基于柔性渦流探頭的托卡馬克內(nèi)部線圈導(dǎo)體偏心渦流檢測(cè)

趙宏達(dá)，李 勇，陳振茂，劉小川，武 玉

（1.西安交通大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.中國(guó)科學(xué)院 合肥等離子體物理研究所，合肥 230031）

內(nèi)部線圈是托卡馬克裝置真空室內(nèi)部的重要組成部分，具有多層套管導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其外管為Inconel合金鋼或奧氏體不銹鋼，內(nèi)管為導(dǎo)電銅管，中間層是壓實(shí)的起絕緣作用的氧化鎂顆粒［1］。在內(nèi)部線圈的工作狀態(tài)下，銅管內(nèi)通有冷水起導(dǎo)電作用，外部鋼管作為鎧甲層來(lái)支撐保護(hù)銅管，而二者間的氧化鎂陶瓷層具有的絕緣性能使得二者處于隔離狀態(tài)［2］。銅管偏心容易出現(xiàn)在內(nèi)部線圈的加工過(guò)程中，可能會(huì)使得氧化鎂層厚度變得不均勻而降低其絕緣效果，甚至導(dǎo)致短路等嚴(yán)重后果。因此，通過(guò)有效的無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)判斷偏心程度是否合乎安全要求，顯得至關(guān)重要。

渦流檢測(cè)以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，具有檢測(cè)靈敏度高、無(wú)需直接接觸、檢測(cè)速度快以及容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)導(dǎo)體材料的缺陷檢測(cè)［3－4］。在之前的研究中，課題組已提出了基于絕對(duì)餅式探頭的偏心缺陷渦流檢測(cè)方法［5］。在實(shí)際檢測(cè)中，剛性餅式探頭在套管外部放置時(shí)，提離和平行度不易控制，可能引起實(shí)驗(yàn)誤差。為提高檢測(cè)精度，筆者提出了基于柔性渦流探頭的偏心缺陷渦流檢測(cè)方法，采用退化磁矢位（Ar）法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以初步驗(yàn)證其可行性，并通過(guò)手工繞制柔性探頭進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)不同探頭結(jié)構(gòu)及放置方式的柔性探頭的檢測(cè)效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有限元數(shù)值計(jì)算

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

退化磁矢位（Ar）法是一種計(jì)算渦流場(chǎng)和渦流檢測(cè)信號(hào)的有限元方法，具有良好的計(jì)算精度［6］。由于在Ar法中僅依賴電流源場(chǎng)的磁矢位和僅依賴渦流源場(chǎng)的磁矢位是獨(dú)立考慮的，在實(shí)際計(jì)算中無(wú)需對(duì)探頭進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，方便了檢測(cè)信號(hào)的計(jì)算。采用Ar法，對(duì)9kHz激勵(lì)頻率下不同偏心距離（0，0.5，1，1.5，2.0，2.5mm）的檢出信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并提取信號(hào)的實(shí)部分量進(jìn)行分析。內(nèi)部線圈具體參數(shù)如表1 所示［7］。內(nèi)部線圈導(dǎo)體示意如圖1，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，檢測(cè)探頭為絕對(duì)式柔性探頭，沿偏心方向放置。

表1 內(nèi)部線圈導(dǎo)體參數(shù)

1.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

提取計(jì)算所得渦流信號(hào)實(shí)部分量，將偏心時(shí)信號(hào)與不偏心時(shí)的檢測(cè)信號(hào)作差值并作圖，如圖3所示，分析偏心距離與差分電阻之間的關(guān)系。由圖3可知，當(dāng)偏心距離逐漸增大時(shí)，差分電阻呈現(xiàn)出近似線性遞減的趨勢(shì)。因此，基于柔性探頭的偏心缺陷渦流檢測(cè)具有一定的可行性，且由于其在探頭放置時(shí)與外管表面良好的貼合度，相較于絕對(duì)餅式探頭會(huì)降低提離變化所帶來(lái)的誤差，具有更好的檢測(cè)精度。

圖3 9kHz激勵(lì)頻率下的數(shù)值計(jì)算出的偏心距離－差分電阻關(guān)系曲線

2 偏心檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

手工繞制兩個(gè)同樣大小的柔性探頭，如圖4所示，其外徑×內(nèi)徑×厚度為40 mm× 10 mm×1mm，匝數(shù)為170匝。使用Ectane渦流檢測(cè)設(shè)備搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)部銅管保持不動(dòng)，不銹鋼外管固定在具有刻度的夾具上，通過(guò)改變夾具上下位置來(lái)模擬套管的不同偏心距離，分析此時(shí)的信號(hào)變化。

圖4 柔性探頭外觀

圖5 Ectane陣列渦流檢測(cè)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)中使用兩個(gè)柔性探頭，考慮了三種不同的探頭結(jié)構(gòu)：?jiǎn)渭?lì)，雙檢出；分別自激自檢，然后做差分；一個(gè)激勵(lì)，另一個(gè)檢出。此外，在使用前兩種探頭結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)，還通過(guò)改變激勵(lì)和檢出探頭的相對(duì)位置對(duì)比了檢出效果。

2.2.1 單激勵(lì)雙檢出

實(shí)際試驗(yàn)操作中，一個(gè)探頭放在上部進(jìn)行激勵(lì)，另一個(gè)探頭分別沿其軸向（如圖6 所示），環(huán)向90度，以及環(huán)向180度放置，兩個(gè)探頭同時(shí)進(jìn)行檢出，并對(duì)檢出信號(hào)進(jìn)行差分。

圖6 單激勵(lì)雙檢出時(shí)的探頭放置示意

讀取渦流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖7所示。可以看出，兩個(gè)探頭均沿軸向放置時(shí)檢出效果最差，上激勵(lì)、上下檢出狀態(tài)下檢出效果最好。

圖7 10kHz激勵(lì)頻率下的單激勵(lì)雙檢出的偏心距離－差分實(shí)部信號(hào)關(guān)系曲線

2.2.2 自激自檢

將兩個(gè)探頭沿偏心方向上下對(duì)稱放置，如圖8所示，各自自行激勵(lì)和檢出，并且同時(shí)輸出兩個(gè)探頭檢出信號(hào)的差分信號(hào)。

圖8 自激自檢時(shí)的探頭放置示意

檢出結(jié)果如圖9所示，可看出三個(gè)信號(hào)均可以有效地識(shí)別出偏心，差分信號(hào)幅值最大，對(duì)偏心缺陷更加靈敏。

圖9 10kHz激勵(lì)頻率下的自激自檢的檢測(cè)結(jié)果

2.2.3 單激勵(lì)單檢出

使用一個(gè)探頭進(jìn)行激勵(lì)，另外一個(gè)進(jìn)行檢出，這是傳統(tǒng)的T－R 探頭形式，同3.2.1探頭布置方式一樣，也考慮了三種情況。實(shí)際檢出中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏心距離變化時(shí)，只有沿環(huán)向90度方向放置檢出探頭時(shí)（圖10）信號(hào)才有明顯變化，檢測(cè)信號(hào)如圖11所示?？煽闯?，當(dāng)偏心距離逐漸變化時(shí)，信號(hào)實(shí)部呈階梯狀變化，與以上兩種探頭結(jié)構(gòu)相比，檢出信號(hào)信噪比明顯較差，且幅值較小。

圖10 單激勵(lì)單檢出時(shí)的探頭放置示意

圖11 10kHz激勵(lì)頻率下的單激勵(lì)單檢出的檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

基于Ar法對(duì)使用柔性探頭的套管偏心缺陷渦流檢測(cè)方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以初步驗(yàn)證其可行性。然后手工繞制探頭，搭建試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)模擬套管偏心系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際檢出試驗(yàn)。對(duì)不同探頭結(jié)構(gòu)及放置方式下的檢出效果進(jìn)行了對(duì)比，探究最優(yōu)探頭配置方式。試驗(yàn)表明，上激勵(lì)、上下共同檢出作差分，上激勵(lì)、環(huán)向90度檢出以及上下分別自行激勵(lì)檢出并作差分的方式均可以有效地檢測(cè)出偏心。其中上激勵(lì)、環(huán)向90度探頭配置方式信噪比較差，實(shí)際檢出試驗(yàn)時(shí)采用其他兩種探頭配置方式檢出效果較好。

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