核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置設(shè)計研究

周文+辛露+朱良

【摘 要】核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫關(guān)系著核反應(yīng)核反應(yīng)堆壓力容器安全運行，為有效避免安全事故的發(fā)生，必須對該類焊縫進行無損檢測。其他常規(guī)無損檢測方法相比，超聲檢測具有檢測成本低、速度快、靈敏度高、儀器輕、對現(xiàn)場環(huán)境要求低等優(yōu)點。然而，核容器及體環(huán)焊縫的役前和在役檢測的工作量巨大，工作環(huán)境及其惡劣，要求檢測裝置需具備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、穩(wěn)定性好等特點。為此，本文提出了一種核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置，其能夠按照相關(guān)檢查規(guī)范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了放射性射線對人體的照射，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。

【關(guān)鍵詞】核反應(yīng)堆壓力容器；環(huán)焊縫；超聲檢查裝置

0 引言

筒體環(huán)焊縫屬于一回路系統(tǒng)無損檢測主要對象之一，根據(jù)無損檢查規(guī)范要求，需要對此焊縫進行超聲檢測，超聲波檢測具有明顯的優(yōu)勢，一方面由于其經(jīng)濟實用、操作簡便，在鑄件生產(chǎn)廠家中廣泛應(yīng)用；另一方面，由于超聲波檢測定量定位相對準(zhǔn)確、直觀，在質(zhì)量控制過程中應(yīng)用廣泛[1]。

反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查主要受到堆焊層、奧氏體焊縫存在的粗大柱狀晶組織以及焊縫附近復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)形狀等因素的影響。超聲波在該焊縫中傳播時在奧氏體晶界面發(fā)生嚴(yán)重的散射以及波型轉(zhuǎn)換，引起超聲波嚴(yán)重衰減，信噪比顯著下降。奧氏體晶粒的各向異性引起聲束彎曲，造成缺陷定位不準(zhǔn)等問題[2]。同時在核電工業(yè)的安全運營中，核容器及體環(huán)焊縫的役前和在役檢測至關(guān)重要，其巨大的工作量及其惡劣的工作環(huán)境要求檢測裝置需具備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、穩(wěn)定性好且質(zhì)量輕等特點[3]。

1 檢查對象介紹

核電站壓力容器（圖1）是核反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的核心部件之一，它由法蘭環(huán)、筒身段、進出水口接管等筒體組合件、頂蓋組合件、底封頭以及法蘭密封結(jié)構(gòu)組成，其中筒體環(huán)焊縫是指法蘭環(huán)與筒身段之間的連接焊縫以及筒身段自身之間的連接焊縫。壓力容器結(jié)構(gòu)如下圖1所示，不同的堆型，其筒體焊縫數(shù)量也不同，一般由上筒體環(huán)焊縫和下筒體環(huán)縫兩條筒體環(huán)焊縫兩條焊縫組成。

圖1 壓力容器示意圖

1.法蘭環(huán)；2.上筒體環(huán)焊縫；3.筒體；4.下筒體環(huán)焊縫；5.底封頭

筒體焊縫屬于一回路高劑量區(qū)，檢查時，其容器內(nèi)充滿放射性去離子水，要想對此處焊縫進行超聲檢查，手動超聲難度較大。為提高其超聲檢查的可靠性和檢查效率，本文提出了一種核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置，其能夠按照相關(guān)檢查規(guī)范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了人體受放射性射線照射，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性，為核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查帶來幫助。

2 核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置整體設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

筒體掃查工具安裝于壓力容器檢查設(shè)備上，壓力容器檢查設(shè)備安裝于壓力容器法蘭面，此設(shè)備有沿壓力容器軸向上下升降的升降軸，同時還有一個沿壓力容器軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，筒體掃查工具安裝示意如圖1所示，筒體掃查分為軸向掃查與周向掃查兩種掃查，即筒體掃查軸與旋轉(zhuǎn)軸交替為掃查軸，另一個為步進軸。

核電站核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置主要由直線伸縮部件、底板組件、托盤組件組成，直線伸縮部件由彈簧繩、外套筒、伸縮氣缸、徑向?qū)к?、?nèi)套筒、徑向滑塊等零部件構(gòu)成。在徑向?qū)к壓蛷较蚧瑝K的限制下，氣缸的伸縮可以帶動內(nèi)套筒前后伸縮，底板組件安裝于內(nèi)套筒上，故設(shè)備安裝過程中，氣缸處于收回狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備抵達筒體焊縫附近時，氣缸處于伸出狀態(tài)，此時，探頭托盤緊貼壓力容器內(nèi)表面，實現(xiàn)探頭在壓力容器內(nèi)表面貼合掃查。

底板組件由滾珠絲杠、螺母座、軸向滑塊、軸向?qū)к?、驅(qū)動元件、底板等零部件組成。驅(qū)動元件運動可以帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，同時在軸向?qū)к壓洼S向滑塊限制下，絲杠旋轉(zhuǎn)可以帶動螺母座上下運動，而托盤組件安裝于螺母座上，最終實現(xiàn)托盤探頭的上下運動。

9.滾珠絲杠；12.軸向滑塊；13.軸向?qū)к墸?4.螺母座

2.2 整個掃查裝置系統(tǒng)介紹

壓力容器檢查系統(tǒng)包括機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)、機械系統(tǒng)及超聲系統(tǒng)遠程控制流程如圖5所示，控制電腦控制設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，最終帶動探頭托盤滿足軸向與周向檢查，探頭的信號會傳給超聲儀，最終超聲儀的信號會經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸給采集電腦，完成數(shù)據(jù)采集與分析工作。除了此三套系統(tǒng)外，還有一個視頻系統(tǒng)，對整個掃查過程中運動過程進行監(jiān)控，目的防止探頭托盤與障礙物碰撞，視頻系統(tǒng)中攝像頭通過電纜將圖象傳給視頻控制器，視頻控制器再將圖象傳給監(jiān)控電腦。筒體掃查裝置只是壓力容器檢查系統(tǒng)的一個運動軸，壓力容器檢查系統(tǒng)是由多個這樣的子系統(tǒng)組成。

圖5 遠程控制流程

3 主要技術(shù)特點

3.1 直線伸縮組件研究

直線伸縮技術(shù)由內(nèi)套筒、外套筒、伸縮氣缸、徑向?qū)к?、徑向滑塊等零部件組成，在導(dǎo)軌滑塊副的限制下，伸縮氣缸伸出與收回能實現(xiàn)底板伸出與收回功能，在掃查過程中，該氣缸又具有緩沖作用，保證在掃查過程中托盤始終貼合良好；采用氣缸作為執(zhí)行單元，成功替代傳統(tǒng)電機驅(qū)動絲杠螺母副的直線運動單元與托盤前端恒力彈簧自緩沖掃查機構(gòu)，簡化了機械結(jié)構(gòu)的同時，減少了自緩沖結(jié)構(gòu)，使得前端托盤組件占用壓力容器徑向尺寸更小，伸縮臂的伸縮行程變的更大，從而更能滿足壓力容器內(nèi)徑變化大的堆型。

3.2 出現(xiàn)故障時，直線伸縮組件如何具備出水狀態(tài)的研究

防意外自動拉回技術(shù)由彈簧繩實現(xiàn)，當(dāng)伸縮氣缸出現(xiàn)意外而無法收回時，彈簧繩靠自身彈簧力作用可以將底板拉至收回狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備處于收回狀態(tài)時，才能具備設(shè)備出水條件，當(dāng)彈簧繩自身彈力與伸縮氣缸均無法收回時，可以借助長桿的作用，拉扯兩個導(dǎo)向輪間的彈簧繩，使得底板組件在外力的作用下，被外力強行拉至收回狀態(tài)，使其具備設(shè)備出水狀態(tài)。

3.3 托盤在水下如何實現(xiàn)軸向掃查與周向掃查的研究

由于掃查過程包括軸向和周向兩個掃查方向，因此，在一次裝夾下，完成一個方向掃查后需要將托盤旋轉(zhuǎn)九十度來實現(xiàn)另一方向掃查，為了減少更換托盤次數(shù)，提高掃查效率，減少人體被照射劑量，該裝置中設(shè)計了旋轉(zhuǎn)氣缸可以實現(xiàn)這一功能。選擇旋轉(zhuǎn)氣缸的原因是簡單可靠，且控制方便，氣管比電纜也更輕便，利于維護。

3.4 掃查組件研究

掃查組件的運動好壞直接影響其掃查結(jié)果，因此，此掃查軸設(shè)計時，采用電機作為執(zhí)行單元，目的是為了記錄掃查過程中托盤位置，且能將此位置發(fā)送至超聲儀，然后由執(zhí)行單元帶動絲杠螺母副工作，在導(dǎo)軌滑塊副的限制下，執(zhí)行單元的正反旋轉(zhuǎn)帶動托盤組件沿絲杠軸向上下升降運動，最終保證運動過程勻速可調(diào)。

4 檢查裝置調(diào)試及現(xiàn)場應(yīng)用

檢查裝置多次在實驗大廳和現(xiàn)場完成調(diào)試，調(diào)試過程中運行平穩(wěn)，狀態(tài)良好，模擬掃查過程均能滿足現(xiàn)場檢查要求。目前已經(jīng)完成了多次役前及在役檢查，通過改變后端伸縮部件的行程，可以滿足各種不同直徑的壓力容器掃查。

5 結(jié)語

本文提出了一種核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置，具有防意外自動收回技術(shù)、托盤可旋轉(zhuǎn)技術(shù)、掃查過程中上下移動技術(shù)、直線伸縮技術(shù)等技術(shù)特點，其能夠按照相關(guān)檢查規(guī)范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了人體放受射性射線照射，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可靠性。為核反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查帶來幫助。

【參考文獻】

[1]曾偉，楊先明，王海濤，等.激光超聲技術(shù)及其應(yīng)用[J].無損檢測，2013，35（12）：49-51.

[2]王俊濤，王龍，陳姝，張軍.反應(yīng)堆壓力容器接管安全端超聲檢查裝置設(shè)計研究[J].機械工程師，2015，1：71-73.

[3]蘇會.石油鉆機鋼結(jié)構(gòu)焊縫的無損檢測應(yīng)用研究[D].東北石油大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯：湯靜]