基于MBN的便携式RPV钢辐照脆化检测系统设计

2019-12-19王荣耀王海涛刘向兵2蒋梦浩3钱王洁2王嘉星

无损检测 2019年12期

王荣耀,王海涛,刘向兵2,蒋梦浩3,钱王洁2,王嘉星

(1.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016;2.苏州热工研究院，苏州 215004;3.武警江西省总队，南昌 330025)

反应堆压力容器(RPV)是压水堆核电厂最关键的设备之一，起到密封放射性、防止裂变产物逸出的作用。其长期在高温、高压、强辐照等恶劣的环境下运行，是核电站防止放射性物质泄漏的第二道安全屏障，也是核电站在全寿期内唯一不可更换的大型设备[1]。RPV的安全运行寿命决定了核电站的服役寿命,影响着核电站的安全性与经济性，因此研究RPV的辐照脆化状态，对预估RPV的寿命具有重要的意义[2]。

1996年，德国DOBMANN等比较了多种无损检测技术的优缺点和适用场合，以寻找合适的无损检测方法应用到核电站关键组件的在役检测中[3]；2004年，欧洲研究中心DEBARBERIS等[4]采用数学统计方法描述了RPV辐照脆化的参数变化；2005年，美国的WANG等[5]利用信息融合技术建立RPV辐照脆化模型来预测RPV钢的辐照脆化程度；2009年，中国原子能科学研究院佟振锋等[6]对RPV钢建立了一种辐照脆化模型来预测RPV钢辐照脆化的程度及其发展趋势；2013年，中国核动力研究设计院邱天等[7]在研究RPV钢辐照脆化效应的基础上，改进RPV钢的材料，将RPV钢的寿命提高至60 a。2013～2014年,俄罗斯中央研究院的MARGOLIN等[8]研究了热老化对RPV钢辐照脆化的影响，提出了一种新的方法来对RPV钢的辐照脆化进行预测研究。

磁巴克豪森噪声检测技术广泛应用于电磁无损检测领域，对材料的微观结构变化非常敏感，研究表明RPV钢在中子辐照后发生脆化的主要原因是基体缺陷的产生与杂质元素的析出，而MBN信号对铁磁材料的此类微结构变化非常敏感[9]，与用于宏观缺陷检测的超声等常规手段相比，该方法可在宏观缺陷产生前对材料进行性能评估，实现材料老化的早期预警。此外，MBN检测技术属于非接触式检测，不需要耦合剂，检测便捷，易实现在线检测。在理论上MBN检测技术用于RPV 钢辐照损伤评估与早期预测是切实可行的，因此，笔者建立了一套针对小尺寸RPV钢辐照脆化的便捷式检测系统，并验证了该系统的重复性与稳定性。

1 传感器设计与仿真

传感器是便携式巴克豪森噪声信号检测系统的核心部件，其MBN信号产生与接收的能力对系统的检测精度有直接影响。文章设计的传感器主要由激励线圈、U型磁轭、工型磁芯以及检测线圈组成，激励线圈缠绕在U型磁轭上构成传感器的磁化器，检测线圈缠绕在工型磁芯上构成接收器。传感器的结构示意如图1所示。

图1 传感器结构示意

1.1 磁化器

将被测试件局部交流磁化是磁巴克豪森噪声检测技术中的第一步，该功能由传感器中的磁化器部分实现。磁化器包括磁轭与激励线圈，需要根据被测试件的结构及尺寸等特点进行设计。

根据已有的研究成果，相较于其他形状的磁轭，U型磁轭的优势更明显，当检测线圈放在U型磁轭中心时，磁场分布均匀，可用于检测MBN信号。U型磁轭两脚间的间距越大，磁畴偏转越强，检测到的巴克豪森信号也就越强。但由于现有的待测试件尺寸(长×宽×厚)为16 mm×14 mm×1 mm，要形成完整的磁通路，U型磁轭的两脚内距必须小于16 mm。在尽可能增大巴克豪森检测信号又能够符合尺寸需求的情况下，通过多次试验设计，最终确定的U型磁轭尺寸如图1所示。在磁轭材料的选取上，选用了与巴克豪森噪声信号中心频率相近且在磁场下容易磁化及退磁的锰锌铁氧体，此外，锰锌铁氧体还具有截面积一致、磁导率高、损耗低及成本低等优点。最后选用直径为0.21 mm的漆包线绕在U型磁轭上，匝数为450匝。

1.2 接收器

常见的磁传感器有霍尔传感器、巨磁阻传感器和检测线圈，其主要参数对比如表1所示。根据已有结果表明，RPV钢的磁巴克豪森噪声信号的中心频率一般在10 kHz左右，且3种传感器的线性范围均满足检测要求，而检测线圈的灵敏度更高，即对磁场强度的变化更为敏感，对于巴克豪森噪声信号的拾取能力也更强。

表1 3种常见磁传感器的参数对比

接收器由工型磁芯和漆包线组成，工型磁芯选用的也是锰锌铁氧体材料，其具有磁导率高和磁通密度高的特点，且高频损耗低。考虑到RPV钢试件的尺寸以及U型磁轭的大小，最终确定了内径2 mm、内高4 mm、外径6 mm、外高8 mm的小尺寸工型锰锌铁氧体为磁芯，选用直径为0.07 mm的铜漆包线缠绕在工型锰锌铁氧体上，匝数为630匝。同时，小尺寸的磁传感器具有与试件的接触面积小且可以定位到试件具体位置的优点。

1.3 传感器仿真与优化

对设计的传感器进行有限元仿真，其具体模型参数如表2所示，仿真结果如图2,3所示，从图中可以看出，设计的传感器可以很好地磁化被测试件，即该传感器在理论上是可行的。

表2 传感器仿真模型参数

图2 磁场强度的分布(仿真)

图3 磁感线的分布(仿真)

在电磁无损检测中，提离效应是很重要的一个参数，在系统设计的传感器中，提离值指的是接收器与被测试件之间的距离，是巴克豪森噪声检测中极其重要的一个参数。笔者从有限元仿真的角度分析提离值对巴克豪森噪声信号接收的影响，得到的磁感应强度随提离值的变化曲线如图4所示。

图4 仿真得到的磁感应强度随提离值变化的曲线

由图4可以看出，磁感应强度随提离值的增大而减小，但是提离值过小会出现因试件振动造成其他噪声干扰较大的问题，故最终设计的传感器提离值为0.3 mm。

2 便携式巴克豪森检测系统设计

2.1 激励电源

TMS320F28335开发板D/A选取的是DAC7724芯片,其具有功耗低、尺寸小、输出电压范围广、精度高等特点。该芯片输出信号频率范围为0～100 Hz，采用模拟正弦波的方法以固定时间间隔采样来控制幅值及频率，送给DAC7724芯片输出，就可以产生任意幅值和任意频率的正弦波。

由于DAC7724芯片输出的正弦波信号的带负载能力较低，如果直接施加在传感器上，会引发磁场强度太弱而无法磁化RPV试件的问题，因此需要在DAC7724芯片输出的正弦波信号与传感器间加入功率放大器。最终确定的功率放大器实物如图5所示，选用TDA3293芯片，该芯片内部分为三级，其中差分输入级由双极型晶体管组成，推动级和功率输出级采用场效应管，这种结构综合了双极型晶体管低噪声和功率场效应管在线性、温度系数、音色上的优势，具有相当理想的客观测试指标，具有低失真、高耐压、过热保护等优点。

图5 功率放大器实物图片

2.2 调理电路

经传感器输出的巴克豪森噪声信号为毫伏甚至微伏级别，信号十分微弱且存在工频信号、漏磁信号等干扰信号。为了得到清晰的巴克豪森噪声信号，需要对传感器输出的信号进行放大及滤波，最终整个调理电路包括前置放大、高通滤波和主放大三部分，其实物图如图6所示。

图6 信号调理电路实物图片

前置放大电路选用功耗低、精度高的INA128芯片，由三个运算放大器构成，其增益大小可通过改变外部增益调节电阻RG得到，理论增益范围为1～10 000。一般来说，巴克豪森噪声信号的频率在1 kHz以上，为了消除其他噪声以获得较为纯净的MBN信号，系统在调理电路中加入了有源高通滤波器，采用运算放大器OP37作为三阶高通滤波器的有源元件，最终设计的高通滤波器通带截止频率为1.5 Hz，通带为-3 dB。经高通滤波器电路后，巴克豪森噪声信号会有一定的衰减，为进一步放大MBN信号以便分析和处理，在高通滤波电路后加入主放大电路。系统选用高精确的运算放大器OP37来设计主放大电路，改变反馈电阻的值可以改变放大倍数。

2.3 信号采集与显示

经过调理模块后的MBN信号会被送至TMS320F28335开发板的ADC(数字信号处理器)单元中，转换成DSP(数字信号处理器)可处理的数字信号，TMS320F28335的处理能力较强，32位浮点处理单元及6个DMA(直接内存存取)通道可使送入DSP的数字信号得到更快处理并输出。

采集到的MBN信号虽然经过硬件调理，但是采集过程仍然会增加部分噪声干扰，因而需要进行进一步的软件滤波调理，以便后续信号处理。FIR滤波器是有限长单位冲击响应滤波器，又叫做非递归型滤波器，被广泛地运用于数字信号处理领域。便携式检测系统的采集频率为80 kHz，会得到大量的试验数据，而DSP内存不能满足，需要将数据存储到外部RAM(随机存储器)中。通过改写cmd文件，将经过FIR滤波的MBN信号存储到TMS320F28335板的外部RAM中。

此系统选用3.5 in.(1 in.=25.4 mm)增强型TJC4024K032_011R液晶屏，TMS320F28335与LCD液晶屏通过SCI串口进行通讯，将要显示的波形数据和特征值数据发到RAM上，软件控制RAM刷屏实现波形和特征值的显示。

3 系统性能测试

3.1 稳定性测试

在对仪器系统稳定性进行测试时，将传感器与巴克豪森检测仪的机箱相连，测试不同激励频率时系统的稳定性。采用5Hz激励频率进行系统稳定性测试，随着测试次数的增加，相对标准偏差(Relative Standard Deviation，RSD)逐渐减小,在测试次数达到50～60次时，RSD趋于水平。频率为4 Hz 时系统最大误差为0.72%，即单次测量误差为0.72%。传感器频域稳定性测试结果如表3所示，综合考虑RPV钢辐照催化机理、传感器大小、兼容检测效率与精度，选取4Hz作为检测首选激励频率。

表3 传感器频域稳定性测试结果

3.2 重复性测试

由于现场应用时需要手动将传感器与被测对象进行磁耦合，考虑到被测对象的表面接触状况及操作方式的不同，所以在测试系统稳定性的基础上,进行了重复性测试。

对3个不同辐照脆化程度的RPV钢试件的表面正中心进行重复性测试，其尺寸(长×宽×厚)均为16 mm×14 mm×1 mm，采用4 Hz，400 mV的激励信号，每次手动将传感器轻压在试件上，如此反复测试10次，取均方根为参考特征值，测量结果如图7所示(图中N1,N2,N3表示3个试件)，从图中可以看出系统的重复性较好。