CN103247357A - 一种iter内部线圈多层套管结构偏心的在线无损检测方法 - Google Patents

Abstract

一种ITER内部线圈多层套管结构偏心的在线无损检测方法，在推算的频率范围对内部线圈进行涡流扫频实验，得到多个测量点的阻抗信号，求得各频率下其平均值，并求取内部线圈与标定结构间的转换复数数组，通过转换复数数组得到多个测量点的阻抗差分信号，然后选择阻抗差分信号极值所对应的频率作为检测最佳频率，随后从阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组摘取最佳频率所对应的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线，最后在阻抗差分信号-偏心距离标定曲线求取阻抗差分信号极值所对应的偏心距离，即为实际内部线圈的偏心距离；本发明方法能够对多层套管偏心距离进行定量检测，具有操作简单，易实现，数据量小的优点，可广泛用于ITER中IVCs多层套管结构的偏心距离在线测定。

Description

一种ITER内部线圈多层套管结构偏心的在线无损检测方法

技术领域

本发明涉及ITER内部线圈多层套管结构偏心检测技术领域，具体涉及一种ITER内部线圈多层套管结构偏心的在线无损检测方法。 

背景技术

在国际热核实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER)中，内部线圈(In-Vessel Coils(IVCs))由多层套管组成，并安装在真空容器壁上，主要用来控制等离子体边界局域模式、电阻墙模式和垂直稳定性，在整个实验反应堆的运行中起着重要作用。IVCs具体结构为双层套管，内管为铜管，其中通以冷水冷却IVCs，外管为不锈钢合金管，确保整个套管与ITER装置的兼容性和强度，两管之间采用氧化镁陶瓷使内外管绝缘。在IVCs加工或服役中，如果此不锈钢合金-氧化镁绝缘层-铜管三层结构发生偏心，即中间氧化镁陶瓷绝缘层厚度分布不均匀，会影响其绝缘效果，降低整个IVCs性能，进而可能导致等离子体破裂等严重事故。因此对IVCs多层结构是否发生偏心及偏心程度的在线无损检测和评价尤为重要。 

然而，目前存在的无损检测方法，主要针对裂纹、局部减薄等类型的缺陷，未发现成熟的用于套管偏心在线检测的具体方法，目前常用的方法仅有射线检测法，但其使用条件受到很大的限制，如：(1)射线检测的工作量大；(2)放射线危害人体；(3)检测耗时；(4)检测一般为离线检测，在线检测存在难度，从而无法广泛应用于实际构件的在线检测。对于大型套管的检测，特别是对ITER装置中的IVCs结构，在射线检测实施前，需对套管局部进行 切割分离，然后进行检测，不能实现对整体套管的检测及评估，更无法实现在线检测。 

鉴于此，本发明提出了利用柔性阵列探头对类似于IVCs结构偏心距离进行定量评价的新方法，对ITER装置中的IVCs结构可以实现在线无损检测。 

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种ITER内部线圈多层套管结构偏心的在线无损检测方法，能够对多层套管偏心距离进行定量检测，具有操作简单，易实现，数据量小的优点，可广泛用于ITER中IVCs多层套管结构的偏心距离在线测定。 

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案： 

一种ITER内部线圈多层套管结构偏心的在线无损检测方法，包括如下步骤： 

步骤1：阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组的建立，具体步骤如下： 

1)根据电涡流趋肤深度公式 

和套管外层不锈钢合金管的厚度和材料参数，推算得到在某一频率范围内，涡流恰好能够渗透到外层不锈钢合金管最内侧区域，即依据已知参数，通过选择不同频率，使δ大于不锈钢合金管厚度，并以此作为实验测量时频率范围；其中，δ为电涡流趋肤深度，μ为材料相对磁导率，σ为材料电导率，f为频率；材料的参数：厚度为4mm，导电率为1.4×10⁶S/m，相对磁导率为1； 

2)在步骤1)确定的频率范围内，采用和阻抗测量仪相连接的探头对和实际的内部线圈尺寸相同的内部线圈标定件进行扫频实验，实验时移动内部 线圈标定件的内管，使内管相对于外管存在不同的偏心距离，这样就能够获得不同偏心情况下，不同频率对应的阻抗信号； 

3)用步骤2)所得的不同偏心情况下，不同频率对应的阻抗信号减去不偏心情况的阻抗信号Z₀，得到阻抗差分信号； 

4)通过步骤3)得到的在不同频率下各偏心距离对应的阻抗差分信号，建立阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组； 

步骤2：实际的内部线圈偏心距离的定量检测，具体步骤如下： 

1)对于实际的内部线圈，先将待测区域沿圆周方向均分成N段，即可得到待测套管结构横截面上的N个平分圆周的点，将其作为测量点，将和阻抗测量仪相连接的探头贴合在测量点上，所述N≥2； 

2)采用阻抗测量仪和探头对步骤1)中的测量点按照步骤1推算的频率范围进行涡流扫频实验，得到N个测量点的阻抗信号，求得各频率下其平均值 $\stackrel{\‾}{Z}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_i}{N}$

3)对步骤2)得到的 

进行复数变换，使变换后的 

等于步骤1所述内部线圈标定件不偏心情况下的阻抗信号Z₀，同时可得到转换复数数组Z’， 

$Z^{\′}=Z_0/\stackrel{\‾}{Z};$

4)将各频率测量情况下N个点所测量的阻抗信号分别乘以Z’，得到变换后的阻抗信号，用变换后的阻抗信号减去变换后的 

即Z₀，获得各频率测量情况下N个点的阻抗差分信号； 

5)选择步骤4)的N个阻抗差分信号绝对值最大的测量点j所在的方位作为偏心方向，j点作为偏心测量点； 

6)建立j点的阻抗差分信号-频率关系曲线，阻抗差分信号极值所对应的频率作为检测最佳频率； 

7)在步骤1建立的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组中，摘取步骤6)得到的最佳频率所对应的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线作为实际检测阻抗差分信号-偏心距离标定曲线； 

8)在步骤7)所得到的实际检测阻抗差分信号-偏心距离标定曲线中，求取j测量点的阻抗差分信号极值所对应的偏心距离，从而获得实际内部线圈的偏心距离，完成对实际内部线圈偏心距离的定量无损检测。 

所述探头为柔性阵列探头。 

所述柔性阵列探头的材料为橡胶或塑料制品。 

步骤2所述N个测量点中的N为4、6、8、10。 

和现有技术相比，本发明的优点如下： 

1)本发明方法能够对多层套管偏心距离进行在线无损定量检测，填补了该领域在线无损检测方法的空白；且本方法具有操作简单，易实现，数据量小等优点，能广泛用于ITER中IVCs多层套管结构的偏心距离在线测定； 

2)本发明检测探头为柔性阵列探头，材料采用橡胶或塑料制品，使探头能够和多层套管的外管紧密贴合，保证了测量结果的精确性。 

附图说明

图1为本发明的测量原理示意图。 

图2为实际实验测量方法流程。 

图3为阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组。 

图4为本发明实施例阻抗差分信号绝对值最大的测量点的阻抗差分信号-频率关系曲线。 

图5为本发明实施例检测最佳频率所对应的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线。 

具体实施方式

如图1所示，本发明方法的检测原理为：依据涡流检测原理，即根据电磁感应的基本理论，当不锈钢合金管1、氧化镁绝缘层6、铜管2三层套管处在变化着的磁场中，在不锈钢合金管1和铜管2内部会产生感应电动势，同时有感应电流产生，即涡流4。当连接在阻抗测量仪5上的载有交变电流的线圈3(称为检测线圈)处于不锈钢合金管1外侧时，由于线圈交变磁场的作用，不锈钢合金管1和铜管2中会感应出涡流4。当铜管2相对于不锈钢合金管1的位置发生变化，即存在一定程度的偏心时，就会影响不锈钢合金管1和铜管2中涡流4的大小，从而铜管4产生的磁场发生变化，导致阻抗测量仪5拾取的线圈3的阻抗发生变化，因此，通过线圈3阻抗的变化，即可测知不锈钢合金管1和铜管2的偏心距离。 

下面结合图2、图3、图4和图5和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。 

内部线圈标定件的结构参数见表1所示 

表1内部线圈标定件结构参数 

步骤1：阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组的建立，具体步骤如下： 

1)根据电涡流趋肤深度公式 

和表1中套管外层不锈钢合金管的厚度和材料参数，推算得到在频率范围7kHz～27kHz内，涡流恰好能够渗透到外层不锈钢合金管最内侧区域，并以此作为实验测量时频率范围； 

2)在步骤1)确定的频率范围内，采用和阻抗测量仪相连接的柔性探头对内部线圈标定件进行扫频实验，实验时移动内部线圈标定件的内管，使内管相对于外管存在不同的偏心距离0～2mm，这样就能够获得不同偏心情况下，不同频率对应的阻抗信号； 

3)用步骤2)所得的不同偏心情况下，不同频率对应的阻抗信号减去不偏心情况的阻抗信号Z₀，得到阻抗差分信号； 

4)通过步骤3)得到的在不同频率下各偏心距离对应的阻抗差分信号，建立阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组，如图3所示；图中仅显示频率为7kHz、15kHz、19kHz、27kHz所对应的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线； 

步骤2：实际的内部线圈偏心距离的定量检测，具体步骤如下： 

实际内部线圈的结构参数见表2所示 

表2实际内部线圈结构参数 

1)对于实际的内部线圈，先将待测区域沿圆周方向均分成8段，即可得到待测套管结构横截面上的8个平分圆周的点，将其作为测量点，将和阻抗测量仪相连接的柔性阵列探头贴合在测量点上； 

2)采用阻抗测量仪和柔性阵列探头对步骤1)中的测量点按照步骤1推算的频率范围7kHz～27kHz进行涡流扫频实验，得到8个测量点的阻抗信号，求得各频率下其平均值 

3)对步骤2)得到的 行复数变换，使变换后的 

等于步骤1所述内部线圈标定件不偏心情况下的阻抗信号Z₀，同时可得到转换复数数组Z’， 

$Z^{\′}=Z_0/\stackrel{\‾}{Z};$

4)将各频率测量情况下8个点所测量的阻抗信号分别乘以Z’，得到变换后的阻抗信号，用变换后的阻抗信号减去变换后的 

即Z₀，获得各频率测量情况下8个点的阻抗差分信号； 

5)选择步骤4)的8个阻抗差分信号绝对值最大的测量点j所在的方位作为偏心方向，j点作为偏心测量点； 

6)建立j点的阻抗差分信号-频率关系曲线，如图4所示，阻抗差分信号极值所对应的频率15kHz作为检测最佳频率； 

7)在步骤1建立的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组即图3中，摘取步骤6)得到的最佳频率所对应的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线作为实际检测阻抗差分信号-偏心距离标定曲线，如图5所示； 

8)在步骤7)所得到的实际检测阻抗差分信号-偏心距离标定曲线即图5中，求取j测量点的阻抗差分信号极值所对应的偏心距离0.59mm，从而获得实际内部线圈的偏心距离为0.59mm，完成对实际内部线圈偏心距离的定量无损检测。 

需要说明的是：在实际的测量中可以重复上述步骤2-8)多次，求出平均值作为最后的测量结果，以达到更加精确的测量。 

Claims (5)

1.一种ITER内部线圈多层套管结构偏心的在线无损检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组的建立，具体步骤如下：

1）根据电涡流趋肤深度公式和套管外层不锈钢合金管的厚度和材料参数，推算得到在某一频率范围内，涡流恰好能够渗透到外层不锈钢合金管最内侧区域，即依据已知参数，通过选择不同频率，使δ大于不锈钢合金管厚度，并以此作为实验测量时频率范围；其中，δ为电涡流趋肤深度，μ为材料相对磁导率，σ为材料电导率，f为频率；材料的参数：厚度为4mm，导电率为1.4×10⁶S/m，相对磁导率为1；

2）在步骤1）确定的频率范围内，采用和阻抗测量仪相连接的探头对和实际的内部线圈尺寸相同的内部线圈标定件进行扫频实验，实验时移动内部线圈标定件的内管，使内管相对于外管存在不同的偏心距离，这样就能够获得不同偏心情况下，不同频率对应的阻抗信号；

3）用步骤2）所得的不同偏心情况下，不同频率对应的阻抗信号减去不偏心情况的阻抗信号Z₀，得到阻抗差分信号；

4）通过步骤3）得到的在不同频率下各偏心距离对应的阻抗差分信号，建立阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组；

步骤2：实际的内部线圈偏心距离的定量检测，具体步骤如下：

1）对于实际的内部线圈，先将待测区域沿圆周方向均分成N段，即可得到待测套管结构横截面上的N个平分圆周的点，将其作为测量点，将和阻抗测量仪相连接的探头贴合在测量点上，所述N≥2；

2）采用阻抗测量仪和探头对步骤1）中的测量点按照步骤1推算的频率范围进行涡流扫频实验，得到N个测量点的阻抗信号，求得各频率下其平均值 $\stackrel{\‾}{Z}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_i}{N};$

3）对步骤2）得到的

进行复数变换，使变换后的

等于步骤1所述内部线圈标定件不偏心情况下的阻抗信号Z₀，同时可得到转换复数数组Z’， $Z^{\′}=Z_0/\stackrel{\‾}{Z};$

4）将各频率测量情况下N个点所测量的阻抗信号分别乘以Z’，得到变换后的阻抗信号，用变换后的阻抗信号减去变换后的

即Z₀，获得各频率测量情况下N个点的阻抗差分信号；

5）选择步骤4）的N个阻抗差分信号绝对值最大的测量点j所在的方位作为偏心方向，j点作为偏心测量点；

6）建立j点的阻抗差分信号-频率关系曲线，阻抗差分信号极值所对应的频率作为检测最佳频率；

7）在步骤1建立的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线组中，摘取步骤6）得到的最佳频率所对应的阻抗差分信号-偏心距离标定曲线作为实际检测阻抗差分信号-偏心距离标定曲线；

8）在步骤7）所得到的实际检测阻抗差分信号-偏心距离标定曲线中，求取j测量点的阻抗差分信号极值所对应的偏心距离，从而获得实际内部线圈的偏心距离，完成对实际内部线圈偏心距离的定量无损检测。

2.根据权利要求1所述的在线无损检测方法，其特征在于：所述探头为柔性阵列探头。

3.根据权利要求2所述的在线无损检测方法，其特征在于：所述柔性阵列探头的材料为橡胶或塑料制品。

4.根据权利要求1所述的在线无损检测方法，其特征在于：步骤2所述N个测量点中的N为4、6、8、10。

5.根据权利要求4所述的在线无损检测方法，其特征在于：所述N为8。

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