基于柔性涡流探头的托卡马克内部线圈导体偏心涡流检测

赵宏达，李 勇，陈振茂，刘小川，武 玉

（1.西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室，西安 710049；2.中国科学院 合肥等离子体物理研究所，合肥 230031）

内部线圈是托卡马克装置真空室内部的重要组成部分，具有多层套管导体结构。其外管为Inconel合金钢或奥氏体不锈钢，内管为导电铜管，中间层是压实的起绝缘作用的氧化镁颗粒［1］。在内部线圈的工作状态下，铜管内通有冷水起导电作用，外部钢管作为铠甲层来支撑保护铜管，而二者间的氧化镁陶瓷层具有的绝缘性能使得二者处于隔离状态［2］。铜管偏心容易出现在内部线圈的加工过程中，可能会使得氧化镁层厚度变得不均匀而降低其绝缘效果，甚至导致短路等严重后果。因此，通过有效的无损检测方法来判断偏心程度是否合乎安全要求，显得至关重要。

涡流检测以电磁感应原理为基础，具有检测灵敏度高、无需直接接触、检测速度快以及容易实现自动化等优点，适用于对导体材料的缺陷检测［3－4］。在之前的研究中，课题组已提出了基于绝对饼式探头的偏心缺陷涡流检测方法［5］。在实际检测中，刚性饼式探头在套管外部放置时，提离和平行度不易控制，可能引起实验误差。为提高检测精度，笔者提出了基于柔性涡流探头的偏心缺陷涡流检测方法，采用退化磁矢位（Ar）法进行数值计算以初步验证其可行性，并通过手工绕制柔性探头进行检测试验，对不同探头结构及放置方式的柔性探头的检测效果进行了试验验证。

1 有限元数值计算

1.1 数值计算方法

退化磁矢位（Ar）法是一种计算涡流场和涡流检测信号的有限元方法，具有良好的计算精度［6］。由于在Ar法中仅依赖电流源场的磁矢位和仅依赖涡流源场的磁矢位是独立考虑的，在实际计算中无需对探头进行有限元网格划分，方便了检测信号的计算。采用Ar法，对9kHz激励频率下不同偏心距离（0，0.5，1，1.5，2.0，2.5mm）的检出信号进行计算，并提取信号的实部分量进行分析。内部线圈具体参数如表1 所示［7］。内部线圈导体示意如图1，数值计算模型如图2所示，检测探头为绝对式柔性探头，沿偏心方向放置。

表1 内部线圈导体参数

1.2 数值计算结果

提取计算所得涡流信号实部分量，将偏心时信号与不偏心时的检测信号作差值并作图，如图3所示，分析偏心距离与差分电阻之间的关系。由图3可知，当偏心距离逐渐增大时，差分电阻呈现出近似线性递减的趋势。因此，基于柔性探头的偏心缺陷涡流检测具有一定的可行性，且由于其在探头放置时与外管表面良好的贴合度，相较于绝对饼式探头会降低提离变化所带来的误差，具有更好的检测精度。

图3 9kHz激励频率下的数值计算出的偏心距离－差分电阻关系曲线

2 偏心检测试验

2.1 试验系统

手工绕制两个同样大小的柔性探头，如图4所示，其外径×内径×厚度为40 mm× 10 mm×1mm，匝数为170匝。使用Ectane涡流检测设备搭建试验系统，如图5所示。试验时，内部铜管保持不动，不锈钢外管固定在具有刻度的夹具上，通过改变夹具上下位置来模拟套管的不同偏心距离，分析此时的信号变化。

图4 柔性探头外观

图5 Ectane阵列涡流检测系统

2.2 试验结果

实际检测试验中使用两个柔性探头，考虑了三种不同的探头结构：单激励，双检出；分别自激自检，然后做差分；一个激励，另一个检出。此外，在使用前两种探头结构试验时，还通过改变激励和检出探头的相对位置对比了检出效果。

2.2.1 单激励双检出

实际试验操作中，一个探头放在上部进行激励，另一个探头分别沿其轴向（如图6 所示），环向90度，以及环向180度放置，两个探头同时进行检出，并对检出信号进行差分。

图6 单激励双检出时的探头放置示意

读取涡流数据进行处理，结果如图7所示。可以看出，两个探头均沿轴向放置时检出效果最差，上激励、上下检出状态下检出效果最好。

图7 10kHz激励频率下的单激励双检出的偏心距离－差分实部信号关系曲线

2.2.2 自激自检

将两个探头沿偏心方向上下对称放置，如图8所示，各自自行激励和检出，并且同时输出两个探头检出信号的差分信号。

图8 自激自检时的探头放置示意

检出结果如图9所示，可看出三个信号均可以有效地识别出偏心，差分信号幅值最大，对偏心缺陷更加灵敏。

图9 10kHz激励频率下的自激自检的检测结果

2.2.3 单激励单检出

使用一个探头进行激励，另外一个进行检出，这是传统的T－R 探头形式，同3.2.1探头布置方式一样，也考虑了三种情况。实际检出中，发现当偏心距离变化时，只有沿环向90度方向放置检出探头时（图10）信号才有明显变化，检测信号如图11所示。可看出，当偏心距离逐渐变化时，信号实部呈阶梯状变化，与以上两种探头结构相比，检出信号信噪比明显较差，且幅值较小。

图10 单激励单检出时的探头放置示意

图11 10kHz激励频率下的单激励单检出的检测结果

3 结语

基于Ar法对使用柔性探头的套管偏心缺陷涡流检测方法进行数值计算，以初步验证其可行性。然后手工绕制探头，搭建试验系统对模拟套管偏心系统进行了实际检出试验。对不同探头结构及放置方式下的检出效果进行了对比，探究最优探头配置方式。试验表明，上激励、上下共同检出作差分，上激励、环向90度检出以及上下分别自行激励检出并作差分的方式均可以有效地检测出偏心。其中上激励、环向90度探头配置方式信噪比较差，实际检出试验时采用其他两种探头配置方式检出效果较好。

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［4］任吉林，林俊明.电磁无损检测［M］.北京：科学出版社，2008.

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