Page 83 - 无损检测2023年第二期

王 健, 等:

核燃料包壳管涡流检测的相位特性

化规律进行计算。
管材内涡流磁场强度可表示为

1+ j
H z =H 0z ex p - 2 ω μ σx ( 1 )

为表面磁
式中: H z 为距表面 x 处的磁场强度; H 0z
场强度; x 为距离表面距离; σ 为电导率; 为相对
μ
磁导率; ω 为角频率;为电路公式中的虚数单位, 代
j
表电流。
图1 锆合金包壳管实物
管材内的涡流密度可以由方程 ×H =J 求

得, 因而有 设计了其他类型的人工缺陷, 分别为4个 ϕ 0.3mm
径向平底孔, 深度分别为壁厚的 20%~80% , 用于
dH z ( 2 )
dx =- J y 模拟凹坑缺陷; 2个宽度为0.3mm 的360° 内壁环向
为距表面x 处涡流密 槽, 深度分别为10%壁厚, 20%壁厚, 用于模拟圆周
式中: 为哈密顿算子; J y
度。 截面的壁厚变化。人工缺陷的类型以及尺寸如表1
设在x=0处的涡流密度为 所示。
表1 人工缺陷的类型及尺寸
1+ j mm
J 0 y = ω μ σH oz ( 3 )
2 缺陷尺寸 缺陷尺寸
由式( 1 ) ~ ( 3 ) 可得 缺陷类型 ( 孔径×深度) 缺陷类型 ( 孔径×深度)
( 宽度×深度) ( 宽度×深度)
1+ j
ϕ 0.3 ϕ 0.3×0.45
J y = J 0 y ex p ω μ σx ( 4 ) 通孔 平底孔
2
平底孔 ϕ 0.3×0.1 内环槽 0.3×0.06

令x=δ , 而且使 ω μ σ · δ= 1 , 可得δ 的值为 平底孔 ϕ 0.3×0.22 内环槽 0.3×0.12
2 平底孔 ϕ 0.3×0.33

2 1
δ= = ( 5 ) 仪器采用厦门 EEC-39+型涡流检测仪, 探头类
ω μ σ π f μ σ
式中: δ 为涡流磁场的标准渗透深度; 为激励频 型为外穿过式线圈, 仪器激励频率为100~600kHz ,
f

探头中心频率为100~300kHz 。使用含有上述人工
率。

缺陷的对比样管, 匀速穿过探头, 检测速度为15m ·
此时磁场强度和涡流密度的表达式为
min , 记录在不同激励频率下各人工缺陷检测信号
-1
[ (
H z =H 0z ex p- 1+ j )]
[ ( )] ( 6 ) 幅值和相位。
J y = J 0 y ex p- 1+ j
式( 6 ) 表明在管材壁厚x=δ 处, 磁场强度和涡 3 结果与讨论
流密度均降至表面对应值的 1 / e , 即 36.7% 。而磁
对试验数据进行分析, 得到的缺陷信号幅值和相
场强度和涡流密度随着深度的增加而衰减, 总是集
位随探头频率和仪器激励频率的变化趋势如图2 , 3
中于表面的这一现象称为趋肤效应。
所示。
从涡流磁场的标准渗透深度公式可知, 涡流磁
场相对于激励磁场的相位滞后量 β 可写为
β= x π f μ σ ( 7 )
由此可见, 相位滞后与深度之间存在线性关系
。
2 检测试验

试验管材为9.5mm×0.57mm ( 直径×壁厚)
的锆合金包壳管, 锆合金包壳管实物如1所示。
为了更真实地模拟自然缺陷, 除径向通孔外还 图2 试件缺陷信号幅值的变化趋势

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2023年 第45卷 第2期
无损检测