核电铁磁管道磁饱和脉冲涡流定量无损评价方法研究

In nuclear power plants (NPP), local wall thinning is a typical pipe defect caused by liquid droplet impingement (LDI) of the coolant inside the pipes during service. It seriously threatens the structural integrity of the key pipes of NPP. Therefore periodic quantitative non-destructive testing (QNDT) of the piping is mandated to guarantee the safety of NPP. The carbon steel is a typical structural material used in the piping of NPPs. Due to the large permeability, the pulsed eddy current testing method (PECT), which is suitable for the QNDT of complex pipe structure (like multi-layer structure) of nonmagnetic stainless steel, can not be employed directly for pipes of carbon steel. To solve this problem, a magnetic saturation PECT method is proposed in this project, which reduces the permeability of carbon steel piping at first by using magnetic saturation strategy and realizes the QNDT of local wall thinning defects in pipes of complex structure and high permeability by using PECT method. The validity of the proposed method will be demonstrated through simulations and experiments. The main works planned to be carried out includes: . 1) To develop a high efficient simulation method for magnetic saturation PECT signal prediction, investigation of the detection mechanism and the optimization of the probe structure; . 2) To compose the experimental system of magnetic saturation PECT, develop probe, and evaluate the feasibility of proposed method for QNDT of local wall thinning in ferromagnetic piping; . 3) To combine the developed high efficiency numerical simulation method and inversion algorithm, the quantitative reconstruction scheme for local wall thinning in ferromagnetic piping is to be developed and the quantitative evaluation for local defects is to be carried out based on the measured PECT signals.

核电管道局部减薄是管壁在服役过程中由于液滴冲蚀(LDI)等造成的缺陷，严重威胁核电管道完整性，需对其进行定量无损检测以为电站安全评价提供缺陷参数。碳素钢管道是核电管道的主体，由于其强磁特性导致对复杂不锈钢管道（多层等）有效的定量脉冲涡流无损检测方法无法直接使用。为解决这一问题，本研究提出以磁饱和方法降低铁磁管道磁导率，进而以脉冲涡流检测实现复杂强磁性管道局部减薄缺陷定量无损评价的方法 - 磁饱和脉冲涡流检测方法，并通过理论和实验研究验证所提方法的有效性。拟开展主要研究内容包括：1）建立磁饱和脉冲涡流检测信号高效数值模拟方法，探究检测机理和优化探头结构；2）建立磁饱和脉冲涡流实验系统，开发检测探头，实验验证所提方法对铁磁管道局部减薄缺陷定量检测的可行性；3）结合高效数值模拟方法和优化算法，建立铁磁性管道局部减薄缺陷的定量重构方法，实现基于检测信号的局部缺陷定量评价。

本研究基本完成了对项目的预期拟开展内容。..核电管道局部减薄是管壁在服役过程中由于液滴冲蚀(LDI)等造成的缺陷，严重威胁核电管道完整性，需要对其进行定量无损检测以为电站安全评价提供缺陷参数。碳素钢管道是核电管道的主体，由于其强磁特性导致对复杂不锈钢管道（多层等）有效的定量脉冲涡流无损检测方法无法直接使用。为解决这一问题，本研究提出以磁饱和方法降低铁磁管道磁导率，进而以脉冲涡流检测实现复杂强磁性管道局部减薄缺陷定量无损评价的方法 - 磁饱和脉冲涡流检测方法，并通过理论和实验研究验证所提方法的有效性。..开展的主要研究内容包括：.1）建立了磁饱和脉冲涡流检测信号高效数值模拟方法。.本研究基于模拟极化法开发了计算磁饱和状态下的静磁场分布的程序，根据被检测材料的B-H曲线计算了被检测体磁导率的三维分布；然后基于Ar法开发了具有三维磁导率分布的单频涡流信号模拟方法，并结合傅立叶变换法建立了脉冲涡流信号模拟方法；在已求得被检测体的三维磁导率分布的基础上，开发了磁饱和脉冲涡流法对铁磁性材料检测的正问题信号数值模拟方法，并对结果进行了有效性验证。..2）建立了磁饱和脉冲涡流实验系统。.建立了磁饱和脉冲涡流缺陷检测实验平台系统，包括铁磁性管道局部减薄缺陷试件的制作、能产生强磁场的电磁铁磁轭的设计制作、脉冲涡流探头的设计、优化和制作、磁饱和脉冲涡流系统的搭建以及磁饱和脉冲涡流信号的测量。.具体包括：.a）选取核电站中冷却管道使用的主体材料碳素钢为原料，制作了具有不同尺寸大小的局部减薄缺陷试件；.b）制作了能产生强磁场的电磁铁磁轭，对被检测试件进行静磁场下的磁饱和加载，以降低其磁导率，增强涡流的趋肤深度；.c）制作了脉冲涡流TR（Transmitter, Receiver）探头，在磁饱和状态下对脉冲涡流探头进行脉冲信号激励，测量不同缺陷大小的磁饱和脉冲涡流信号。..3）铁磁性管道局部减薄缺陷的定量重构方法。.开发了基于神经网络法和基于确定论的共轭梯度算法的逆问题重构算法，重构结果还有待进一步优化。