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锆合金包壳氧化膜厚度涡流检测探头仿真优化与设计研究

作者及研究机构
本研究由刘永生（江苏核电有限公司）、葛玖浩（南京航空航天大学自动化学院）、蒋维宇、马旭东、邓志勇、高三杰、李宏玉（中国核动力研究设计院）共同完成，研究成果发表于2025年第47卷第1期的《无损检测》期刊。

学术背景
核燃料组件在高温、高放射性及深水等极端环境下长期运行，燃料棒表面易形成氧化膜，影响燃料组件的性能与安全。氧化膜厚度是衡量燃料包壳腐蚀性能的重要指标，其测量对分析燃料腐蚀状态及堆内运行情况具有重要意义。传统的无损检测方法如涡流测厚技术（Eddy Current Testing, ECT）和超声测厚技术在检测微米级氧化膜厚度时存在局限性。因此，本研究旨在通过仿真优化设计一种适用于锆合金包壳氧化膜厚度检测的涡流探头，并验证其检测精度。

研究目标
本研究的核心目标是通过仿真优化设计一种高精度的涡流探头，用于测量锆合金包壳表面氧化膜厚度，并验证其在实验中的实际性能。研究重点包括：
1. 建立氧化膜厚度检测的仿真模型；
2. 优化探头的结构尺寸参数和激励参数；
3. 分析线圈阻抗幅值和相位变化与各影响因素的关系；
4. 设计并制作新型氧化膜测厚探头，通过实验验证其检测精度。

研究流程与方法
1. 仿真模型建立与参数设置
研究采用COMSOL软件建立锆合金表面氧化膜厚度检测的仿真模型。模型基于二维轴对称平板简化分析，被检试件为覆有氧化膜厚度层的锆合金板，氧化膜厚度范围为0~100 μm。线圈参数设置为内径3 mm、外径4 mm、高度7 mm、线径0.18 mm、匝数约100匝。为保证检测精度，模型网格划分时沿厚度方向的网格尺寸小于1/3集肤层厚度。

1. 仿真结果分析
   通过仿真分析，研究探究了不同氧化膜厚度对涡流探头信号的影响。结果显示，线圈阻抗的实部和虚部随氧化膜厚度变化呈线性关系。频率越高，阻抗幅值变化越大，但相位变化逐渐减小。研究进一步分析了线圈参数（匝数、中径、高度、宽度）对检测灵敏度的影响，发现影响程度从高到低依次为：匝数、中径、高度和宽度。

2. 探头设计与制作
   基于仿真结果，研究设计了一种新型氧化膜测厚探头，优化参数包括线圈中径5 mm、高度5 mm、匝数100匝。探头采用1.6 MHz的激励频率，以减少高频噪声干扰。

3. 实验验证
   实验采用与燃料棒相同材料的锆合金板材，氧化膜厚度层通过不同厚度的非导电膜片（0~100 μm）模拟。实验结果表明，探头对氧化膜厚度的测量偏差小于5 μm，满足高精度检测要求。

主要结果
1. 仿真结果表明，线圈阻抗幅值和相位变化与氧化膜厚度呈线性关系，不同频率下阻抗信号可明显区分氧化膜厚度。
2. 线圈参数对检测灵敏度的影响程度排序为：匝数、中径、高度和宽度。
3. 实验验证表明，新型氧化膜测厚探头的测量偏差小于5 μm，检测精度较高。

结论与意义
本研究通过仿真优化设计了一种高精度的涡流探头，成功实现了锆合金包壳氧化膜厚度的精确测量。研究结果为核燃料组件腐蚀性能分析及堆内运行状态评估提供了重要的数据支撑，具有显著的工程应用价值。此外，研究提出的仿真优化方法及探头设计思路为其他类似的无损检测技术提供了参考。

研究亮点
1. 首次通过仿真优化设计了一种适用于锆合金包壳氧化膜厚度检测的涡流探头。
2. 系统分析了线圈参数对检测灵敏度的影响，为探头设计提供了理论依据。
3. 实验验证了探头的高精度检测能力，测量偏差小于5 μm，满足工程应用需求。

其他价值
本研究不仅为核燃料组件的无损检测提供了新方法，还为其他领域的微米级厚度检测技术提供了借鉴。未来研究可进一步优化探头设计，探索其在更复杂环境下的应用。

以上报告详细介绍了研究的背景、目标、方法、结果及意义，为相关领域的研究人员提供了全面的参考。