核燃料包壳管的阵列涡流检测

核燃料元件是反应堆的核心部件，工作于高温、高压、强辐照、冷却剂冲刷及腐蚀蜕变等苛刻环境中。包壳管作为核反应堆的第一道安全屏障，对其进行质量监控对反应堆的安全运行至关重要。入堆前，若包壳管裂纹、夹杂、点坑等缺陷参数超过安全阈值，燃料棒将存在较高的失效风险。因此，须采用有效的无损检测方法对包壳管进行100%检测。当前包壳管的无损检测方法主要有超声、涡流和目视检测。包壳管涡流检测主要包括机械旋转扫描技术和阵列技术。机械旋转扫描多用于在线检测，检测设备维护难度大，检测效率低。阵列涡流技术多用于核电传热管的在役检测。随着计算机技术、电子扫描技术以及信号处理技术的发展，阵列涡流技术逐渐成熟。该技术通过设计涡流检测线圈结构，并借助涡流仪强大的分析、计算及处理功能，实现对材料和零件的快速、有效检测。其传感器阵列的结构形式灵活多样，可以非常方便地对表面复杂的零件或者大面积金属表面进行检测，且其发射/接收线圈的布局模式成倍地提高了涡流对材料的渗透深度。随着阵列检测技术逐渐成熟，其应用领域也越来越广泛。核燃料棒用包壳管直径通常为6~16mm，壁厚约为0.5mm，其制造过程中可能存在不同深度、不同方向的划伤和折叠等缺陷，对缺陷的方向和深度检测宽容度要求较高。阵列涡流检测技术融合了最新的传感器技术、计算机技术和数字信号处理技术，为包壳管的检测提供了新途径。

技术人员采用阵列涡流检测技术对316不锈钢包壳管上的人工缺陷进行检测，检测结果表明该方法可在11dB的信噪比（满足标准YB/T4083-2020《钢管、钢棒自动涡流探伤系统综合性能测试方法》关于信噪比大于10dB的要求）条件下，准确地检出不同类型、不同尺寸的内外表面缺陷，对包壳管的涡流检测具有重要的指导意义。1阵列涡流检测原理阵列涡流检测设备中最为常见的两种激励(T)-接收(R)方式如图1所示，图中LSD为单个线圈激励、多个线圈接收方式，该接受方式接收线圈与激励线圈的间距较大，特别适合用于表面大缺陷的检测，并且受提离的影响较小；SDD为双线圈激励、双线圈接收方式，该方式对小缺陷的检测灵敏度高。两种激励-接收方式可同时发现不同方向的缺陷，可检测缺陷类型较全面。图1

阵列线圈激励-接收方式示意试验选用外穿过环绕式阵列探头（布置2圈，每圈23个点探头），采用SDD激励-接收方式，阵列涡流扫描方向如图2所示。图2

阵列涡流扫描方向示意

2工艺试验人工缺陷对比样管人工缺陷对比样管是针对被检对象的检测要求，按照相关标准加工制作，并经相关部门确认，用于被检对象质量符合性评价的试样。人工缺陷的形式并不统一，一般由产品制造或使用过程中可能产生的缺陷性质和形状决定。试验所用的对比样管采用槽和通孔来模拟316不锈钢包壳管中的常见缺陷（槽型缺陷用于模拟裂纹、折叠等缺陷，通孔缺陷用于模拟分层、夹杂等缺陷）。试验选择尺寸为15.7mm×0.55mm（直径×壁厚，下同）的包壳管制作人工缺陷（加工通孔、内环槽、内纵槽、外环槽、外纵槽）。人工缺陷对比样管结构如图3所示。图3人工缺陷对比样管结构示意缺陷①是一个贯穿管壁的通孔，孔径为0.2mm；缺陷②是一个长度为3mm的周向槽，槽宽为0.2mm，深度为壁厚的10%，从管子内壁面切入；缺陷③是一个长度为3mm的周向槽，槽宽为0.2mm，深度为壁厚的10%，从管子外壁面切入；缺陷④，⑤，⑥是3个贯穿管壁的通孔，孔径为0.2mm；沿圆周方向彼此间隔为120°，长度方向上相隔200mm；缺陷⑦是一个长度为3mm的轴向槽，槽宽为0.2mm，深度为壁厚的10%，从管子外壁面切入；缺陷⑧是一个长度为3mm的轴向槽，槽宽为0.2mm，深度为壁厚的10%，从管子内壁面切入；缺陷⑨是一个贯穿管壁的通孔，孔径为0.2mm。

参数配置

阵列涡流检测时的缺陷信号强弱不仅取决于工件本身的电导率、磁导率、缺陷类型等因素，同时也受探头激励电压、增益和激励频率的影响。阵列涡流探头的激励电压及增益可调，电压及增益越大，检测线圈的感应电动势也就越大，同时噪声信号的幅值也会更大。将噪声信号控制在一定水平的情况下，应尽量增加电压值和增益。试验采用双通道检测（轴向和周向通道），电压设置为6V，增益为54dB。根据涡流检测理论，频率越高，趋肤效应越强，表面缺陷的检测灵敏度就越高，但穿透能力会下降，近表面缺陷的检测灵敏度也会下降。综合考虑后试验选用的检测频率为350kHz。

检测结果

提离效应是涡流检测的重要考虑因素，其会影响薄壁管检测信号的信噪比，对检测不利，所以首先评价提离效应对检测结果的影响。通孔的信噪比与提离的关系曲线如图4所示，可见在50mm/s的检测速度下，系统可保证在1mm提离条件下检测信噪比达11dB。图4通孔的信噪比与提离的关系曲线不锈钢人工缺陷对比样管的阵列涡流检测结果如图5所示。由图5可直接确定缺陷的辨识度和分布位置。图5人工缺陷对比样管的阵列涡流检测结果由图5可知，两通道均可准确识别通孔、外环槽、外纵槽等缺陷，而内环槽、内纵槽图像辨识度相对较低。不同人工缺陷的检测量化结果如表1所示，通过对比检测信号的相位和幅值可判断缺陷的类型及分布深度。表1

不同人工缺陷的检测量化结果

由表1的量化结果可知，通孔、外环槽、外纵槽信号的信噪比较高，幅值均大于0.3V。内环槽和内纵槽缺陷信号的幅值较低，小于0.2V。同种缺陷类型下，外伤的响应幅值比内伤的响应幅值大两倍以上，且从相位可知，内表面缺陷相位约为110°，外表面缺陷的相位则约为70°。由此可知缺陷的检出率受缺陷深度和分布位置的影响较大。通过调节适当的参数可准确检出尺寸为3mm×0.2mm×0.05mm（长×宽×深）的内环槽、内纵槽、外环槽、外纵槽以及直径为0.2mm的通孔。3结语以上开展了阵列涡流技术在核燃料包壳管检