压水堆核电站燃料棒氧化膜厚度涡流检测技术研究

熊婧1林俊明2李冬1高三杰1黄海翔1

（1．反应堆燃料及材料重点实验室，四川成都610041；

2．爱德森〈厦门〉电子有限公司，福建厦门361008）

【摘要】燃料棒氧化膜厚度涡流检测不同于其它非金属包覆层的检测，要求的检测精度高（5m），而检测时的影响因素又较多，特别是传感器机械位置及环境水温的影响。如何克服影响因素保证检测精度是本研究的重点和难点。叙述了燃料棒氧化膜厚度涡流检测的原理，进行了传感器研发、机械装置研制及影响因素研究等，最后通过对试样金相解剖结果，证明了检测的准确性和可靠性。

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关键词 氧化膜厚度；涡流检查；影响因素

0引言

燃料棒在反应堆运行时表面会生成一层氧化膜，严重地影响包壳管的导热性能，除直接影响反应堆的热功率外，随着氧化膜厚度的增加，燃料棒的温度不断上升，加快燃料棒的腐蚀速度，故氧化膜的厚度是影响核电站运行的主要参数之一，有必要对其进行定期检测，确保燃料棒的安全运行。燃料棒氧化膜厚度的检测不同于一般涂镀层厚度的检测，另外通常检测在40℃～50℃的乏燃料水池中进行，氧化膜厚度只有几十微米，要求较高的检测精度。结合氧化膜检测自身的特点及难点，近期，我们开展了燃料棒氧化膜厚度涡流检测技术研究，通过对传感器型式、机械装置结构及环境水温影响等方面开展研究，以保证检测精度。

1试验制备和方法

1.1检验原理

如图1所示，当频率为f的交变电流流过传感器线圈时，线圈周围就会产生交变的初级磁场H1。当目标金属在H1内时，金属表面就会产生涡流。涡流产生次级磁场H2，该磁场和初级磁场的方向相反，反作用至初级磁场，引起传感器线圈的阻抗变化。金属和线圈的距离越近，线圈阻抗的变化就越大，线圈和金属之间的互感M也越大。换句话说，如果s是传感器线圈和金属之间的距离，s就反比于互感M。

从图1等效电路可得等效电感公式：

随着传感器线圈和目标金属距离s的变化，引起互感M发生变化，阻抗Z和感抗随着M发生变化。这些参数中任一个参数的变化都可以通过电路转化为电信号的变化，比如电压、电流、频率或相位的变化。

燃料棒氧化膜厚度检测中，涡流传感器垂直紧贴燃料棒，传感器和燃料棒基体金属之间的距离即是氧化膜厚度。通过检测仪器，将线圈阻抗的变化转化为电信号的变化，进而对氧化膜厚度值进行检测。

1.2检测试验装置设计

为保证传感器和被测燃料棒准确定位，避免定位带来的检测误差，研制立式试验装置，见图2。主要包括如下几个部分：升降平台，传感器运动机构，传感器装夹机构，模拟燃料棒装夹机构。

（1）平台和探头的升降通过不锈钢圆柱作导向，丝杠螺母带动运动；

（2）探头左右运动由两根不锈钢圆柱导向，由蜗轮蜗杆和丝杠螺母带动探头左右运动；

（3）探头前后运动通过弹簧片卡在探头座上，探头座在V型槽中滑动。通过一对齿轮驱动丝杠旋转，丝杠通过螺母带动探头作前后运动；

（4）探头固定在探头座的弹性孔中，利用孔臂弹性由螺钉固定，保证其位置稳定。

使用千分表对试验装置定位精度进行重复性检测，试验装置的中心定位精度不超过0.03mm。

1.3传感器研制

选用D-P型式的传感器，传感器结构示意图如图3，图中，ab为激励线圈，cd为拾取线圈。最初将激励和拾取线圈的引出线通过一根多芯电缆连接于仪器上，检测中发现，电缆线的弯曲和摆动依然会带来很大的噪声，影响正常的检测。分析原因，虽然电缆线有一个总的屏蔽套，但其各芯线并不互相屏蔽。在较高的频率下，线间的分布电容和分布电感会很大。当电缆弯曲或晃动时，分布参数发生变化，引起检测数据较大变化。

于是采用单股屏蔽的视频线将激励线圈和拾取线圈分别连接到仪器相应的插座上。晃动和弯曲连接线，在相同的检测条件下，检测数据不发生变化，且对不同的氧化膜厚度能够分辨。这说明，采用该种型式的探头能够对氧化膜厚度进行检测。

为克服外界信号对探头的干扰，传感器外壳采用不锈钢套筒，而内部采用环氧树脂灌封，实现防水功能。

1.4对比试样和试验样品

燃料棒氧化膜厚度检测用对比试样，其上有0?滋m、41?滋m、85?滋m三种厚度的氧化膜，它们互呈120平均分布于管外壁，如图2。对比试样用来校准仪器，标定仪器线性。

采用高压釜腐蚀的方法制备四种氧化膜厚度的试验样品，分别是4.5?滋m、4.4?滋m、7.8?滋m、7.6?滋m。试验样品用来验证检测结果的准确性。

1.5系统检测参数确定

从公式（1）可知，当频率f很高时，2πfL2远大于R2，L近似为

L≈L1-M2/L2（3）

可见，增加激励频率可以抑制电阻率不均性的影响。用于氧化膜厚度检测中，采用较高的检测频率可以降低基体Zr材由于曲率、厚度等不均匀所造成的电阻率不均匀的影响。

然而频率的选过高时，即使采用较好屏蔽的视频线，分布电参量的影响也不容忽略，影响检测数据的稳定性和准确性。另外，选择的频率应在传感器频响较好的频率范围内。

增益的选取也极大地影响检测结果的准确性。增益太低，仪器灵敏度不够，分辨力便会很差，检测误差较大；增益太高，各种影响因素的影响会被放大，增大检测误差。因此，系统检测参数的选取必须考虑综合因素。

2试验结果与分析

燃料棒氧化膜厚度涡流检测采用厦门爱德森公司EEC-35++Q涡流检测仪，仪器具备较高的检测灵敏度，满足氧化膜厚度的检测需求。

2.1温度影响

电涡流传感器线圈的电学特性——温漂，主要反映在线圈电阻和电感两个参数上。

线圈电感公式为：

可见电阻RAC随温度t的增加而增加。因此温度变化是影响氧化膜厚度检测的主要原因。如果在电桥的另一臂上接上一个同拾取线圈电阻一样的随温度变化的电阻，温度对电桥两臂的影响相同，电桥两臂关于温度的变化就可以消除。基于这样一种思路，制作出克服温度影响平衡器。检测时，平衡器和检测探头处于同样的温度环境中，温度的影响得以解决。

不同温度下，0?滋m、41?滋m、85?滋m厚氧化膜的检测数据曲线如图4~图6。

从图中可以看出，检测数据随温度的变化很小。

2.2传感器和燃料棒相对位置影响

在保证传感器机械装置中心定位误差很小的基础上，开展传感器和燃料棒相对位置影响试验。根据线圈等效阻抗Z的函数关系式Z=可以看出，在氧化膜厚度检测中，由于燃料棒是非铁磁性金属，主要考虑电导率?籽的影响。由此可知如果探头和燃料棒不垂直对中，由于探头和燃料棒接触处曲率不同，导致电导率不均匀，影响检测数据的准确性。

图7～图9是传感器偏离燃料棒中心不同距离时，对标定燃料棒上氧化膜厚度为0?滋m、41?滋m、85?滋m的标准厚度检测数据。检测中，传感器上下和前后方向不产生位移，设定传感器在棒中心时位移为零，在中心左边时，位移为负，右边时，位移为正。

试验数据表明，传感器偏离燃料棒中心≤0.10mm时，检测精度≤2?滋m。

2.3探头和燃料棒之间压力影响

研究发现，当探头和燃料棒中心对准的情况下，在一定的压力范围内，压力的变化对检测数据的影响不大，误差为2?滋m。41?滋m厚度氧化膜在不同压力下的检测数据曲线如图10。实验中，（下转第15页）（上接第13页）控制压力在70g力范围内。

图1041μm厚度氧化膜在不同压力下的检测数据曲线

2.4试验验证

在立式试验装置上，用标准试样对仪器正确校准后，移动传感器到各个被检棒处反复检测三次，检测结果如表１。各个被检样品的金相解剖结果也同时列于表1中，用以同检测结果加以比对，分析检测误差。

从表１看出，最大检测误差及平均检测误差均在2μm内，达到预期研究目标。

3结论

综上所述，影响检测精度的因素主要包括温度变化、探头和燃料棒中心相对位置偏差和探头和燃料棒之间的压力。检测中，应尽量减小每种因素的影响。

（1）在机械装置的设计和制造中，燃料棒准确定位，中心定位误差不超过0.03mm，避免传感器和燃料棒中心相对位置偏差产生的影响；

（2）实验中采用恒定压力，避免探头和燃料棒之间的压力产生的影响；

（3）制作克服温度影响的平衡器，抑制了温度变化带来的影响；

（4）每检测完一种氧化膜厚度的试验样品后，对仪器进行校准，消除温度的影响。

表１检测结果及误差

通过对燃料棒氧化膜厚度涡流检测技术的研究，掌握了其中关键的技术。包括耐辐照防水涡流探头研制，检测参数优化、温度、机械位置影响因素克服等。研究结果表明,涡流法检测氧化膜厚度是可行的，为下一步工程样机的研发奠定了坚实的技术基础。

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参考文献

［1］美国无损检测手册:电磁卷[M].上海世界图书出版公司,1999.

［2］云庆华,等.无损探伤[M].劳动出版社,1983.

［责任编辑：刘展］