基于直流電位信號的應(yīng)力腐蝕裂紋電導(dǎo)率分布重構(gòu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電導(dǎo)率分布的重構(gòu)方法，具體涉及一種應(yīng)力腐蝕裂紋沿深度方向 電導(dǎo)率分布的重構(gòu)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 核電站中廣泛的采用奧氏體不銹鋼、高鎳合金等應(yīng)力腐蝕敏感材料，而核電結(jié)構(gòu) 中不可避免的存在加工裝配抑或焊接等產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，并且這些核電結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件 處于輕水腐蝕的運(yùn)行環(huán)境中，致使應(yīng)力腐蝕裂紋廣泛的產(chǎn)生并存在于核電站的關(guān)鍵部位， 如沸水堆核電站的爐心隔筒、壓力容器管臺焊接部、主冷卻管和再循環(huán)管焊接部等。應(yīng)力 腐蝕裂紋的存在是核電站安全運(yùn)行的巨大隱患之一，常導(dǎo)致核電結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件如不銹鋼容 器、管道等構(gòu)件在較低應(yīng)力、沒有明顯宏觀變形的情況下出現(xiàn)滲漏甚至斷裂，隱蔽性強(qiáng)，危 害性大，需要對其進(jìn)行定期的無損檢測以確保結(jié)構(gòu)完整性。此外，考慮到經(jīng)濟(jì)效益問題，盡 量減少核電站的停機(jī)維修時(shí)間及次數(shù)，需要對裂紋的大小進(jìn)行定量評估以評價(jià)其危害性， 因此需要對應(yīng)力腐蝕裂紋進(jìn)行定量的無損評價(jià)。目前，核電設(shè)備中應(yīng)力腐蝕裂紋的定量無 損檢測主要采用超聲檢測（UT)方法，而超聲方法對焊接部位和淺應(yīng)力腐蝕裂紋的定量檢 測存在不足，渦流檢測方法（ECT)對焊接部位的應(yīng)力腐蝕裂紋和表面淺裂紋的定量檢測具 有獨(dú)特優(yōu)勢，在核電設(shè)備應(yīng)力腐蝕裂紋定量無損檢測中已成為超聲方法的有力補(bǔ)充。但由 于應(yīng)力腐蝕裂紋具有復(fù)雜的邊界輪廓，且裂紋區(qū)域存在著弱于基體材料的部分電導(dǎo)率，然 而到目前為止，其導(dǎo)電率測定方法尚不成熟，電導(dǎo)率分布特性尚不明確，嚴(yán)重影響了渦流檢 測定量精度的提高。此外，目前利用四端子直流電位方法測定材料電導(dǎo)率技術(shù)，只能夠?qū)?于電導(dǎo)率分布均勻的材料，對于電導(dǎo)率分布不均勻的材料無法實(shí)現(xiàn)測量，而且僅限于測量 無限大試件，即試件厚度與探針間距之比L/s =0，無法準(zhǔn)確的測量厚度與探針間距相當(dāng) 的試樣的電導(dǎo)率，對于邊界輪廓復(fù)雜的應(yīng)力腐蝕裂紋的電導(dǎo)率分布更是無法定量評估和測 定。
[0003] 鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于直流電位檢測信號的電導(dǎo)率分布重構(gòu)方法，可以 對應(yīng)力腐蝕裂紋的電導(dǎo)率分布進(jìn)行有效的重構(gòu)與評估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述現(xiàn)有的電導(dǎo)率測定方法存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一 種電導(dǎo)率分布的評測方法，適用于應(yīng)力腐蝕裂紋電導(dǎo)率分布的測定，所提方法具有操作簡 單，數(shù)據(jù)量小，易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于電導(dǎo)率分布不均勻的固體材料的電導(dǎo)率分布測 定領(lǐng)域。
[0005] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 基于直流電位信號的應(yīng)力腐蝕裂紋電導(dǎo)率分布重構(gòu)方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :搭建四端子直流電位測量系統(tǒng)，具體為：提供直流電流的直流電流源2 - 端通過限流電阻3與試件1的一側(cè)中心相連，直流電流源2的另一端直接與試件1的另一 側(cè)中心相連，測量電位的納伏表4與第一電位測量端子9和第二電位測量端子10相連，其 中第一電位測量端子9固定在試件1表面，第二電位測量端子10固定在三維掃描臺5上， 三維掃描臺5與掃描臺控制器6和計(jì)算機(jī)7相連接；
[0008] 步驟2 :應(yīng)力腐蝕裂紋試件不同裂紋深度處的電位分布實(shí)驗(yàn)測量和電位差信號計(jì) 算，具體步驟如下：
[0009] 1)加工制作應(yīng)力腐蝕裂紋不銹鋼平板試件，并沿裂紋長度方向逐一進(jìn)行切片，獲 得不同裂紋長度位置處的包含部分應(yīng)力腐蝕裂紋的切片試件，并將切片鑲嵌在環(huán)氧樹脂的 圓柱形塊體中以便于實(shí)驗(yàn)測量，切片中裂紋沿切片厚度方向貫穿；
[0010] 2)對步驟1)中加工好的應(yīng)力腐蝕裂紋切片試件，利用金相顯微鏡對其進(jìn)行觀測， 獲得裂紋深度和寬度的幾何參數(shù)信息；
[0011] 3)根據(jù)步驟2)中觀測到的切片試件中裂紋的大小，在裂紋不同深度處選取掃描 線，利用步驟1搭建的四端子直流電位測量系統(tǒng)進(jìn)行電位分布的測量，測量時(shí)直流電流源2 產(chǎn)生大小為IA的直流電流施加在試件1的兩端中心處，由掃描臺控制器6和計(jì)算機(jī)7控制 三維掃描臺5帶動第二電位測量端子10沿選定的掃描線進(jìn)行掃描，利用納伏表4測量掃描 過程中第一電位測量端子9和第二電位測量端子10之間的電位差，由計(jì)算機(jī)7采集并記錄 下來，即能夠測取該掃描線上的電位分布；
[0012] 4)對于步驟3)測量得到的電位分布，對于每條掃描線上的相鄰兩點(diǎn)的電位做差 獲得其電位差的分布，并將電位差信號作為電導(dǎo)率分布重構(gòu)的目標(biāo)信號；
[0013] 5)重復(fù)步驟2)至步驟4)，完成其他切片試件裂紋深度和寬度的觀測、電位分布的 實(shí)驗(yàn)測量和電位差計(jì)算，獲得應(yīng)力腐蝕裂紋不同長度處切片裂紋的電位差分布信號；
[0014] 步驟3:利用實(shí)驗(yàn)獲得的電位差信號對應(yīng)力腐蝕裂紋的電導(dǎo)率分布進(jìn)行重構(gòu)，具 體步驟如下：
[0015] 1)由恒流場的控制方程
其中σ和於分別指 材料的電導(dǎo)率和待求的電位分布，采用伽遼金有限元法對控制方程⑴進(jìn) 行有限元離散，對控制方程⑴兩邊同乘以形函數(shù)Nt，再對全域積分，可得
考慮自然邊界條件進(jìn)而得 到[尺]M二丨….Qf (3)，式中[κ]為總體系數(shù)陣，I表示加載點(diǎn)的流入電 流，-I表示加載點(diǎn)的流出電流，利用有限元方法求解此方程（3)，可計(jì)算待求的電位分布；
[0016] 2)對步驟2的步驟1)中加工的實(shí)際應(yīng)力腐蝕裂紋切片試件建立數(shù)值計(jì)算模型，數(shù) 值計(jì)算模型中裂紋的深度和寬度與步驟2的步驟2)測取的切片試件裂紋深度和寬度一致， 然后對整個(gè)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為長方體網(wǎng)格，在裂紋區(qū)域網(wǎng)格較密集，網(wǎng)格 大小為裂紋寬度的1/8,而其他區(qū)域網(wǎng)格較大，分布較稀疏；
[0017] 3)對應(yīng)力腐蝕裂紋電導(dǎo)率分布的重構(gòu)轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題，即將步驟2的步驟4)實(shí) 驗(yàn)測量的電位差分布信號作為目標(biāo)信號，尋找一定的電導(dǎo)率分布形式，初步設(shè)定電導(dǎo)率分 布為線性分布形式，使目標(biāo)函數(shù)
取最小值，其中b為決定電導(dǎo)率分 布形式的參數(shù)數(shù)組，《廠為步驟3的步驟1)計(jì)算的電位差分布結(jié)果，為步驟2的步驟4) 實(shí)驗(yàn)測量的電位差分布信號，為解決此優(yōu)化問題，采用基于共輒梯度法的電導(dǎo)率分布重構(gòu) 策略，其迭代公式為bk= b k彳λ kPk，其中bk、bk 別為第k、k-Ι迭代步b的值，λ k為第k 步的迭代步長，Pk為第k步的搜索方向，利用這個(gè)迭代公式實(shí)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋電導(dǎo)率分布的 重構(gòu)；
[0018] 4)重復(fù)步驟3的步驟3)，分別將步驟2中步驟5)獲得的其他應(yīng)力腐蝕裂紋切片 試件的電位差信號作為電導(dǎo)率分布重構(gòu)的目標(biāo)信號，逐一完成對其他切片沿裂紋深度方向 電導(dǎo)率分布的重構(gòu)計(jì)算，得到應(yīng)力腐蝕裂紋不同長度位置處沿深度方向電導(dǎo)率的分布，SP 獲得了應(yīng)力腐蝕裂紋區(qū)域二維的電導(dǎo)率分布。
[0019] 所述電導(dǎo)率分布為多項(xiàng)式函數(shù)分布或指數(shù)分布形式。
[0020] 所述電導(dǎo)率分布重構(gòu)策略的重構(gòu)算法為共輒梯度法、最速下降法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī) 性優(yōu)化算法。
[0021] 所述獲得的應(yīng)力腐蝕裂紋區(qū)域二維電導(dǎo)率分布中的二維電導(dǎo)率分布是指電導(dǎo)率 沿裂紋長度和深度方向的分布。
[0022] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0023] 1)本發(fā)明方法采用數(shù)值重構(gòu)算法，利用實(shí)驗(yàn)測量信號反演計(jì)算獲得待測試件的電 導(dǎo)率分布，解決了現(xiàn)有技術(shù)無法評測非均勻電導(dǎo)率材料的電導(dǎo)率，具有原理簡單，操作方便 易實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)量小等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛用于固態(tài)金屬材料電導(dǎo)率分布形式的測定。
[0024] 2)本發(fā)明采用自行搭建的四端子直流電位測量系統(tǒng)進(jìn)行電位分布的測量，利用逆 問題重構(gòu)的反演方法獲取電導(dǎo)率分布，適用性廣，效率高，同時(shí)保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明應(yīng)力腐蝕裂紋沿深度方向電導(dǎo)率分布測量流程圖。
[0026] 圖2為四端子直流電位測量系統(tǒng)示意圖。
[0027] 圖3為制作的應(yīng)力腐蝕裂紋平板試件。
[0028] 圖4為沿裂紋長度方向進(jìn)行切片加工的示意圖。
[0029] 圖5為No. 1切片試件應(yīng)力腐蝕裂紋大小的金相顯微鏡觀測結(jié)果。
[0030] 圖6為No. 1切片試件不同裂紋深度的電位差分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 如圖1所示為本發(fā)明的應(yīng)力腐蝕裂紋沿深度方向電導(dǎo)率分布測量流程圖，首先制 作應(yīng)力腐蝕裂紋試件，并裂紋長度方向進(jìn)行切割，加工成包含部分應(yīng)力腐蝕裂紋的切片試 件，然后利用自行搭建的四端子直流電位測量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，獲得裂紋附近區(qū)域的電 位分布并計(jì)算出電位差分布，其次，基于恒流場的控制方程▽·(-〇▽>) = ()，編寫直流電位法 有限元程序計(jì)算電位差分布，并開發(fā)電導(dǎo)率重構(gòu)計(jì)算程序，最后利用實(shí)驗(yàn)測量獲得的電位 差分布信息重構(gòu)不同長度方向處的切片應(yīng)力腐蝕裂紋試件沿深度方向電導(dǎo)率的分布。
[0032] 下面將結(jié)合圖2至圖6對本發(fā)明方法做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0033] 步驟1 :自主搭建四端子直流電位測量系統(tǒng)，如圖2所示，具體為：提供直流電流的 直流電流源2 -端相接于限流電阻3之后與試件1的左端中心相連，直流電流源2的另一 端直接與試件1的右端中心相連，測量電位的納伏表4與第一電位測量端子9和第二電位 測量端子10相連，其中第一電位測量端子9固定在試件表面，第二電位測量端子10固定在 三維掃描臺5上，由掃描臺控制器6和計(jì)算機(jī)7控制三維掃描臺5帶動電位測量端子10進(jìn) 行掃描，利用納伏表4測量第一電位測量端子9和第二電位測量端子10之間的電位差，由 計(jì)算機(jī)7采集并記錄下來
[0034] 步驟2 :應(yīng)力腐蝕裂紋試件不同裂紋深度處的電位分布實(shí)驗(yàn)測量和電位差信號計(jì) 算，具體步驟如下：
[0035] 1)加工制作應(yīng)力腐蝕裂紋不銹鋼