CN105259220B - 基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法 - Google Patents

Abstract

基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法，首先搭建四端子直流电位测量系统，加工制作应力腐蚀裂纹平板试件，并沿裂纹长度方向进行切割，获得包含部分应力腐蚀裂纹的切片试件，然后利用所搭建的直流电位测量系统测量切片试件裂纹附近区域的电位分布，计算相邻两点的电位差；进一步利用恒流场的控制方程，计算不同电导率情况下的电位差分布，对比分析实验测量的电位差信号和不同电导率情况下的电位差计算结果，获得扫描位置应力腐蚀裂纹的电导率值。本发明方法可以简单准确的测定复杂结构件的电导率，具有操作简单，易实现，数据量小，目标测量区域微小的优点，可以广泛应用于固体导电材料的电导率测量。

Description

基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法

技术领域

本发明涉及一种基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法，具体涉及一种基于四端子直流电位检测信号的应力腐蚀裂纹电导率测定方法。

背景技术

核电站中广泛的采用对应力腐蚀敏感的不锈钢和高镍合金材料，而且核电结构中焊接加工和装配导致的拉应力的存在，以及运行环境的腐蚀性，使应力腐蚀裂纹广泛的存在于核电站的关键构件中，如蒸汽发生器的热交换管管板扩展部、堆内的燃料包壳和结构部件、主冷却管管台焊接部等。应力腐蚀裂纹的存在对核电结构的安全运行产生了巨大的威胁，而且考虑到经济效益问题，需要对裂纹的大小进行评估，因此对应力腐蚀裂纹的定量无损检测无比重要。目前，核电设备中应力腐蚀裂纹的定量无损检测主要采用超声检测方法，但由于超声方法对焊接部位和浅应力腐蚀裂纹的定量检测存在不足。而涡流检测方法对焊部应力腐蚀裂纹和浅裂纹的检测具有独特优势，因此涡流检测有望成为超声方法的有力补充。但由于应力腐蚀裂纹不同于一般的人工裂纹，应力腐蚀裂纹形状轮廓呈干树枝状，而且裂纹区域存在着弱于基体材料的部分导电性，然而到目前为止，其导电导率分布特性尚不明确，严重影响了涡流检测定量精度的提高。目前的四端子电导 率测定方法，仅限于测量无限大试件，即试件厚度与探针间距之比L/s＝∞或形状规则的长条状试件，无法准确的测量厚度与探针间距相当、抑或形状不规则试样的电导率。

鉴于此，本发明提出了利用四端子直流电位实验测定信号和数值计算结果对比分析的新方法，可以实现应力腐蚀裂纹区域电导率的测定。

发明内容

为了解决上述现有电导率测量技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法，能够完成对固体材料应力裂纹电导率的测定，具有操作简单，易实现，数据量小，适用于试件形状复杂情况的优点，可广泛用于核电等机械结构中应力腐蚀裂纹电导率的定量评估。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法，包括如下步骤：

步骤1：搭建四端子直流电位测量系统，具体为：提供直流电流的直流电流源2一端通过限流电阻3与试件1的一侧中心相连，直流电流源2的另一端直接与试件1的另一侧中心相连，测量电位的纳伏表4与第一电位测量端子9和第二电位测量端子10相连，其中第一电位测量端子9固定在试件1表面，第二电位测量端子10固定在三维扫描台5上，三维扫描台5与扫描台控制器6和计算机7相连接；

步骤2：应力腐蚀裂纹试件给定裂纹深度处的电位分布实验测量和电位差信号计算，具体步骤如下：

1)加工制作应力腐蚀裂纹不锈钢平板试件，并沿裂纹长度方向进行切片，获得不同裂纹长度位置处的包含部分应力腐蚀裂纹的切片试件，并将切片镶嵌在环氧树脂的圆柱块中以便于实验测量，切片中裂纹沿切片试件厚度方向贯穿；

2)对步骤1)中加工好的应力腐蚀裂纹切片试件，利用金相显微镜对其进行观测，获得裂纹深度和宽度的几何参数信息；

3)根据步骤2)中观测到的切片试件中裂纹的大小，在裂纹给定深度处选取扫描线，利用步骤1搭建的四端子直流电位测量系统进行电位分布的测量，测量时直流电流源2产生大小为1A的直流电流施加在试件1的两端中心处，由扫描台控制器6和计算机7控制三维扫描台5带动第二电位测量端子10沿选定的扫描线进行扫描，利用纳伏表4测量扫描过程中第一电位测量端子9和第二电位测量端子10之间的电位差，由计算机7采集并记录下来，即能够测取该扫描线上的电位分布；

4)对于步骤3)测量得到的电位分布，将相邻两点的电位做差获得其电位差的分布，并将电位差信号作为与数值计算结果对比的目标信号；

步骤3：计算不同电导率情况下的电位差并与实验测量的电位差信号进行对比分析，测定应力腐蚀裂纹的电导率值，具体步骤如下：

1)由恒流场的控制方程其中σ和分别指材料的电导率和待求的电位分布，采用伽辽金有限元法对控制方程(1)进行有限元离散，对控制方程(1)两边同乘以形函数N^T，再对全域积分，可得考虑自然边界条件进而得到式中[K]为总体系数阵，I表示加载点的流入电流，-I表示加载点的流出电流，利用有限元方法求解此方程(3)，计算待求的电位分布；

2)对步骤2步骤1)中加工的实际应力腐蚀裂纹切片试件建立数值计算模型，数值计算模型中裂纹的深度和宽度与步骤2步骤2)测取的切片试件裂纹深度和宽度一致，然后对整个数值计算模型进行网格划分，网格为长方体网格，在裂纹区域网格较密集，网格大小为裂纹宽度的1/8，而其他区域网格较大，分布较稀疏；

3)利用步骤3中步骤1)的理论和步骤2)的计算模型，计算不同电导率情况下的电位差分布，并提取步骤1步骤3)中给定深度处的电位差结果；

4)将步骤2中步骤4)获得的应力腐蚀裂纹电位差实验测量信号与步骤3的步骤3)中不同电导率情况下的电位差计算结果画在同一张图中，对比实验测量和计算电位差分布的电位差峰值，与实验测量电位差峰值一致的该电位情况的电导率设定值即为电导率测定值。

所述搭建的四端子直流电位测量系统利用高精度三维扫描台实现电位分布的扫描测量，扫描步长最小达到0.01mm。

所述搭建的四端子直流电位测量系统采用纳伏表进行电位测量，测量精度达10^{- 9}V。

所述给定裂纹深度处的电位差分布实验测量中裂纹给定深度为裂纹的任意深度。

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明方法采用实验测量信号和数值计算结果相吻合对比分析的方法反演获得待测试件的电导率值，能够对应力腐蚀裂纹不同深度处的电导率进行有效测定，获得裂纹区域电导率的分布；且本方法具有原理简单，操作方便易实现，数据量小，被测试件形状不受限制等优点，能广泛用于固态金属材料电导率的测定；

2)本发明采用的三维扫描台最小步进为0.01mm，可实现较小区域的精确扫描；利用纳伏表进行电位测量，测量精度高；并且采用实验信号和数值计算对比分析的反演测定方法，克服了常规四端子方法测量对象只能为半无限大体的局限性，同时保证了测量结果的精确性。

附图说明

图1为本发明应力腐蚀裂纹给定深度处的电导率测量流程图。

图2为四端子直流电位测量系统示意图。

图3为制作的应力腐蚀裂纹平板试件。

图4为沿裂纹长度方向进行切片加工的示意图。

图5为No.1切片试件应力腐蚀裂纹大小的金相显微镜观测结果。

图6为No.1切片试件给定裂纹深度1mm处的电位差实验测定结果和不同电导率情况下的数值计算结果对比。

具体实施方式

如图1所示为本发明的应力腐蚀裂纹沿深度方向电导率分布测量流程图，首先自主搭建四端子直流电位测量系统，然后制作应力腐蚀裂纹试件，并裂纹长度方向进行切割，加工成包含部分应力腐蚀裂纹的切片试件，利用自行搭建的四端子直流电位测量系统进行实验测量，获得裂纹附近区域的电位分布并计算出电位差分布，其次，基于恒流场的控制方程计算不同电导率情况下的电位差分布，最后对比实验测量和计算的电位差信号，测量应力腐蚀裂纹的电导率值。

下面将结合图2至图6对本发明方法做进一步的详细描述。

步骤1：自主搭建四端子直流电位测量系统，如图2所示，具体为提供直流电流的直流电流源2一端相接于限流电阻3之后与试件1的左端中心相连，直流电流源2的另一端直接与试件1的右端中心相连，测量电位的纳伏表4与第一电位测量端子9和第二电位测量端子10相连，其中第一电位测量端子9固定在试件表面，第二电位测量端子10固定在三维扫描台5上，由扫描台控制器6和计算机7控制三维扫描台5带动第二电位测量端子10进行扫描，利用纳伏表4测量第一电位测量端子9和第二电位测量端子10之间的电位差，由计算机7采集并记录下来；

步骤2：应力腐蚀裂纹试件给定裂纹深度处的电位分布实验测量和电位差信号计算，具体步骤如下：

1)加工制作应力腐蚀裂纹不锈钢平板试件，如图3所示，沿裂纹长度方向每隔1.5mm进行切片，获得不同裂纹长度位置处的包含部分应力腐蚀裂纹的切片试件，即切片试件厚度为1.5mm，并将切片镶嵌在环氧树脂的圆柱块中以便于实验测量，如图4所示，切片中裂纹沿试件厚度方向贯穿；

2)对步骤1)中加工好的No.1应力腐蚀裂纹切片试件，利用金相显微镜对其进行观测，获得裂纹深度和宽度的几何参数信息，如图5所示；

3)根据步骤2)中观测到的切片试件中裂纹的大小，在裂纹给定深度(如1mm)处选取扫描线，利用步骤1自主搭建的四端子直流电位测量系统对No.1应力腐蚀裂纹切片1给定裂纹深度1mm处的电位分布进行测量，测量时直流电流源2产生大小为1A的直流电流施加在试件1的两端中心处，第一电位测量端子9固定在试件1表面，第二电位测量端子10固定在三维扫描台5上，由扫描台控制器6和计算机7控制三维扫描台5带动第二电位测量端子10沿选定的扫描线进行扫描，扫描步长为0.02mm，纳伏表4测量扫描过程中第一电位测量端子9和第二电位测量端子10之间的电位差，由计算机7采集并记录下来，即可测取该扫描线8上的电位分布；

4)对于步骤3)测量得到的电位分布，将相邻两点的电位做差获得其电位差的分布，并将电位差信号作为与不同电导率情况下的数值计算结果对比的目标信号。

步骤3：计算不同电导率情况下的电位差并与实验测量的电位差信号进行对比分析，测定应力腐蚀裂纹的电导率值，具体步骤如下：

1)由恒流场的控制方程其中σ和分别指材料的电导率和待求的电位分布，采用伽辽金有限元法对控制方程(1)进行有限元离散，对控制方程(1)两边同乘以形函数N^T，再对全域积分，可得考虑自然边界条件进而可以得到式中[K]为总体系数阵，I表示加载点的流入电流，-I表示加载点的流出电流，利用有限元方法求解此方程(3)，可计算待求的电位分布；

2)对步骤2步骤1)中加工的实际应力腐蚀裂纹切片试件建立数值计算模型，计算模型中裂纹的深度和宽度与步骤2步骤2)中测取的切片试件裂纹深度和宽度一致，然后对整个模型进行网格划分，网格为长方体网格，在裂纹区域网格较密集，网格大小为裂纹宽度的1/8，即0.0025mm，而其他区域网格较大，为3mm，分布较稀疏；

3)利用步骤3中步骤1)的理论和步骤2)的计算模型，计算不同电导率情况下的电位差分布，并提取步骤1步骤3)中给定深度(如1mm)处的电位差结果；

4)如图6所示，将步骤2中步骤4)获得的应力腐蚀裂纹电位差实验测量信号与步骤3的步骤3)中不同电导率情况下的电位差计算 结果绘制在一张图中，对比实验测量和计算电位差分布的电位差峰值，与实验测量电位差峰值一致的该电位情况的电导率设定值即为电导率测定值，如此获得此处的电导率测定值为基体材料电导率的3.65％。

需要说明的是：在实际的过程中可以重复上述步骤2中的步骤3)-4)多次，求出平均值作为最后电位差分布测量结果，可得到更加精确的电导率测定结果。

Claims (4)

1.基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：搭建四端子直流电位测量系统，具体为：提供直流电流的直流电流源(2)一端通过限流电阻(3)与试件(1)的一侧中心相连，直流电流源(2)的另一端直接与试件(1)的另一侧中心相连，测量电位的纳伏表(4)与第一电位测量端子(9)和第二电位测量端子(10)相连，其中第一电位测量端子(9)固定在试件(1)表面，第二电位测量端子(10)固定在三维扫描台(5)上，三维扫描台(5)与扫描台控制器(6)和计算机(7)相连接；

步骤2：应力腐蚀裂纹试件给定裂纹深度处的电位分布实验测量和电位差信号计算，具体步骤如下：

1)加工制作应力腐蚀裂纹不锈钢平板试件，并沿裂纹长度方向进行切片，获得不同裂纹长度位置处的包含部分应力腐蚀裂纹的切片试件，并将切片镶嵌在环氧树脂的圆柱块中以便于实验测量，切片中裂纹沿切片试件厚度方向贯穿；

2)对步骤1)中加工好的应力腐蚀裂纹切片试件，利用金相显微镜对其进行观测，获得裂纹深度和宽度的几何参数信息；

3)根据步骤2)中观测到的切片试件中裂纹的大小，在裂纹给定深度处选取扫描线，利用步骤1搭建的四端子直流电位测量系统进行电位分布的测量，测量时直流电流源(2)产生大小为1A的直流电流施加在试件(1)的两端中心处，由扫描台控制器(6)和计算机(7)控制三维扫描台(5)带动第二电位测量端子(10)沿选定的扫描线进行扫描，利用纳伏表(4)测量扫描过程中第一电位测量端子(9)和第二电位测量端子(10)之间的电位差，由计算机(7)采集并记录下来，即能够测取该扫描线上的电位分布；

4)对于步骤3)测量得到的电位分布，将相邻两点的电位做差获得其电位差的分布，并将电位差信号作为与数值计算结果对比的目标信号；

步骤3：计算不同电导率情况下的电位差并与实验测量的电位差信号进行对比分析，测定应力腐蚀裂纹的电导率值，具体步骤如下：

1)由恒流场的控制方程其中σ和分别指材料的电导率和待求的电位分布，采用伽辽金有限元法对控制方程(1)进行有限元离散，对控制方程(1)两边同乘以形函数N^T，再对全域积分，可得考虑自然边界条件进而得到式中[K]为总体系数阵，I表示加载点的流入电流，-I表示加载点的流出电流，利用有限元方法求解此方程(3)，计算待求的电位分布；

2)对步骤2步骤1)中加工的实际应力腐蚀裂纹切片试件建立数值计算模型，数值计算模型中裂纹的深度和宽度与步骤2步骤2)测取的切片试件裂纹深度和宽度一致，然后对整个数值计算模型进行网格划分，网格为长方体网格，在裂纹区域网格较密集，网格大小为裂纹宽度的1/8，而其他区域网格较大，分布较稀疏；

3)利用步骤3中步骤1)的理论和步骤2)的计算模型，计算不同电导率情况下的电位差分布，并提取步骤2步骤3)中给定深度处的电位差结果；

4)将步骤2中步骤4)获得的应力腐蚀裂纹电位差实验测量信号与步骤3的步骤3)中不同电导率情况下的电位差计算结果画在同一张图中，对比实验测量和计算电位差分布的电位差峰值，与实验测量电位差峰值一致的该电位情况的电导率设定值即为电导率测定值。

2.根据权利要求1所述的基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法，其特征在于：所述搭建的四端子直流电位测量系统利用高精度三维扫描台实现电位分布的扫描测量，扫描步长最小达到0.01mm。

3.根据权利要求1所述的基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法，其特征在于：所述搭建的四端子直流电位测量系统采用纳伏表进行电位测量，测量精度达10^-9V。

4.根据权利要求1所述的基于四端子直流电位检测信号的裂纹电导率测定方法，其特征在于：所述给定裂纹深度处的电位分布实验测量中裂纹给定深度为裂纹的任意深度。