改進(jìn)型壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓自動(dòng)超聲檢測(cè)方法

陳智聰，楊建華，劉書(shū)紅

（中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215004）

RSEM壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在設(shè)檢查規(guī)范中已提出超聲波檢測(cè)反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓的可行性和必要性。反應(yīng)堆壓力容器是核電廠和核動(dòng)力裝置中的核心設(shè)備部件，反應(yīng)堆壓力容器的質(zhì)量是保證核電設(shè)備和核動(dòng)力裝置正常安全運(yùn)行的關(guān)鍵。反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓是連接壓力容器殼體和頂蓋的重要部件，為防止核放射性物質(zhì)的外逸、保障反應(yīng)堆壓力容器正常工作起著十分重要的作用。在核電廠和核動(dòng)力裝置的檢驗(yàn)規(guī)范和大綱中，對(duì)反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓提出了無(wú)損檢測(cè)的強(qiáng)制性要求，并指定分別在投入使用前和運(yùn)行一定時(shí)間時(shí)對(duì)封頭螺栓實(shí)施役前及在役檢查。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則RSEM規(guī)定，對(duì)反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓的無(wú)損檢測(cè)主要采用超聲波和渦流檢測(cè)技術(shù)。改進(jìn)型壓水堆的最大特點(diǎn)是加大反應(yīng)堆的熱功率以及增加安全系統(tǒng)的冗余度和多樣性。設(shè)計(jì)理念是成熟的，并加大了反應(yīng)堆的尺寸，主要設(shè)備（反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、蒸汽發(fā)生器和主冷卻劑泵等）都加大了容量和尺寸，其中封頭螺栓的加長(zhǎng)加大，增加了檢驗(yàn)中對(duì)設(shè)備和探頭的性能要求，筆者重點(diǎn)介紹對(duì)改進(jìn)型壓水堆核反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓實(shí)施的超聲波檢測(cè)技術(shù)。

1 檢測(cè)部位和檢測(cè)要求

改進(jìn)型壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓材料為40NCDV7.03，規(guī)格為M 210mm×6mm，檢驗(yàn)范圍包括螺栓的螺紋區(qū)及上、下螺紋區(qū)之間的光桿區(qū)，具體檢測(cè)部位如圖1［1］所示。反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓超聲波檢測(cè)的目的，是探測(cè)螺紋部位是否有明顯的由腐蝕或者撕裂等引起的金屬損傷，鄰近螺栓螺紋根部以及光桿的外表面或光桿與螺紋連接區(qū)外層金屬中是否存在裂紋。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓檢測(cè)部位示意

2 封頭螺栓超聲檢查設(shè)備

改進(jìn)型壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓超聲波檢測(cè)采用自動(dòng)化超聲波檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)儀器分為機(jī)械、電氣控制以及超聲波信號(hào)采集等裝置，并具有專門的超聲波數(shù)據(jù)分析軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波數(shù)據(jù)的精確分析。

改進(jìn)型壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓的超聲波檢測(cè)設(shè)備由兩部分組成，即機(jī)械運(yùn)動(dòng)（SUIP掃查器）和電氣控制（CBUS）。機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分由驅(qū)動(dòng)單元和掃查單元組成：驅(qū)動(dòng)單元直接放置在受檢螺栓的頂端，用于驅(qū)動(dòng)掃查單元；掃查單元裝有超聲探頭，超聲探頭插入封頭螺栓的中心孔中，在驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)封頭螺栓進(jìn)行掃查檢測(cè)。電氣控制部分用以控制驅(qū)動(dòng)單元完成探頭在螺栓中心孔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，控制軟件的界面如圖2所示。通過(guò)設(shè)置一定的路徑和掃查方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)封頭螺栓的檢驗(yàn)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)和電氣控制部分的定位精度可達(dá)0.5mm。

圖2 電氣控制部分控制面板

2.1 超聲波采集系統(tǒng)

超聲波采集裝置即超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是采用客戶機(jī)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化超聲波數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；系統(tǒng)主要由硬件超聲波板卡、硬件控制部分（服務(wù)器）以及軟件（客戶端）三部分組成。其中硬件系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器／接收器模塊（PR）、采集模塊（AM）及由網(wǎng)絡(luò)同AM鏈接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。整個(gè)系統(tǒng)按照功能可以分成標(biāo)定、計(jì)劃、采集和評(píng)價(jià)四個(gè)模塊［2］，其中標(biāo)定模塊主要包括探頭設(shè)置、A／D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理三個(gè)子模塊的控制實(shí)現(xiàn)；計(jì)劃模塊主要包括被檢對(duì)象設(shè)定、掃查軸設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄參數(shù)設(shè)定、掃查軌跡設(shè)定等子模塊功能；采集模塊可以在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所記錄和存儲(chǔ)的掃查區(qū)域的超聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在主界面上選擇A，B，C，D掃描；數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模塊結(jié)合A，B，C，D掃描，可實(shí)現(xiàn)三維立體數(shù)據(jù)重建，并能對(duì)采集的超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示信號(hào)相關(guān)性的判定，SUMIAD數(shù)據(jù)采集界面如圖3所示。

圖3 超聲波采集軟件界面

2.2 超聲波數(shù)據(jù)分析軟件

采用MASERA－NT數(shù)據(jù)分析軟件，其主要功能是對(duì)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、定量和測(cè)量。此軟件具有良好的兼容性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)SUMIAD，MIDAS，TOMOSCAN和RDTIFF等多種系統(tǒng)采集的文件進(jìn)行準(zhǔn)確的分析?；竟δ馨ˋ，B，C，D掃描、數(shù)據(jù)循環(huán)和聲線跟蹤分析，還可增加SAFT、信號(hào)處理運(yùn)算、自適應(yīng)分析和三維數(shù)據(jù)重建等；并可以針對(duì)某些行業(yè)用戶的特殊檢測(cè)需求，增加相應(yīng)的專業(yè)化分析和圖形處理的專用數(shù)據(jù)分析軟件。此軟件基于中心軸對(duì)稱、空間重建理論，應(yīng)用笛卡爾坐標(biāo)系或圓柱參考坐標(biāo)系，可對(duì)采集的超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行超聲波檢測(cè)過(guò)程重建；數(shù)據(jù)重建過(guò)程完畢后，通過(guò)一系列的輔助窗口，可以顯示某一個(gè)通道的完整／全部數(shù)據(jù)，并可同時(shí)打開(kāi)多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，以便于不同通道采集的信號(hào)之間的對(duì)比。對(duì)某一關(guān)注區(qū)域進(jìn)行放大或縮小，從而采用尺寸測(cè)量工具對(duì)顯示信號(hào)進(jìn)行精確的尺寸和位置測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可直接生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

3 超聲波檢查技術(shù)

3.1 探頭選擇與掃查方式的確定

根據(jù)RSEM規(guī)范要求［1］，采用45°橫波探頭對(duì)主螺栓進(jìn)行檢驗(yàn)。超聲探頭的頻率一般選擇在0.5～10MHz，它對(duì)檢測(cè)靈敏度、能量、分辨力和聲場(chǎng)覆蓋范圍都有重要的影響，頻率越高，更有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷，分辨力越高，聲束指向性也越好，能量集中，同時(shí)頻率高，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度越大，衰減越大，而且會(huì)形成顯著的反射指向性，對(duì)檢測(cè)不利。結(jié)合實(shí)際母材壁厚和晶粒度，分別選擇頻率為2，2.5，3，4，5MHz的探頭進(jìn)行仿真，以確定最優(yōu)工藝。

圖4為通過(guò)CIVA仿真獲得的45°探頭在工件中產(chǎn)生的聲場(chǎng)，表1為不同頻率探頭的仿真計(jì)算結(jié)果。由表1可知，各探頭在工件中發(fā)射聲場(chǎng)的聲壓極大值點(diǎn)－6dB在工件內(nèi)的深度范圍均為全壁厚，滿足檢驗(yàn)要求；各探頭在工件中發(fā)射聲場(chǎng)的聲壓極大值點(diǎn)－6dB聲束寬度隨著探頭頻率的增大而變窄，能量更加集中，指向性更好；各探頭在工件中發(fā)射聲場(chǎng)的衰減會(huì)隨著探頭頻率的增大而增加。

圖4 45°探頭的發(fā)射聲場(chǎng)示意圖

表1 超聲探頭發(fā)射聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖5為通過(guò)CIVA仿真軟件，輸入指定人工缺陷的被檢螺栓參數(shù)、不同的探頭參數(shù)，經(jīng)過(guò)一系列的電腦模仿實(shí)際掃查獲得的主螺栓檢測(cè)結(jié)果。超聲仿真結(jié)果表明，五種頻率的探頭所得到的0.5mm刻槽的響應(yīng)回波與螺紋的響應(yīng)回波之差均大于2dB，其反射體響應(yīng)回波與螺紋響應(yīng)回波之差隨著探頭頻率遞增所形成的變化曲線，如圖6所示。

圖5 45°橫波探頭檢查時(shí)的反射體及底波的超聲仿真

圖6 反射體響應(yīng)回波與螺紋響應(yīng)回波之差隨探頭頻率變化曲線

分析可知，隨著探頭頻率的遞增，分辨力逐漸提高，反射體的檢出能力增強(qiáng)；同時(shí)探頭頻率的遞增會(huì)引起更大的衰減，導(dǎo)致反射體回波與螺紋回波之差逐漸減小。綜合以上兩方面原因，3MHz 45°橫波探頭對(duì)0.5mm刻槽的響應(yīng)幅值與螺紋的響應(yīng)幅值之差最大。

改進(jìn)型壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓超聲波檢測(cè)采用組合式探頭，由兩個(gè)45°探頭組成，從螺栓中心孔掃查，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，探頭頻率選擇為3MHz，探頭采用特殊的設(shè)計(jì)與螺栓內(nèi)孔壁充分接觸，以保證耦合效果，采用去離子水作為耦合劑，軸向掃查，周向步進(jìn)的矩形掃查。對(duì)掃查步進(jìn)要求不能太大，以免漏掉缺陷，RSEM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求記錄0.5mm刻槽的信號(hào)顯示，所以要保證探頭的主聲束至少掃過(guò)0.5mm的刻槽3次，這樣才不會(huì)漏掉標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的記錄要求，但步進(jìn)也不能太小，以免影響檢測(cè)的效率。對(duì)超聲采集速度的選擇要考慮所支持的超聲波采集的硬件。

3.2 封頭螺栓試塊

采用全尺寸壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓，在檢驗(yàn)螺紋區(qū)和光桿區(qū)上分別加工切割槽［3］，槽深分別為0.5，1，2mm，如圖7所示。

圖7 全尺寸壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓參考試塊示意圖

3.3 檢驗(yàn)靈敏度

檢驗(yàn)靈敏度調(diào)節(jié)時(shí)，在保證信噪比的情況下，盡量調(diào)高增益。調(diào)節(jié)增益將探頭分別對(duì)準(zhǔn)弧形V2試塊上100mm弧面，使最大反射回波幅值大于45dB。如果螺栓的螺紋回波幅值大于60dB，則需要降低增益，使螺紋回波最大幅度在滿屏的30%～60%之間。

4 檢測(cè)實(shí)施方法

將螺栓周向設(shè)為步進(jìn)軸x軸，螺栓的永久標(biāo)識(shí)號(hào)設(shè)為x軸的零點(diǎn)，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正（從螺栓頂部往下看）；將螺栓的軸向設(shè)為掃查軸y軸，螺栓下端面設(shè)為y軸的零點(diǎn)，垂直向上的方向?yàn)閥軸正向；探頭連接好置于螺栓中心孔中，使自動(dòng)掃查器下端面與螺栓上端面位于同一水平面，旋轉(zhuǎn)探頭使組合探頭聲束軸線與x軸的零點(diǎn)對(duì)齊；探頭沿螺栓中心孔向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下螺紋信號(hào)結(jié)束時(shí)，記錄下此時(shí)y軸坐標(biāo)l（l＞0），此坐標(biāo)設(shè)為檢查時(shí)y軸的下限位，其上限位為下面的探頭對(duì)螺栓上部螺紋掃查時(shí)螺紋信號(hào)消失的位置。x軸的上下限位為0°～363°（為了保證充分的覆蓋，多掃3°），設(shè)定x軸運(yùn)動(dòng)速度7°／s，設(shè)定y軸運(yùn)動(dòng)速度25mm／s。根據(jù)掃查計(jì)劃，啟動(dòng)CBUS和SUMIAD采集軟件，實(shí)施對(duì)封頭螺栓的掃查。

5 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)加工的全尺寸改進(jìn)型壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓進(jìn)行自動(dòng)超聲檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)12處缺陷信號(hào)，與加工圖紙完全符合（缺陷信號(hào)如圖8所示）。

圖8 缺陷信號(hào)顯示結(jié)果

6 結(jié)論

對(duì)改進(jìn)型壓水堆反應(yīng)堆壓力容器封頭螺栓進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，通過(guò)優(yōu)化機(jī)械和控制系統(tǒng)、掃查方式、缺陷的檢測(cè)和定量、信號(hào)的采集和分析，應(yīng)用超聲仿真合理選擇超聲波探頭參數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)掃查可檢測(cè)出深0.5mm刻槽的信號(hào)顯示，滿足RSEM標(biāo)準(zhǔn)要求，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)可靠有效。

［1］In－service inspection rules for the mechanical components of PWR nuclear islands［S］.RSEM 2010.

［2］李明，陳懷東，肖學(xué)柱，等.核電站反應(yīng)堆壓力容器超聲檢查技術(shù)及裝備研究［C］.電力系統(tǒng)第十一屆無(wú)損檢測(cè)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，西寧：中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)火力發(fā)電分會(huì)，2009：71－82.

［3］金麗蓉.承壓螺栓超聲檢查波形分析［J］.核動(dòng)力工程，1995，15（5）：390－393.