蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測可靠性有限元分析

1、蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測可靠性有限元分析廖述圣 林戈（核動力運(yùn)行研究所，武漢 430074）摘 要 在核電廠蒸汽發(fā)生器傳熱管渦流檢測中，對缺陷的定量可靠性研究是一個重要的問題。本文利用有限元方法針對環(huán)槽在渦流檢測中相位深度曲線的判傷可靠性進(jìn)行了初步定量定性分析。通過大量計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析，獲得了在環(huán)槽情況下不同深度的定量偏差，以及他們之間的定性關(guān)系。關(guān)鍵詞 渦流檢測；可靠性；有限元；蒸汽發(fā)生器傳熱管Reliability of ECT Analysis for Steam Generator Tubes by Finite Element MethodLiao Shusheng Lin Ge

2、(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 在核設(shè)

3、備傳熱管檢查過程中，缺陷的準(zhǔn)確的定性定量有著重要的作用。定量的過小或漏檢，威脅運(yùn)行的安全性；定量過大，將導(dǎo)致堵管，降低核動力裝置運(yùn)行的效率甚至報(bào)廢，給國家經(jīng)濟(jì)帶來重大損失。因此準(zhǔn)確的檢測結(jié)果對核電廠安全、高效、清潔、可靠的運(yùn)行有重要的作用，傳熱管渦流檢測的可靠性就顯得格外重要。為了方便研究，我們將渦流檢測偏差分為三類來源，第一是檢測方法的偏差。第二是檢測系統(tǒng)的偏差，第三是人為因素的偏差。隨著檢測儀器以及軟件技術(shù)的發(fā)展，第2和3個因素的偏差已經(jīng)減低到較小的程度，占主要地位的是檢測方法的偏差，就是本文要探討的主題。1傳熱管渦流檢測可靠性研究方法在以往的可靠性研究當(dāng)中，我們主要有兩種方式來對渦流定量

4、可靠性進(jìn)行評估。一是制造大量試驗(yàn)管，然后通過采集分析統(tǒng)計(jì)的方法來進(jìn)行可靠性分析。這種方法優(yōu)點(diǎn)是針對性強(qiáng)，直觀、可信度高。缺點(diǎn)是缺陷加工與計(jì)量的偏差，材料的均勻與一致性、儀器與探頭的偏差、檢測中的機(jī)械不穩(wěn)定性（如擺動、速度不均勻等）以及檢測的靈敏度都對可靠性分析造成了一定的難度和成本的增加。甚至在很多情況下，缺陷無法加工。第二種方法是對電廠實(shí)際缺陷進(jìn)行定量后，取出管對缺陷進(jìn)行解剖測量，再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法來評估渦流檢測的可靠性。優(yōu)點(diǎn)是直觀反映了當(dāng)前設(shè)備對當(dāng)前檢測對象的檢測可靠性，可信度高。但是由于實(shí)際缺陷的偶然性，采樣不夠完整全面，其結(jié)果不具有普遍性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)被引入到渦流檢測

5、研究中1，有限元計(jì)算方法沒有儀器探頭與材料上的問題，可以研究理想條件下渦流檢測，從而可以很好的進(jìn)行定性研究。能夠很大程度上解決和補(bǔ)充試驗(yàn)方法的不足。但是數(shù)值計(jì)算本身也存在一定偏差，因此對可靠性偏差的精確定量比較困難。數(shù)值計(jì)算則不存在以上試驗(yàn)中其他因素的干擾，可以很好對其進(jìn)行定性的分析。因此，試驗(yàn)方法、工程缺陷統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)值計(jì)算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能偏重也不能忽視其一，只有三者有機(jī)的結(jié)合起來才能獲得有成效的結(jié)果。2相位深度曲線定量可靠性缺陷深度定量技術(shù)主要利用相位深度曲線和幅值深度曲線。下面我們主要討論采用峰-峰值測量法相位深度曲線在深度定量上的可靠性。以下計(jì)算采用的計(jì)算參數(shù)如表1表1 計(jì)算參數(shù)表

6、線圈內(nèi)徑外徑高度線圈間距匝數(shù)電導(dǎo)率磁導(dǎo)率13161.51.5321.56e-81標(biāo)定管材料內(nèi)徑外徑電阻率磁導(dǎo)率INCONEL69016.8191.15e-61激勵電流頻率1550e3一般來說，相位深度曲線主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人工缺陷的信號獲得。如國內(nèi)核電廠采用較多的法國RSEM標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定管如圖1。圖1 RSEM標(biāo)準(zhǔn)渦流檢測標(biāo)定管圖在核電廠深度定量中，一般使用10內(nèi)環(huán)槽、100%通孔、40外環(huán)槽、10外環(huán)槽作標(biāo)定曲線。為了方便計(jì)算，我們使用0.6mm的100環(huán)槽代替100通孔（試驗(yàn)已驗(yàn)證其相位角相等）。使用有限元方法計(jì)算獲得各個深度的阻抗相位峰峰值，按照通槽40度為基準(zhǔn)，獲得各相位值如表1：表2：R

7、SEM標(biāo)定管計(jì)算相位值10內(nèi)環(huán)槽(寬1mm)100環(huán)槽(寬0.6mm)40外環(huán)槽(寬1mm)10外環(huán)槽(寬1mm)計(jì)算相位值6.340122147根據(jù)以上結(jié)果，作相位深度曲線（PDC）如圖2圖2 RSEM標(biāo)準(zhǔn)渦流檢測標(biāo)定管計(jì)算標(biāo)定曲線渦流檢測都是以加工某一尺寸的標(biāo)準(zhǔn)缺陷，以此為標(biāo)尺，來對未知缺陷的深度進(jìn)行定量，這必然導(dǎo)致檢測方法上的偏差，為了方便討論，我們首先選擇一個深度為40壁厚的人工外槽，用有限元方法計(jì)算其寬度不同時的深度定量偏差。圖3是用有限元計(jì)算方法計(jì)算深度相同但是寬度不同的人工環(huán)槽的相位與寬度的關(guān)系曲線。其中槽寬從0.05mm至20mm。從圖2中可以看出，隨著缺陷寬度的無限減小，相位

8、變化較快，且沒有最大值，而隨著寬度的增大，相位存在最小值120度，在相同深度情況下0.05mm寬度的相位值為135度與相位最小值相差15度，按照圖2的相位深度標(biāo)定曲線，可以得出0.05mm寬的槽在曲線的顯示為25，相位最小值的在曲線上的顯示為43。實(shí)際檢測過程可能存在裂紋形式的缺陷，其寬度尺寸比0.05還要小，幸運(yùn)的是，即使裂紋是屬于周向，由于其不規(guī)則，其周向投影也還具有一定的寬度，偏差不可能無限增大。因此40環(huán)槽在RSEM標(biāo)定管定量曲線上的測量深度范圍約為2543。圖3 40外環(huán)槽相位寬度曲線以上討論的是深度為壁厚40周向外環(huán)槽的情況，下面探討不同深度時的定量偏差。根據(jù)相同計(jì)算方法，計(jì)算不同

9、深度下環(huán)槽寬度的影響曲線如圖4。根據(jù)曲線圖以及相位深度曲線可以獲得各種深度的定量偏差，如表3。圖4 不同深度時相位角與寬度曲線表3 相位與深度定量偏差統(tǒng)計(jì)表類型ODID槽深10%20%40%80%95%100%95%80%40%5%相位最小時槽寬度（mm）11.22.22.45105321相位最小值147.1139.3119.963.931.013.820.223.713.94.3寬度為0.05mm的相位值151.3147.3135.287.861.452.050.746.229.25.9在PDC曲線上的深度范圍4.7%10%9.7%20%25%43%71%81%89%76%ID94%OD30

10、ID%47% 95%OD56%97%OD30%71%4.6%8.9%從圖4和表3我們可以以歸納出以下幾種變化趨勢，以及這種變化對實(shí)際檢測的意義：1 不論內(nèi)傷還是外傷，缺陷的相位與寬度是有大致相同的變化趨勢的，都是隨著寬度的增加首先相位角減小到最小值，然后又隨著寬度增加相位角增大到某一穩(wěn)定值。因此渦流檢測在方法上就存在偏差的，這種偏差是在一定范圍內(nèi)的。2 在01mm區(qū)域，不論ID或者OD相同寬度的槽是隨著則深度加深而增大的，因此對于OD，缺陷寬度變小定量也偏小，而對于ID則缺陷寬度減小定量偏大。對于實(shí)際缺陷寬度尺寸相對標(biāo)定缺陷寬度尺寸大的缺陷，相位角較大，對于外缺陷，在檢測結(jié)果的深度定量上偏小。

11、對于內(nèi)缺陷則在深度定量上偏大。對于檢測缺陷尺寸相對標(biāo)定尺寸小的缺陷，相位角較小，在檢測結(jié)果的深度定量上偏大。因此理論上對于外傷來講要保守判傷，標(biāo)定缺陷是越小越好的。3 以100環(huán)槽為界，外環(huán)槽相位角總是隨著深度的減小而增大。各曲線都不交叉，說明如果外缺陷寬度相等時，相位是隨深度增加而減小的。內(nèi)環(huán)槽曲線則呈現(xiàn)不同的規(guī)律，與100曲線出現(xiàn)交叉，說明如果內(nèi)缺陷寬度達(dá)到一定程度，判傷曲線已經(jīng)失去的意義。相同寬度的槽則深度與相位變化不是單調(diào)遞增或遞減的。也就是說在這個范圍內(nèi)定量已經(jīng)失去意義。4 環(huán)槽深度越大則相位變化范圍也越大，深度定量偏差范圍一般也較大。相對來說外槽的偏差要比內(nèi)槽要小的多。同時，內(nèi)槽在某些情況下相位角可能大于標(biāo)定曲線100深度的相位角，從而顯示為外傷，這種情況在傳熱管多頻檢測中時有發(fā)生。顯然以上可靠性定量分析結(jié)果僅適用于規(guī)則的環(huán)槽情況，而定性分析則可能具有更大的普遍性。并且只是自由段的缺陷理想檢測條件時的可靠性，在工程實(shí)際檢測中情況更為復(fù)雜，如探頭偏轉(zhuǎn)、支撐板的