基于FFT的核電站反應堆控制棒組件的超聲測厚

吳金鋒，孫加偉，汪春曉，呂天明，馬超，寧方卯

(1.中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215026；2.臺山核電合營有限公司，臺山529228)

基于FFT的核電站反應堆控制棒組件的超聲測厚

吳金鋒1，孫加偉1，汪春曉1，呂天明1，馬超1，寧方卯2

(1.中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215026；2.臺山核電合營有限公司，臺山529228)

為了保證核電站反應堆控制棒組件的正常使用，采用水浸脈沖反射回波超聲檢測技術，應用FFT(快速傅里葉變換)獲得壁厚信號的諧振頻率，根據壁厚信號的諧振頻率計算壁厚，從而得到檢測區域內的缺陷信息。在已知壁厚的試驗棒上驗證這種方法，得到的壁厚數據的精度較高，能較好地實現反應堆控制棒組件的超聲檢測。

控制棒組件；超聲檢測；快速傅里葉變換

壓水堆核電站反應堆控制棒組件(Rod Cluster Control Assembly，簡稱RCCA)通常由多根外包不銹鋼的銀-銦-鎘合金或碳化硼等吸收中子能力較強的棒材組成，其外徑為9.7 mm，壁厚為0.475 mm。RCCA是一種快速控制裂變反應的工具，其在正常運行時用于調節反應堆功率，在事故工況下能快速引入負反應性，使反應堆緊急停堆。

RCCA長期處在高溫、高放射性、往復機械運動、金屬材料熱老化、與導向板接觸磨損等工況下，服役期間可能會出現腫脹、磨損、裂紋等缺陷。從最近二十年的核電站運行經驗反饋看，共發生過7起控制棒落棒的異常事件，引起此類事件的原因有控制棒腫脹、燃料組件變形量偏大等[1]。通過定期對RCCA進行超聲檢測，對存在的缺陷進行定性和定量評估，并與歷史檢查數據比對，評測出現腫脹、磨損和裂紋的擴展速度和趨勢，可以確定RCCA能否繼續服役，從而確保核電站的安全運行。

利用普通脈沖式超聲回波測厚的方法一般只能測量厚度大于1 mm的部件，而控制棒壁厚不到0.5 mm，超聲檢測時反射回波混疊在一起，會造成檢測失敗。目前，提高超聲波測厚準確度及測量薄試件能力的途徑有兩種：一是研制能產生更窄脈沖的超聲波換能器；二是采用信號處理方法提取表征厚度的超聲波信息[2]。

江浩等[3]通過改善電路，將測量下限縮小至0.4 mm，并應用于現場檢測。戴波等[4]針對管道腐蝕提出了基于快速傅里葉變換的自動測厚算法，并用6～25 mm試塊驗證了算法的精度。

筆者介紹了快速傅里葉變換在壁厚為0.1～0.5 mm 的薄壁棒材超聲檢測中的應用。運用快速傅里葉變換處理試驗棒超聲波信號，得到壁厚的諧振頻率再計算出壁厚，并將此方法推廣到反應堆控制棒束的超聲檢測中。

1 快速傅里葉變換

任何形狀的信號都可以視作無限個不同頻率的正弦交變信號的疊加，在數學上用傅里葉序列來表述[5]。假設有一個周期信號,其周期為T，那么其傅里葉序列為：

(1)

式中：a0、an、bn為傅里葉系數,是各次諧波的頻率。

常規的超聲檢測信號一般可認為是有限時間的瞬態信號[6]，而對于某一瞬時信號，可設定其周期T趨向無窮大，這時序列可以寫作：

(2)

這里傅里葉系數變為連續的頻率函數：

(3)

式(3)即是傅里葉變換，其將一個時域非周期的連續信號，轉換為一個頻域非周期連續信號。如果將信號經數模轉換成數字信號序列，對照式(3)可得出其離散傅里葉變換(DFT)：

(4)

式中：n、k為序列號；N為數字信號序列的點數。

進行標準DFT變換時，運算工作量非常大，而把整個序列分解成若干個較短的序列作DFT計算，然后把它們合并起來而得到整個序列的DFT，運算速度將得到大幅提高，這就是快速傅里葉變換(FFT)。

通過FFT，可以將超聲信號從時域轉換到頻域進行分析，進而得到控制棒壁厚的諧振頻率，而壁厚與其諧振頻率的關系為：

(5)

式中：t為材料的壁厚；v為材料中的聲速；f為材料壁厚的特征頻率。

通過式(5)，可以計算得到壁厚。

2 控制棒測厚試驗

由于RCCA可能出現磨損、腫脹、裂紋等缺陷，采用與控制棒相同的材料做成試驗棒，上面刻有不同深度的人工缺陷。幾處人工缺陷處的剩余壁厚分別為T1、T2、T3、T4、T5，其中T1為全壁厚，T2、T3、T4、T5在壁厚方向上基本均勻分布。進行FFT變換時頻率范圍是5～25 MHz，對應的壁厚測量范圍是0.102～0.51 mm，此范圍涵蓋了人工缺陷深度。15 MHz 寬頻探頭頻域范圍接近5～25 MHz，因此采用該頻率的探頭對試驗棒應用快速傅里葉變換計算出的壁厚加以驗證。

2.1 壁厚信息采集

首先，針對正常壁厚T1進行正常的超聲采集，得到如圖1所示的A掃信號。

圖1 壁厚為T1時的A掃信號

由于測量的壁厚較小，各次反射回波混疊在一起，造成測量失敗，無法給出厚度值。通過FFT，將這個時域的超聲信號變換到頻域，得到壁厚的諧振頻率如圖2所示。

圖2 壁厚為T1時的FFT變換

從圖中可讀出壁厚的諧振頻率為5.383 MHz，由式(5)可得到壁厚。再重復測量三次并計算壁厚，四次計算結果均與實際值相差不大。

然后，對其余壁厚的A掃信號分別作FFT變換，得到各個壁厚的諧振頻率如圖3～6所示。

圖3 T2壁厚的A掃信號及其FFT變換

圖4 T3壁厚的A掃信號及其FFT變換

圖5 T4壁厚的A掃信號及其FFT變換

圖6 T5壁厚的A掃信號及其FFT變換

從圖3～6中得到各個壁厚的諧振頻率分別為24.821，15.102，8.672，7.327 MHz，分別計算出厚度，并重復以上步驟各三次。

2.2 壁厚分析

經FFT得到諧振頻率，由式(5)計算出來的各個壁厚與實際壁厚偏差見表1。

由表1可見，應用FFT計算得到的壁厚與實際壁誤差均在0.005 mm以內，且離散程度較小，數據可信，能滿足RCCA超聲檢測的需求。

表1 壁厚測量值與實際值的偏差 mm

3 討論

中等壁厚的管材或空心棒材，可通過測量其壁厚來判斷是否存在較大的腐蝕和磨損，而利用FFT的超聲檢測可以測量薄壁管材或空心棒材的腐蝕和磨損情況。

在進行大壁厚壓力容器的焊縫超聲波檢測時，0°探頭除了檢測整個焊縫區域和相近的基體金屬區域的缺陷外，還可用來監測壁厚。而通過回波信號的波形特征分析得到的壁厚顯然誤差偏大。如果能將0°探頭的超聲回波信號進行FFT，再加以簡單地運算即可獲得壁厚，從而使得結果更加精確。

4 結語

介紹了FFT在薄壁棒材超聲檢測技術中的應用，計算壁厚的重點在于通過FFT將時域信號變換為頻域信號，獲得壁厚的諧振頻率。該法很好地彌補了常規超聲回波測量壁厚的不足。如果將相應技術成功應用于核電現場，可完成核電站控制棒關鍵部件的零點建立和大修的在役檢查，確保國內核電站安全、可靠地運行，并在一定程度上有效減少操作風險及大修檢查時間。

[1] 周紅，肖志，陶書生，等.運行核電廠控制棒組件及其驅動機構異常事件的經驗反饋[J].核安全，2013(1)：19-22，35.

[2] 劉鎮清，王路.脈沖超聲波幅度譜測厚技術[J].計量技術，1999(5):6-8.

[3] 江浩，劉京州.精密小口徑管高精度超聲自動測厚 [J].無損檢測，1999，21(1):21-23.

[4] 戴波，馬明璐.管道腐蝕超聲波內檢測管壁自動測厚算法[J].化工學報，2012，63(9):2980-2990.

[5] FITTING D W，ADLER L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation[M].New York and London: Plenum Press,1981.

[6] 劉鎮清,陳廣.超聲無損檢測中的譜分析技術[J].無損檢測，2001，23(2)：85-88.

Ultrasonic Inspection of Rod Cluster Control Assembly of Nuclear Power Plant Based on FFT

WU Jin-feng1,SUN Jia-wei1, WANG Chun-xiao1, Lü Tian-ming1, MA Chao1, NING Fang-mao2

(1.CGN Inspection Technology Co., Ltd., Suzhou 215026, China; 2.Taishan Nuclear Power Joint Venture Co.,Ltd., Taishan 529228,China)

It was necessary to detect the defects of Rod Cluster Control Assembly used in nuclear power plant reactor for its normal operation. The immersion pulse-echo technique was applied, from which the resonance frequency of the UT signal was obtained by performing FFT. After that, the defects information within the area of inspection can be analyzed from the UT signal. The method was validated on a calibration block whose thickness was known. The accuracy was high and the uncertainty was within the allowable range. With the help of this method, the ultrasonic inspection for Rod Cluster Control Assembly can be realized well.

Rod cluster control assembly; Ultrasonic inspection; FFT

2016-07-10

吳金鋒(1989-),男，本科，助理工程師，主要從事核電站超聲無損檢測工作。

吳金鋒，E-mail: wu-jinfeng@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201703010

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0040-04