加，當外加勵磁磁場增大到一定程度后，單位時間內180°疇壁移動達到極限值，MBN信號強度基本不變[29]。

激勵信號電壓幅值太低，磁化效果微弱，產(chǎn)生的MBN信號較弱，不宜觀察；幅值太大，兩個特征參數(shù)不能等比例地增大，同時還會導致線圈發(fā)熱嚴重，對測試結果造成影響；所以結合試驗結果，激勵信號的幅值應設置在7 V。

將激勵信號的幅值設置為7 V不變，依次改變頻率為2～9 Hz，經(jīng)過濾波處理后對比發(fā)現(xiàn)頻率為6 Hz時MBN信號的波形重復性和穩(wěn)定性特征最好，如果激勵信號的頻率過高，容易導致試樣震蕩引進誤差；如果頻率過小，會導致試件產(chǎn)生的MBN信號比較微弱。所以最終確定激勵信號的頻率為6 Hz。圖16為激勵信號頻率分別為4、6、8 Hz時的MBN信號波形。

圖16 不同激勵信號頻率下的MBN信號

5 結束語

為了對RPV鋼的輻照損傷程度進行檢測同時提高MBN信號檢測儀器的穩(wěn)定性，根據(jù)MBN信號的產(chǎn)生原理，設計了MBN信號檢測傳感器，并結合有限元仿真和試驗進行了分析，得出以下結論：

1)通過對H型勵磁模塊進行理論計算和有限元仿真，分析了磁感應強度和磁力線在試件內部的分布，得出了試件的有效磁化區(qū)域，可以滿足試件的磁化需求。

2)通過對試件上方0.2 mm處的磁感應強度分布進行分析，得出MBN信號接收器應該放置在磁軛兩腳的中間位置，此時受到激勵信號的影響最小。

3)通過對未服役的RPV鋼試件進行測量，得出最佳測量激勵信號的幅值為7 V，頻率為6 Hz，此時儀器具有較好的穩(wěn)定性和重復性，為RPV鋼輻照脆化程度檢測奠定了基礎。