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基于多频涡流技术的燃料棒包壳管氧化膜厚度测量方法

周国正, 陶钰, 张娜, 梁军, 许小兵, 叶朝锋

周国正, 陶钰, 张娜, 梁军, 许小兵, 叶朝锋. 基于多频涡流技术的燃料棒包壳管氧化膜厚度测量方法[J]. 无损检测, 2024, 46(5): 62-68. DOI: 10.11973/wsjc202405012
引用本文: 周国正, 陶钰, 张娜, 梁军, 许小兵, 叶朝锋. 基于多频涡流技术的燃料棒包壳管氧化膜厚度测量方法[J]. 无损检测, 2024, 46(5): 62-68. DOI: 10.11973/wsjc202405012
ZHOU Guozheng, TAO Yu, ZHANG Na, LIANG Jun, XU Xiaobing, YE Chaofeng. Oxide film thickness measurement of fuel rod cladding based on multi-frequency eddy current technology[J]. Nondestructive Testing, 2024, 46(5): 62-68. DOI: 10.11973/wsjc202405012
Citation: ZHOU Guozheng, TAO Yu, ZHANG Na, LIANG Jun, XU Xiaobing, YE Chaofeng. Oxide film thickness measurement of fuel rod cladding based on multi-frequency eddy current technology[J]. Nondestructive Testing, 2024, 46(5): 62-68. DOI: 10.11973/wsjc202405012

基于多频涡流技术的燃料棒包壳管氧化膜厚度测量方法

详细信息
    作者简介:

    周国正(1986-),男,硕士,高级工程师,主要从事核电站燃料组件池边检查方面的研究

    通讯作者:

    陶钰(1992-),研究方向为电磁场的数值建模,核电站及飞机结构电磁无损检测仿真等,finesense@163.com

  • 中图分类号: TL292;TG115.28

Oxide film thickness measurement of fuel rod cladding based on multi-frequency eddy current technology

  • 摘要:

    核燃料棒包壳管表面的氧化膜会影响其导热性能,使燃料棒的温度上升,加快燃料包壳的腐蚀速度,给反应堆带来潜在安全风险。故有必要对氧化膜厚度进行精确测量。为此,构建了燃料棒包壳管的三维有限元仿真模型,对燃料包壳多频检测进行了分析,总结了激励频率、包壳管电导率和金属涂层厚度对氧化膜测量结果的影响规律;提出了融合多频测量数据,抑制干扰因素影响,精确计算氧化膜厚度的方法,并进行了试验验证。结果表明,该方法的氧化膜厚度计算误差小于1 μm,可用于燃料包壳管氧化膜厚度的量化表征。

    Abstract:

    The oxide film on the surface of the nuclear fuel rod cladding will seriously affect its thermal conductivity, increase the temperature of the fuel rod, accelerate the corrosion rate of the fuel rod, and bring potential safety risks to the reactor. So, it is necessary to accurately measure the thickness of oxide film. In this paper, a three-dimensional finite element simulation model of fuel rod cladding tube was constructed, and the multi-frequency detection of fuel cladding was simulated. The influences of excitation frequency, cladding tube conductivity and metal coating thickness on the measurement results of oxide film were analyzed. A method of accurately calculating the thickness of oxide film was proposed by combining multi-frequency measurement data to suppress the influence of interference factors. The results showed that the calculation error of the oxide film thickness was less than 1 micron, and the method can be used for quantitative characterization of the oxide film thickness of fuel cladding.

  • 图  1   包壳管模型

    图  2   线圈参数及有限元模型

    图  3   线圈输出信号幅值和氧化膜厚度变化的关系曲线

    图  4   Δσ和激励频率及包壳管电导率的关系曲线

    图  5   线圈输出信号幅值和金属涂层厚度的关系曲线

    图  6   线圈输出信号幅值和氧化膜厚度的关系曲线

    图  7   线圈输出信号幅值与激励频率的关系曲线

    图  8   Δfo和激励频率及金属涂层厚度的关系曲线

    图  9   探头实物

    图  10   测量系统整体结构示意

    图  11   涡流仪实物

    图  12   现场试验制备

    Table  1   线圈参数分析时的仿真参数

    项目电导率(mS·m-1相对磁导率厚度/μm
    包壳管1.431570
    金属涂层7.57115
    氧化膜1013
    氧化膜2017
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    Table  2   不同尺寸线圈的灵敏度

    外径/mm厚度/mm高度/mmΔ/%外径/mm厚度/mm高度/mmΔ/%
    2.60.60.30.0984.60.60.30.109
    0.50.0840.50.100
    0.70.0730.70.089
    1.00.0611.00.077
    0.80.30.0990.80.30.117
    0.50.0840.50.106
    0.70.0720.70.096
    1.00.0601.00.084
    1.00.30.0981.00.30.124
    0.50.0830.50.111
    0.70.0710.70.100
    1.00.0591.00.087
    3.60.60.30.1125.60.60.30.100
    0.50.1000.50.092
    0.70.0890.70.086
    1.00.0771.00.077
    0.80.30.1180.80.30.108
    0.50.1040.50.099
    0.70.0930.70.091
    1.00.0791.00.082
    1.00.30.1231.00.30.115
    0.50.1070.50.105
    0.70.0950.70.096
    1.00.0801.00.086
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    Table  3   包壳管电导率影响分析时的仿真参数

    项目电导率/(mS·m-1相对磁导率厚度/μm
    包壳管10.8051570
    包壳管21.431570
    金属涂层7.57115
    氧化膜1013
    氧化膜2015
    氧化膜3017
    氧化膜4019
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    Table  4   金属涂层厚度影响分析时的仿真参数

    项目电导率/(mS·m-1相对磁导率厚度/μm
    包壳管1.431570
    金属涂层7.5716~20
    氧化膜1013
    氧化膜2017
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    Table  5   氧化膜厚度影响分析时的仿真参数

    项目电导率/(mS·m-1相对磁导率厚度/μm
    包壳管1.431570
    金属涂层7.57115
    氧化膜013~8
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    Table  6   多频仿真参数设置

    项目电导率/(mS·m-1相对磁导率厚度/μm
    包壳管11.681570
    包壳管21.431570
    包壳管31.101570
    金属涂层17.5716
    金属涂层27.5718
    金属涂层37.57110
    金属涂层47.57112
    金属涂层57.57115
    金属涂层67.57118
    金属涂层77.57120
    氧化膜1013
    氧化膜2015
    氧化膜3017
    氧化膜4019
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    Table  7   氧化膜厚度的测量值(h′)

    hd
    713141719
    22.331 22.274 32.190 92.058 81.741 1
    33.359 03.181 53.295 13.137 92.979 8
    44.406 34.255 24.206 34.107 23.840 8
    55.339 75.218 15.322 15.087 34.810 9
    66.441 96.221 96.250 66.187 55.704 4
    77.224 87.280 67.229 17.012 36.882 6
    88.360 88.243 58.296 48.080 37.991 3
    99.242 99.264 79.332 59.095 88.855 7
    1010.321 010.266 510.268 110.109 49.764 5
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    Table  8   包壳管氧化膜厚度测量试验数据

    实际值3020100
    测量值29.9820.659.670.67
    误差0.020.650.330.67
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图(12)  /  表(8)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-12
  • 刊出日期:  2024-05-09

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