RPV辐照脆化巴克豪森噪声检测的二维仿真

徐 忠，吴凌云，王海涛，郑 凯，樊明亮，钱王洁，刘向兵

（1.江苏省特种设备安全监督检测研究院，南京210036；2.南京航空航天大学 自动化学院，南京210016；3.苏州热工研究院寿命管理中心，苏州215004）

基于低碳经济、能源结构调整的需求，核电工业开始加速发展。于是在役核电站长期运行的安全性和可靠性显得尤为重要［1］，特别是核反应堆压力容器（RPV）的完整性，关乎到整个核电站的安全和经济。RPV 是核电站特别重要的设备且不可更换，是核电站的第一道保护屏障，决定了整个核电站的寿命。RPV 的服役环境相当恶劣，除了要经受高温、高压、腐蚀和流体冲击等恶劣环境的影响，还要经受快中子的辐照轰击，这些都会加速RPV 的老化，缩短核电站的寿命。其中，快中子引起的辐照脆化是影响核电站寿命的主要因素［2］。RPV 用钢受到快中子辐照后会增大脆性断裂的风险，而材料的脆性断裂又是RPV 安全的最大威胁，因而使其成为研究重点。为了预防RPV 用钢的脆性断裂，必须对RPV 用钢的辐照脆化进行评估。

目前核电站对RPV 用钢的辐照脆化检测大多采用有损的检测方法。例如对反应堆压力容器的辐照脆化监督，国内外均通过监督试样的辐照曲线来实现，火电站主蒸汽管道寿命预测使用的是持久强度外推法。然而，以上检测方法都有明显的局限性，首先它们都需要现场检测，并且不能够持续在线监测；其次是研究周期长，成本高；最重要的还是不安全。因此，开发一种无损检测方法对RPV 的辐照脆化进行评估成了当务之急。

RPV 的辐照脆化与材料的微观结构有着密切关系［3］，而巴克豪森噪声信号对材料的微观结构变化非常敏感，国外很多学者采用巴克豪森噪声检测方法对RPV 用钢的辐照脆化进行研究［4－6］。国内目前并没有将巴克豪森噪声检测方法应用到RPV用钢的辐照脆化检测中去。除此之外，采用巴克豪森噪声检测方法对RPV 用钢进行辐照脆化检测遇到的另一个难题就是试样的辐射性。为了避免试样对试验人员造成辐射伤害，采用带电粒子辐照试样来模拟真实环境下的辐照脆化。为了使带电粒子辐照均匀，试验采用小尺寸的试样，而传统的巴克豪森噪声检测方法很难检测小尺寸的试样。笔者设计了针对小尺寸试样的检测装置，利用Ansoft软件对其进行仿真，验证小型磁化装置是否可行。

1 有限元仿真原理

Ansoft以Maxwell方程组作为电磁分析的出发点［7］，式（1）～（4）是Maxwell方程组的微分形式。有限元方法是为了对一些工程问题求得近似解的一种数值分析方法，有限元方法［8］就是利用变分原理和加权原理，将偏微分方程表征的连续函数的封闭场域划分为许多个区域，对微分形式的方程进行离散化，导出一个代数方程组。

电磁场分析［9］有限元的过程主要包括模型建立、材料属性定义、边界条件的添加、激励的添加、网格的划分和计算求解。其中材料属性、边界条件和计算求解［10］这几步尤为重要。度；H为磁场强度；D为电通量。

在巴克豪森噪声检测装置有限元仿真中，利用检测装置的周围磁场变化和检测线圈中电压的变化来研究检测装置对巴克豪森噪声信号的影响。巴克豪森噪声检测有限元分析主要用到式（1）和（2），巴克豪森检测的激励线圈就是利用一个变化的电场来产生一个磁场，磁场将试样磁化之后，放置在试件正中间的检测线圈，可以检测到磁场的变化，再利用变化的磁场产生电场，最后检测信号以电压的形式输出。若试件存在应力或缺陷，其磁特性会发生一定的变化。在外磁场作用下，磁感应强度也随之变化。利用Ansoft有限元分析软件可以观察到检测线圈和磁化装置中磁场的变化。

2 仿真模型的建立

根据巴克豪森噪声检测系统中的检测装置建立了有限元仿真模型。模型建立的主要步骤包括几何形状的绘制、材料属性的定义和边界条件的选取。模型由U 型磁轭、激励线圈、试件和检测线圈组成。为了更真实地仿真巴克豪森噪声检测，材料性质要与真实环境下的材料一致或相近，将边界条件内空隙设置为空气，检测线圈与试件间设置一定的提离值。模型如图1 所示，材料参数为：铜激励线圈为450匝，激励电压为32×sin（20πt），铜检测线圈600匝，磁轭为90 mm×130 mm 的铁氧体，RPV 试样为16mm×16mm×1mm的Steel＿1008，求解边界为空气（气球边界）。

图1 仿真模型

3 仿真结果及其分析

式中：J为传导电流密度；∂D／∂t为位移电流密度；ρ为自由电荷体密度；E为电场强度；B为磁感应强

3.1 检测装置上的磁场分布

在正弦电压信号32×sin（20πt）激励下，检测装置达到了被磁化的效果，如图2所示。从图2（a）可看出，试件被磁化的效果相当好，但在U 型磁轭和试件接触的地方磁场环境相当恶劣，这对检测线圈的影响非常大。从图2（b）可以看出，检测线圈周围布满了干扰磁场，加了纯铁屏蔽罩之后，外界磁场干扰被屏蔽在外面，大大减小了外界磁场干扰对检测线圈的影响。

图2 磁力线和磁场分布云图

3.2 检测线圈放置位置对有限元分析的影响

为了达到磁化小型试件的目的，U 型磁轭两脚的内距为12mm，外距设计为40mm。为了有效地仿真检测线圈放置位置对巴克豪森噪声信号的影响，在距离试件上表面0.5 mm 的位置放置一条12mm的线段，用线段仿真检测线圈的移动，分析检测线圈的位置对磁场的影响。

查看线段路径上的磁场变化图像，如图3所示。从图3可以看出磁感应强度在磁轭两脚处磁感应强度最大，远离磁轭两脚磁感应强度出现先减小后增大，最后在中间出现一个尖谷的规律，主要原因是随着远离磁轭两脚，磁感应强度减小，出现峰峰和峰谷，是由于磁场的叠加造成的。从图2也可以看出，磁轭两脚间距太小，磁轭两脚之间的磁场干扰相当严重，这就需要检测线圈的屏蔽性能非常好。

图3 检测线圈位置与磁感应强度的关系

3.3 检测线圈的提离值对有限元分析的影响

检测线圈的提离值是影响巴克豪森噪声检测的一个重要因素，图4是不同提离值下的磁感应强度随时间的变化情况示意图，不同提离值下磁感应强度的差别是较大的。图5是根据图4的结果绘制出来的曲线。

图4 不同提离值下磁感应强度随时间的变化曲线

从图5可以看出，随着提离值的增加，最大磁感应强度先增大后减小。产生这个现象的主要原因可能是磁轭两脚之间距离太小，进入检测线圈磁感线太少，磁感应强度不是很大；随着提离值的增加，进入检测线圈的磁感线增加，磁感应强度增大，随着提离值再次增大，进入检测线圈的磁感线减少，磁感应强度减小。从检测线圈中的磁感应强度的变化可以说明提离值对巴克豪森噪声检测的影响。

图5 最大磁感应强度随检测线圈提离值的变化

4 结论

利用Ansoft有限元分析软件对RPV 辐照脆化检测装置可行性进行仿真分析。主要针对装置周围磁场分布情况进行了分析，得出了小型检测装置可以达到磁化试件效果的结论；在路径上查看了磁场的变化情况，得出了磁感应强度随检测线圈位置的变化关系和提离值随检测线圈的变化关系。这些仿真结果可以为RPV 辐照脆化检测装置的设计提供参考，对RPV 辐照脆化检测准确性有重要的意义。

［1］ 姜葳.质子辐照A508－3钢微结构演变规律［J］.科技创新导报，2012（21）：156－158.

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［10］ 任尚坤，孙大朋.基于有限元仿真的核电站传热管涡流检测［J］.无损检测，2012，34（4）：26－29.