Page 75 - 无损检测2025年第一期

刘永生，等：

锆合金包壳氧化膜厚度涡流检测探头仿真优化与设计

管内，两端装有绝热块、压紧弹簧和上下端塞，经焊
接密封形成燃料元件。燃料元件在堆内长期处于高
温高放射性等极端腐蚀工况下，燃料棒的锆合金包壳
上极易出现腐蚀现象并在锆合金表面形成一层致密
均匀、光亮的薄氧化膜，其主要成分为氧化锆。氧化
锆在常温下表现为绝缘体，具有极高的电阻率。然而，
在高温条件下，氧化锆的导电性会显著增强，因此在
反应堆停堆期间的氧化膜厚度检测时，氧化膜可视为
不导电材料。其中氧化膜厚度随着锆合金腐蚀时间
图 1 涡流测厚示意
增加也将不断增加，一般氧化膜厚度为0~100 μm。
燃料棒氧化膜厚度是衡量燃料包壳腐蚀性能的重要 数； = λ i 2 + α jωμ μ σ ；ω 为角频率；μ 为真空磁导
i
ri
0
0
依据，通过氧化膜厚度能够获取燃料包壳在堆内的腐 率； μ 为第i层相对磁导率；σ 为第i层电导率；α 为
i
ri
蚀状态，为掌握燃料运行性能和安全状态提供数据支 积分量；r 为线圈内半径；r 为线圈外半径；Z 为线
2
1
1
撑。因此，燃料棒在服役过程中，需要采取可靠的无 圈提离；Z 为线圈上面与材料的距离；d为层厚； N
2
损检测技术对氧化膜厚度进行测量。 为线圈匝数。
常规检测涂层厚度的无损检测方法主要包括：涡 由解析解可知，采用涡流探头检测氧化膜厚度
流测厚技术、超声测厚技术等 [1-7] 。其中以电磁感应 时，氧化膜厚度的变化表现为解析模型中Z 1 ， Z 2 变
为基础的涡流测厚技术是一种非接触式，无需耦合剂 化。在解析模型中，线圈中与阻抗变化相关的参数
的快速检测方式，但氧化膜厚度较小，常规的涡流检 有N， r 2 －r 1 ， z 2 －z 1 和[r 2 ， r 1 ]。因此，在优化探头参数，
测探头较难识别微米级别氧化膜厚度，因此，为了研 提高灵敏度的过程中，将探头设计参数归纳和简化
发合适的锆合金包壳管氧化膜厚度涡流检测探头，文 为线圈匝数N、线圈中径D 0 （r 1 +r 2 ）、线圈宽度w （r 2 －
章利用COMSOL软件建立锆合金表面氧化膜厚度检 r 1 ）和线圈高度H （z 2 －z 1 ）。其中匝数N对于探头检
测仿真模型，对所设计的探头整体结构尺寸参数和激 测能力的影响过于直观，可以简单地认为，在相同线
励参数等参数进行了优化分析，对其线圈阻抗幅值和 圈尺寸的情况下，匝数越多，线圈的灵敏度越大。但
应指出，匝数增加电容效应也会增加，但在仿真时是
相位变化与各影响因素之间的对应关系进行分析，并
无法体现的，需采用电路模型进行分析，因此需选择
通过仿真结果优化设计了氧化膜涡流测厚探头，利用
合适的线圈匝数。
涡流测厚系统和氧化膜标准膜片开展了试验研究，为
后续的工程应用奠定理论和试验基础。 2 氧化膜厚度检测仿真分析

1 涡流测厚原理 2.1 仿真模型建立与参数设置
在氧化膜厚度实际检测时，氧化膜探头与燃料
涡流检测技术根据电磁感应原理，使涡流线圈
棒对中进行测量，如图2所示。为了提高分析速度和
和被测试件形成互耦合系统，当试件厚度发生变化
方便建模，采用二维轴对称平板模型对燃料棒锆合
时，整个系统的阻抗也会发生变化，如图1所示。通
金包壳氧化膜厚度进行简化分析。检测试件模型如
过桥式电路或阻抗分析仪对涡流线圈电感和电阻进
图3所示，被检试块为覆有氧化膜厚度层的锆合金
行检测，从而对试件厚度进行间接测量。式（1）为
板，壁厚为 0.57 mm，锆的电导率为 2.5×10 S/m；
6
dodd和deeds模型的经典涡流问题多层厚度结构涡
氧化膜（不导电）厚度为 0~100 μm；线圈内径为
流解的解析模型。线圈与空气的阻抗差∆Z表示为
3 mm，外径为4 mm，高为7 mm，线径为0. 18 mm，
匝数约为100匝。
通过COMSOL软件根据上述探头结构建立仿
真模型，为了保证厚度检测的精度，提前建立好不同
厚度的薄层。同时，在网格划分时，尽量保证沿厚度
（1） 方向的网格尺寸小于1/3集肤层厚度。模型网格划
式中： ln ( ,t x x )=  x 2 xJ ( )dx，J 为第一类Bessel函
x
1 2 x 1 1 分结果如图4所示。
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2025 年 第 47 卷 第 1 期
无损检测