核燃料包殼管的陣列渦流檢測(cè)

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(yīng)堆的核心部件，工作于高溫、高壓、強(qiáng)輻照、冷卻劑沖刷及腐蝕蛻變等苛刻環(huán)境中。包殼管作為核反應(yīng)堆的第一道安全屏障，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行至關(guān)重要[1]。入堆前，若包殼管裂紋、夾雜、點(diǎn)坑等缺陷參數(shù)超過(guò)安全閾值，燃料棒將存在較高的失效風(fēng)險(xiǎn)。因此，須采用有效的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)包殼管進(jìn)行100%檢測(cè)。當(dāng)前包殼管的無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲、渦流和目視檢測(cè)等3種[2]。包殼管渦流檢測(cè)主要包括機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)和陣列技術(shù)。機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描多用于在線檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備維護(hù)難度大，檢測(cè)效率低。陣列渦流技術(shù)多用于核電傳熱管的在役檢測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子掃描技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，陣列渦流技術(shù)逐漸成熟。該技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)渦流檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)，并借助渦流儀強(qiáng)大的分析、計(jì)算及處理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料和零件的快速、有效檢測(cè)。其傳感器陣列的結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可以非常方便地對(duì)表面復(fù)雜的零件或者大面積金屬表面進(jìn)行檢測(cè)，且其發(fā)射/接收線圈的布局模式成倍地提高了渦流對(duì)材料的滲透深度。

隨著陣列檢測(cè)技術(shù)逐漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)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(guò)程中可能存在不同深度、不同方向的劃傷和折疊等缺陷，對(duì)缺陷的方向和深度檢測(cè)寬容度要求較高。陣列渦流檢測(cè)技術(shù)融合了最新的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，為包殼管的檢測(cè)提供了新途徑[3]。文章采用陣列渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)316不銹鋼包殼管上的人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明該方法可在11 dB的信噪比(滿足標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4083-2020 《鋼管、鋼棒自動(dòng)渦流探傷系統(tǒng)綜合性能測(cè)試方法》 關(guān)于信噪比大于10 dB的要求)條件下，準(zhǔn)確地檢出不同類型、不同尺寸的內(nèi)外表面缺陷，對(duì)包殼管的渦流檢測(cè)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 陣列渦流檢測(cè)原理

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

圖1 陣列線圈激勵(lì)-接收方式示意

試驗(yàn)選用外穿過(guò)環(huán)繞式陣列探頭(布置2圈，每圈23個(gè)點(diǎn)探頭)，采用SDD激勵(lì)-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(yàn)

2.1 人工缺陷對(duì)比樣管

人工缺陷對(duì)比樣管是針對(duì)被檢對(duì)象的檢測(cè)要求，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加工制作，并經(jīng)相關(guān)部門確認(rèn)，用于被檢對(duì)象質(zhì)量符合性評(píng)價(jià)的試樣。人工缺陷的形式并不統(tǒng)一，一般由產(chǎn)品制造或使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的缺陷性質(zhì)和形狀決定。試驗(yàn)所用的對(duì)比樣管采用槽和通孔來(lái)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(yàn)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(nèi)環(huán)槽、內(nèi)縱槽、外環(huán)槽、外縱槽)。人工缺陷對(duì)比樣管結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 人工缺陷對(duì)比樣管結(jié)構(gòu)示意

圖3中缺陷①是一個(gè)貫穿管壁的通孔，孔徑為0.2 mm；缺陷②是一個(gè)長(zhǎng)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(nèi)壁面切入；缺陷③是一個(gè)長(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)度方向上相隔200 mm；缺陷⑦是一個(gè)長(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)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(nèi)壁面切入；缺陷⑨是一個(gè)貫穿管壁的通孔，孔徑為0.2 mm。

2.2 參數(shù)配置

陣列渦流檢測(cè)時(shí)的缺陷信號(hào)強(qiáng)弱不僅取決于工件本身的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、缺陷類型等因素，同時(shí)也受探頭激勵(lì)電壓、增益和激勵(lì)頻率的影響。

陣列渦流探頭的激勵(lì)電壓及增益可調(diào)，電壓及增益越大，檢測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越大，同時(shí)噪聲信號(hào)的幅值也會(huì)更大。將噪聲信號(hào)控制在一定水平的情況下，應(yīng)盡量增加電壓值和增益。試驗(yàn)采用雙通道檢測(cè)(軸向和周向通道)，電壓設(shè)置為6 V，增益為54 dB。根據(jù)渦流檢測(cè)理論，頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)，表面缺陷的檢測(cè)靈敏度就越高，但穿透能力會(huì)下降，近表面缺陷的檢測(cè)靈敏度也會(huì)下降。綜合考慮后試驗(yàn)選用的檢測(cè)頻率為350 kHz。

2.3 檢測(cè)結(jié)果

提離效應(yīng)是渦流檢測(cè)的重要考慮因素，其會(huì)影響薄壁管檢測(cè)信號(hào)的信噪比，對(duì)檢測(cè)不利，所以首先評(píng)價(jià)提離效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。通孔的信噪比與提離的關(guān)系曲線如圖4所示，可見在50 mm·s-1的檢測(cè)速度下，系統(tǒng)可保證在1 mm提離條件下檢測(cè)信噪比達(dá)11 dB。

圖4 通孔的信噪比與提離的關(guān)系曲線

不銹鋼人工缺陷對(duì)比樣管的陣列渦流檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可直接確定缺陷的辨識(shí)度和分布位置。

圖5 人工缺陷對(duì)比樣管的陣列渦流檢測(cè)結(jié)果

由圖5可知，兩通道均可準(zhǔn)確識(shí)別通孔、外環(huán)槽、外縱槽等缺陷，而內(nèi)環(huán)槽、內(nèi)縱槽圖像辨識(shí)度相對(duì)較低。

不同人工缺陷的檢測(cè)量化結(jié)果如表1所示，通過(guò)對(duì)比檢測(cè)信號(hào)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(cè)量化結(jié)果

由表1的量化結(jié)果可知，通孔、外環(huán)槽、外縱槽信號(hào)的信噪比較高，幅值均大于0.3 V。內(nèi)環(huán)槽和內(nèi)縱槽缺陷信號(hào)的幅值較低，小于0.2 V。同種缺陷類型下，外傷的響應(yīng)幅值比內(nèi)傷的響應(yīng)幅值大兩倍以上，且從相位可知，內(nèi)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(guò)調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)膮?shù)可準(zhǔn)確檢出尺寸為3 mm×0.2 mm×0.05 mm(長(zhǎng)×寬×深)的內(nèi)環(huán)槽、內(nèi)縱槽、外環(huán)槽、外縱槽以及直徑為0.2 mm的通孔。

3 結(jié)語(yǔ)

開展了陣列渦流技術(shù)在核燃料包殼管檢測(cè)中的應(yīng)用研究，采用尺寸為15.7 mm×0.55 mm的316不銹鋼對(duì)比樣管進(jìn)行檢測(cè)靈敏度驗(yàn)證。檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明陣列渦流技術(shù)可有效應(yīng)用于核燃料包殼管的檢測(cè)，同時(shí)，鑒于探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性，該檢測(cè)技術(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可推廣到其他相關(guān)核燃料元件的質(zhì)量控制中。