核電站M56螺栓超聲檢驗(yàn)技術(shù)淺談

周偉

摘 要：本文針對(duì)核電站M56螺栓的特殊性，通過(guò)試驗(yàn)選擇最適合M56螺栓超聲檢測(cè)技術(shù)，研究了不同角度不同頻率超聲探頭檢測(cè)的結(jié)果及不可達(dá)區(qū)。結(jié)果表明：僅通過(guò)超聲檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)域的完全覆蓋，必須輔以滲透、目視等其他無(wú)損檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：核電站 超聲檢測(cè) 螺栓

中圖分類(lèi)號(hào)：TL4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（b）-0004-02

Discussion M56 Dolt Ultrasonic Testing of Nuclear Power Station

Zhou Wei

（CGNPC Inspection Technology Co.，Ltd，Suzhou Jiangsu，215004，China）

Abstract：According to the particularities of nuclear power station M56 bolts， selected the most suitable Ultrasonic Testing Technology for M56 by test， Studied on ultrasonic probe detection results of different frequencies at different angles and unreachable areas. The results showed that： only by ultrasonic detection method can not achieve complete coverage of M56 bolt inspection region， it must be supplemented by penetration， visual and other non-destructive testing methods.

key Words：Nuclear Power Station；Ultrasonic Inspection；Bolt

隨著國(guó)家大力發(fā)展核電站，螺栓成為核電站設(shè)備中重要部件，在蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等一級(jí)部件中被廣泛使用。然而在核電站長(zhǎng)期運(yùn)行狀況下，螺栓常年處于高溫、高壓和高輻射環(huán)境中，螺栓材料易產(chǎn)生熱脆、蠕變、疲勞裂紋以及應(yīng)力腐蝕等缺陷，而且螺栓在運(yùn)行過(guò)程中受到沿軸面的拉升力，這個(gè)力隨著設(shè)備受力的變化而變化，最終作用的結(jié)果使螺紋最薄弱處—齒根部由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生缺陷，這種缺陷一般是與螺栓軸線(xiàn)垂直的橫向裂紋[1]，再者在安裝過(guò)程中由于預(yù)緊力過(guò)高或者不慎燒傷中心孔等原因，螺栓也易產(chǎn)生裂紋。如果螺栓由于缺陷發(fā)生斷裂，將會(huì)導(dǎo)致重大事故，因而為確保設(shè)備安全運(yùn)行，加強(qiáng)對(duì)螺栓的有效檢驗(yàn)甚為重要。

通常蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器采用的螺栓規(guī)格為M48，通常采用常規(guī)0°探頭從螺栓兩個(gè)端面對(duì)光桿區(qū)和兩端的螺紋區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，能完全覆蓋檢驗(yàn)區(qū)。但在核電站服役的過(guò)程中，由于一些特殊原因，如螺栓孔螺紋損壞等導(dǎo)致螺栓孔擴(kuò)孔而采用M56螺栓。此時(shí)采用常規(guī)的超聲檢測(cè)方法無(wú)法完全覆蓋螺栓檢驗(yàn)區(qū)，所以本文針對(duì)M56螺栓采用不同角度不同頻率的超聲探頭進(jìn)行試驗(yàn)，以尋找一種最佳的超聲檢驗(yàn)技術(shù)，同時(shí)確定超聲檢驗(yàn)不可達(dá)區(qū)范圍，進(jìn)而對(duì)不可達(dá)區(qū)輔以滲透、目視等其他無(wú)損檢驗(yàn)方法以確保完全覆蓋整個(gè)螺栓檢驗(yàn)區(qū)，達(dá)到客觀(guān)地評(píng)價(jià)螺栓的質(zhì)量，從而保證核電站的安全。

1 方法論述

1.1 超聲檢驗(yàn)基本原理

超聲波是一種機(jī)械波，傳播的必要條件是振源和傳播介質(zhì)。振源發(fā)出聲波，經(jīng)過(guò)傳播介質(zhì)（即被檢物體）傳播，再返回傳感器，通過(guò)接收回波的大小、位置來(lái)判斷有無(wú)缺陷及缺陷的嚴(yán)重程度。[2]

超聲檢測(cè)（Ultrasonic Testing），業(yè)內(nèi)人士簡(jiǎn)稱(chēng)UT，是工業(yè)無(wú)損檢測(cè)（Nondestructive Testing）中應(yīng)用最廣泛、使用頻率最高且發(fā)展較快的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

超聲檢測(cè)分類(lèi)方式有多種。

（1）按原理分類(lèi)：超聲波脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法和共振法。

（2）按顯示方式分類(lèi)：A型顯示、超聲成像顯示（B、C、D、S、P型等）。

A型顯示的超聲波脈沖反射法工作原理：聲源產(chǎn)生的脈沖波進(jìn)入到工件中，超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播。當(dāng)遇到兩側(cè)聲阻抗有差異的界面時(shí)（聲阻抗存在差異往往是因?yàn)椴牧现心撤N不連續(xù)性造成，如裂紋、氣孔、夾渣等）部分聲波被反射，檢測(cè)設(shè)備接受和顯示：分析聲波幅度和位置等信息，評(píng)估缺陷是否存在或存在缺陷的大小位置等。

1.2 M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)

如圖1所示，M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)為A端M56螺紋區(qū)﹑M48螺紋區(qū)以及兩者之間的光桿區(qū)（圖中斜線(xiàn)區(qū)）。M48螺栓采用10Z10N探頭從A﹑B端面即可覆蓋整個(gè)檢驗(yàn)區(qū)。而M56螺栓則存在不可達(dá)區(qū)。

1.3 超聲檢驗(yàn)試驗(yàn)方案

螺栓檢測(cè)一般采用將直探頭放在螺栓端面上探測(cè)，必要時(shí)可采用各種角度斜探頭加以驗(yàn)證。縱波斜探頭一般適用于柔性有中心孔螺栓的本側(cè)探傷，橫波斜探頭主要用于柔性有中心孔螺栓的對(duì)側(cè)[3]。本次超聲試驗(yàn)采用A型脈沖反向超聲波探傷儀，型號(hào)為CTS-4020，探頭選用縱波直探頭﹑小角度縱波斜探頭和橫波斜探頭。縱波直探頭選用10Z10N，小角度縱波斜探頭選用4°﹑7°以及8.5°，頻率均為5MHz，橫波斜探頭選用70°89，頻率為4MHz。

（1）從A端面采用縱波直探頭以及不同小角度縱波斜探頭進(jìn)行試驗(yàn)，確定不可達(dá)區(qū)以及超聲反射信號(hào)，不可達(dá)區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

從表1可以看出，從A端面無(wú)論采用縱波直探頭還是小角度縱波斜探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)都無(wú)法完全覆蓋M56螺紋區(qū)，相比較而言采用7°和8.5°探頭的不可達(dá)區(qū)較小，均為9 mm，但7°相對(duì)于8.5°在不可達(dá)區(qū)邊緣的聲壓弱很多，信號(hào)反射強(qiáng)度也弱很多。

（2）從M56和M48螺紋區(qū)之間的光桿區(qū)采用斜探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

①通過(guò)CAD計(jì)算可以看出，要想完全覆蓋M56螺紋區(qū)，在光桿區(qū)采用斜探頭的角度應(yīng)≥69°。

②選用70°4MHz 8ⅹ9橫波探頭進(jìn)行仿真，聲束方向（如圖1）和聲場(chǎng)仿真如圖（如圖2）。

從圖（2）可以看出，70°探頭雖然可以覆蓋M56螺紋區(qū)，但由于螺栓中心直徑Φ4的中心孔，超聲波在中心孔的弧面上發(fā)生散射，導(dǎo)致在M56靠近A端面螺紋的聲壓明顯減弱。

之后在參考試塊的M56螺紋區(qū)制作寬為0.2 mm，深為1 mm的刻槽，選用弧面探頭MWB70-4在參考試塊上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)70°探頭對(duì)刻槽的反射信號(hào)比螺紋反射信號(hào)稍高，但很難分辨，不足以清晰的識(shí)別缺陷。所以采用光桿區(qū)橫波斜探頭也無(wú)法完全覆蓋M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)，仍存在不可達(dá)區(qū)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）從端面采用小角度斜探頭無(wú)法完全覆蓋M56檢驗(yàn)區(qū)，相比較而言采用8.5°小角度探頭所覆蓋的區(qū)域最大，信號(hào)反射效果最佳。

（2）從光桿區(qū)增加大角度斜探頭無(wú)法覆蓋不可達(dá)區(qū)，且由于螺栓中心孔的干擾，導(dǎo)致聲壓明顯減弱，而螺紋的反射信號(hào)也非常明顯，導(dǎo)致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺紋反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）針對(duì)M56螺栓檢測(cè)，單獨(dú)通過(guò)超聲檢驗(yàn)方式無(wú)法完全覆蓋檢驗(yàn)區(qū)，必須輔以其他無(wú)損檢測(cè)方法。

3 結(jié)論

綜上所述，M56螺栓檢測(cè)方法可以先采用縱波直探頭從A﹑B端面進(jìn)行掃查，再采用8.5°小角度斜探頭從A端面對(duì)M56螺紋區(qū)進(jìn)行掃查，最后對(duì)M56螺紋區(qū)不可達(dá)區(qū)輔以目視和滲透的補(bǔ)充檢測(cè)。同時(shí)超聲檢測(cè)時(shí)靠近A端面處M56螺紋反射信號(hào)明顯減弱，所以輔以目視和滲透補(bǔ)充檢測(cè)時(shí)要對(duì)不可達(dá)區(qū)的范圍適當(dāng)擴(kuò)大，以防漏檢。通過(guò)超聲、目視和滲透多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)的完全覆蓋，從而保證螺栓的質(zhì)量，保證核電站的安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 代利軍.超聲波檢測(cè)主螺栓裂紋波與假信號(hào)識(shí)別[J].無(wú)損探傷，2004（8）.

[2] 劉秀麗.超聲波檢測(cè)螺栓頭下裂紋的檢測(cè)概率曲線(xiàn)測(cè)定[J].機(jī)械強(qiáng)度，2002，24（4）：626-627.

[3] 電力行業(yè)電站金屬材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).DL/T 694-2012高溫緊固螺栓超聲檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)致[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

（2）從M56和M48螺紋區(qū)之間的光桿區(qū)采用斜探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

①通過(guò)CAD計(jì)算可以看出，要想完全覆蓋M56螺紋區(qū)，在光桿區(qū)采用斜探頭的角度應(yīng)≥69°。

②選用70°4MHz 8ⅹ9橫波探頭進(jìn)行仿真，聲束方向（如圖1）和聲場(chǎng)仿真如圖（如圖2）。

從圖（2）可以看出，70°探頭雖然可以覆蓋M56螺紋區(qū)，但由于螺栓中心直徑Φ4的中心孔，超聲波在中心孔的弧面上發(fā)生散射，導(dǎo)致在M56靠近A端面螺紋的聲壓明顯減弱。

之后在參考試塊的M56螺紋區(qū)制作寬為0.2 mm，深為1 mm的刻槽，選用弧面探頭MWB70-4在參考試塊上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)70°探頭對(duì)刻槽的反射信號(hào)比螺紋反射信號(hào)稍高，但很難分辨，不足以清晰的識(shí)別缺陷。所以采用光桿區(qū)橫波斜探頭也無(wú)法完全覆蓋M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)，仍存在不可達(dá)區(qū)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）從端面采用小角度斜探頭無(wú)法完全覆蓋M56檢驗(yàn)區(qū)，相比較而言采用8.5°小角度探頭所覆蓋的區(qū)域最大，信號(hào)反射效果最佳。

（2）從光桿區(qū)增加大角度斜探頭無(wú)法覆蓋不可達(dá)區(qū)，且由于螺栓中心孔的干擾，導(dǎo)致聲壓明顯減弱，而螺紋的反射信號(hào)也非常明顯，導(dǎo)致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺紋反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）針對(duì)M56螺栓檢測(cè)，單獨(dú)通過(guò)超聲檢驗(yàn)方式無(wú)法完全覆蓋檢驗(yàn)區(qū)，必須輔以其他無(wú)損檢測(cè)方法。

3 結(jié)論

綜上所述，M56螺栓檢測(cè)方法可以先采用縱波直探頭從A﹑B端面進(jìn)行掃查，再采用8.5°小角度斜探頭從A端面對(duì)M56螺紋區(qū)進(jìn)行掃查，最后對(duì)M56螺紋區(qū)不可達(dá)區(qū)輔以目視和滲透的補(bǔ)充檢測(cè)。同時(shí)超聲檢測(cè)時(shí)靠近A端面處M56螺紋反射信號(hào)明顯減弱，所以輔以目視和滲透補(bǔ)充檢測(cè)時(shí)要對(duì)不可達(dá)區(qū)的范圍適當(dāng)擴(kuò)大，以防漏檢。通過(guò)超聲、目視和滲透多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)的完全覆蓋，從而保證螺栓的質(zhì)量，保證核電站的安全。

參考文獻(xiàn)

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[2] 劉秀麗.超聲波檢測(cè)螺栓頭下裂紋的檢測(cè)概率曲線(xiàn)測(cè)定[J].機(jī)械強(qiáng)度，2002，24（4）：626-627.

[3] 電力行業(yè)電站金屬材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).DL/T 694-2012高溫緊固螺栓超聲檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)致[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

（2）從M56和M48螺紋區(qū)之間的光桿區(qū)采用斜探頭進(jìn)行試驗(yàn)。

①通過(guò)CAD計(jì)算可以看出，要想完全覆蓋M56螺紋區(qū)，在光桿區(qū)采用斜探頭的角度應(yīng)≥69°。

②選用70°4MHz 8ⅹ9橫波探頭進(jìn)行仿真，聲束方向（如圖1）和聲場(chǎng)仿真如圖（如圖2）。

從圖（2）可以看出，70°探頭雖然可以覆蓋M56螺紋區(qū)，但由于螺栓中心直徑Φ4的中心孔，超聲波在中心孔的弧面上發(fā)生散射，導(dǎo)致在M56靠近A端面螺紋的聲壓明顯減弱。

之后在參考試塊的M56螺紋區(qū)制作寬為0.2 mm，深為1 mm的刻槽，選用弧面探頭MWB70-4在參考試塊上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)70°探頭對(duì)刻槽的反射信號(hào)比螺紋反射信號(hào)稍高，但很難分辨，不足以清晰的識(shí)別缺陷。所以采用光桿區(qū)橫波斜探頭也無(wú)法完全覆蓋M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)，仍存在不可達(dá)區(qū)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）從端面采用小角度斜探頭無(wú)法完全覆蓋M56檢驗(yàn)區(qū)，相比較而言采用8.5°小角度探頭所覆蓋的區(qū)域最大，信號(hào)反射效果最佳。

（2）從光桿區(qū)增加大角度斜探頭無(wú)法覆蓋不可達(dá)區(qū)，且由于螺栓中心孔的干擾，導(dǎo)致聲壓明顯減弱，而螺紋的反射信號(hào)也非常明顯，導(dǎo)致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺紋反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）針對(duì)M56螺栓檢測(cè)，單獨(dú)通過(guò)超聲檢驗(yàn)方式無(wú)法完全覆蓋檢驗(yàn)區(qū)，必須輔以其他無(wú)損檢測(cè)方法。

3 結(jié)論

綜上所述，M56螺栓檢測(cè)方法可以先采用縱波直探頭從A﹑B端面進(jìn)行掃查，再采用8.5°小角度斜探頭從A端面對(duì)M56螺紋區(qū)進(jìn)行掃查，最后對(duì)M56螺紋區(qū)不可達(dá)區(qū)輔以目視和滲透的補(bǔ)充檢測(cè)。同時(shí)超聲檢測(cè)時(shí)靠近A端面處M56螺紋反射信號(hào)明顯減弱，所以輔以目視和滲透補(bǔ)充檢測(cè)時(shí)要對(duì)不可達(dá)區(qū)的范圍適當(dāng)擴(kuò)大，以防漏檢。通過(guò)超聲、目視和滲透多種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)M56螺栓檢驗(yàn)區(qū)的完全覆蓋，從而保證螺栓的質(zhì)量，保證核電站的安全。

參考文獻(xiàn)

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[2] 劉秀麗.超聲波檢測(cè)螺栓頭下裂紋的檢測(cè)概率曲線(xiàn)測(cè)定[J].機(jī)械強(qiáng)度，2002，24（4）：626-627.

[3] 電力行業(yè)電站金屬材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).DL/T 694-2012高溫緊固螺栓超聲檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)致[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.