蒸汽发生器传热管涡流检测可靠性有限元分析.doc

蒸汽发生器传热管涡流检测可靠性有限元分析
廖述圣 林戈
（核动力运行研究所，武汉 430074）

摘 要 在核电厂蒸汽发生器传热管涡流检测中，对缺陷的定量可靠性研究是一个重要的问题。本文利用有限元方法针对环槽在涡流检测中相位深度曲线的判伤可靠性进行了初步定量定性分析。通过大量计算结果的统计和分析，获得了在环槽情况下不同深度的定量偏差，以及他们之间的定性关系。
关键词 涡流检测；可靠性；有限元；蒸汽发生器传热管

Reliability of ECT Analysis for Steam Generator Tubes by Finite Element Method
Liao Shusheng Lin Ge
(Research Institute of Nuclear Power Operation, Wuhan 430074, China)

Abstract It is an important subject that reliability of sizing for defects in nuclear power plant steam generator tubes eddy current inspection. This paper
Keywords Eddy current examination;; Finite element; Steam generator tubes
在核设备传热管检查过程中，缺陷的准确的定性定量有着重要的作用。定量的过小或漏检，威胁运行的安全性；定量过大，将导致堵管，降低核动力装置运行的效率甚至报废，给国家经济带来重大损失。因此准确的检测结果对核电厂安全、高效、清洁、可靠的运行有重要的作用，传热管涡流检测的可靠性就显得格外重要。
为了方便研究，我们将涡流检测偏差分为三类来源，第一是检测方法的偏差。第二是检测系统的偏差，第三是人为因素的偏差。随着检测仪器以及软件技术的发展，第2和3个因素的偏差已经减低到较小的程度，占主要地位的是检测方法的偏差，就是本文要探讨的主题。
1．传热管涡流检测可靠性研究方法
在以往的可靠性研究当中，我们主要有两种方式来对涡流定量可靠性进行评估。一是制造大量试验管，然后通过采集分析统计的方法来进行可靠性分析。这种方法优点是针对性强，直观、可信度高。缺点是缺陷加工与计量的偏差，材料的均匀与一致性、仪器与探头的偏差、检测中的机械不稳定性（如摆动、速度不均匀等）以及检测的灵敏度都对可靠性分析造成了一定的难度和成本的增加。甚至在很多情况下，缺陷无法加工。第二种方法是对电厂实际缺陷进行定量后，取出管对缺陷进行解剖测量，再进行统计的方法来评估涡流检测的可靠性。优点是直观反映了当前设备对当前检测对象的检测可靠性，可信度高。但是由于实际缺陷的偶然性，采样不够完整全面，其结果不具有普遍性。
随着计算机技术的发展，有限元技术被引入到涡流检测研究中[1]，有限元计算方法没有仪器探头与材料上的问题，可以研究理想条件下涡流检测，从而可以很好的进行定性研究。能够很大程度上解决和补充试验方法的不足。但是数值计算本身也存在一定偏差，因此对可靠性偏差的精确定量比较困难。数值计算则不存在以上试验中其他因素的干扰，可以很好对其进行定性的分析。
因此，试验方法、工程缺陷统计方法、数值计算方法各有优缺点，不能偏重也不能忽视其一，只有三者有机的结合起来才能获得有成效的结果。
2．相位深度曲线定量可靠性
缺陷深度定量技术主要利用相位深度曲线和幅值深度曲线。下面我们主要讨论采用峰-峰值测量法相位深度曲线在深度定量上的可靠性。以下计算采用的计算参数如表1
表1 计算参数表
线圈
内径
外径
高度
线圈间距
匝数
电导率
磁导率
13
16
1.5
1.5
32
1.56e-8
1
标定管
材料
内径
外径
电阻率
磁导率

INCONEL690
16.8
19
1.15e-6
1

激励
电流
频率

1
550e3

一般来说，相位深度曲线主要依据标准规定的人工缺陷的信号获得。如国内核电厂采用较多的法国RSEM标准标定管如图1。

图1 RSEM标准涡流检测标定管图
在核电厂深度定量中，一般使用10％内环槽、100%通孔、40％外环槽、10％外环槽作标定曲线。为了方便计算，我们使用0.6mm的100％环槽代替100％通孔（试验已验证其相位角相等）。使用有限元方法计算获得各个深度的阻抗相位峰峰值，按照通槽40度为基准，获得各相位值如表1：

表2：RSEM标定管计算相位值

10％内环槽
(宽1mm)
100％环槽
(宽0.6mm)
40％外环槽
(宽1mm)
10％外环槽
(宽1mm)
计算相位值
6.3
40
122
147
根据以上结果，作相位深度曲线（PDC）如图2

图2 RSEM标准涡流检测标定管计算标定曲线
涡流检测都是以加工某一尺寸的标准缺陷，以此为标尺，来对未知缺陷的深度进行定量，这必然导致检测方法上的偏差，为了方便讨论，我们首先选择一个深度为40％壁厚的人工外槽，用有限元方法计算其宽度不同时的深度定量偏差。
图3是用有限元计算方法计算深度相同但是宽度不同的人工环槽的相位与宽度的关系曲线。其中槽宽从0.05mm至20mm。从图2中可以看出，随着缺陷宽度的无限减小，相位变化较快，且没有最大值，而随着宽度的增大，相位存在最小值120度，在相同深度情况下0.05mm宽度的相位值为135度与相位最小值相差15度，按照图2的相位深度标定曲线，可以得出0.05mm宽的槽在曲线的显示为25％，相位最小值的在曲线上的显示为43％。实际检测过程可能存在裂纹形式的缺陷，其宽度尺寸比0.05还要小，幸运的是，即使裂纹是属于周向，由于其不规则，其周向投影也还具有一定的宽度，偏差不可能无限增大。因此40％环槽在RSEM标定管定量曲线上的测量深度范围约为25％～43％。

图3 40％外环槽相位宽度曲线
以上讨论的是深度为壁厚40％周向外环槽的情况，下面探讨不同深度时的定量偏差。
根据相同计算方法，计算不同深度下环槽宽度的影响曲线如图4。根据曲线图以及相位深度曲线可以获得各种深度的定量偏差，如表3。

图4 不同深度时相位角与宽度曲线
表3 相位与深度定量偏差统计表
类型
OD

ID
槽深
10%
20%
40%
80%
95%
100%
95%
80%
40%
5%
相位最小时槽宽度（mm）
1
1.2
2.2
2.4
5
10
5
3
2
1
相位最小值
147.1
139.3
119.9
63.9
31.0
13.8
20.2
23.7
13.9
4.3
宽度为0.05mm的相位值
151.3
147.3
135.2
87.8
61.4
52.0
50.7
46.2
29.2
5.9
在PDC曲线上的深度范围
4.7%~
10%
9.7%~
20%
25%~
43%
71%~
81%
89%~
76%ID
94%OD
~30ID%
47% ~
95%OD
56%~
97%OD
30%~
71%
4.6%~
8.9%
从图4和表3我们可以以归纳出以下几种变化趋势，以及这种变化对实际检测的意义：
1． 不论内伤还是外伤，缺陷的相位与宽度是有大致相同的变化趋势的，都是随着宽度的增加首先相位角减小到最小值，然后又随着宽度增加相位角增大到某一稳定值。因此涡流检测在方法上就存在偏差的，这种偏差是在一定范围内的。
2． 在0－1mm区域，不论ID或者OD相同宽度的槽是随着则深度加深而增大的，因此对于OD，缺陷宽度变小定量也偏小，而对于ID则缺陷宽度减小定量偏大。对于实际缺陷宽度尺寸相对标定缺陷宽度尺寸大的缺陷，相位角较大，对于外缺陷，在检测结果的深度定量上偏小。对于内缺陷则在深度定量上偏大。对于检测缺陷尺寸相对标定尺寸小的缺陷，相位角较小，在检测结果的深度定量上偏大。因此理论上对于外伤来讲要保守判伤，标定缺陷是越小越好的。
3． 以100％环槽为界，外环槽相位角总是随着深度的减小而增大。各曲线都不交叉，说明如果外缺陷宽度相等时，相位是随深度增加而减小的。内环槽曲线则呈现不同的规律，与100％曲线出现交叉，说明如果内缺陷宽度达到一定程度，判伤曲线已经失去的意义。相同宽度的槽则深度与相位变化不是单调递增或递减的。也就是说在这个范围内定量已经失去意义。
4． 环槽深度越大则相位变化范围也越大，深度定量偏差范围一般也较大。相对来说外槽的偏差要比内槽要小的多。同时，内槽在某些情况下相位角可能大于标定曲线100％深度的相位角，从而显示为外伤，这种情况在传热管多频检测中时有发生。
显然以上可靠性定量分析结果仅适用于规则的环槽情况，而定性分析则可能具有更大的普遍性。并且只是自由段的缺陷理想检测条件时的可靠性，在工程实际检测中情况更为复杂，如探头偏转、支撑板的影响、磁区的缺陷定量、多缺陷的符合信号的定量等，这些都需要作进一步的研究。
4．结论：
本文使用有限元方法通过对大量环槽信号的计算统计和分析，证明了涡流阻抗相位角并不是随着深度变化而单调变化的，而是存在一定的偏差范围。获得了其偏差范围以及他们的定性关系。同时也说明了有限元方法在涡流检测中具有不可替代的应用价值。
参考文献：
[1] 核电站蒸汽发生器传热管涡流信号有限元仿真。