壓力容器主螺栓渦流檢測本底噪聲來源分析

魯萬乾，劉 聰

（海南核電有限公司，海南昌江 572723）

壓力容器主螺栓渦流檢測本底噪聲來源分析

魯萬乾，劉 聰

（海南核電有限公司，海南昌江 572723）

分析某反應(yīng)堆壓力器主螺栓不同階段的渦流檢測信號特點(diǎn)及幅值變化趨勢，并根據(jù)螺栓加工工藝及噪聲變化趨勢，初步判斷噪聲信號可能與螺栓加工過程留下的殘余應(yīng)力和局部粗糙度差異有關(guān)。

反應(yīng)堆壓力容器；主螺栓；渦流；噪聲

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.69

0 前言

反應(yīng)堆壓力容器主螺栓是連接壓力容器筒體和頂蓋的重要核一級部件，根據(jù)RSE-M規(guī)范要求，核電廠必須在役前及每十年的全面在役檢查期間對反應(yīng)堆壓力容器主螺栓進(jìn)行檢查，以確保一回路壓力邊界完整性。主螺栓檢查主要包括渦流（ET）和超聲（UT）檢測，超聲是通過中心孔和端面進(jìn)行體積檢測，渦流主要對螺紋根部的缺陷進(jìn)行表面檢測[1]。

某核電廠1#機(jī)組役前檢查期間對壓力容器主螺栓進(jìn)行渦流、超聲及目視（VT）檢測，發(fā)現(xiàn)在56根主螺栓中有49根檢測出109處達(dá)到記錄標(biāo)準(zhǔn)的渦流信號顯示，其中 35處為目視可見的輕微螺紋齒頂磕傷、磨損等，其余74處渦流信號顯示部位未觀察到可見缺陷。對上述螺栓超聲檢查并未發(fā)現(xiàn)缺陷信號。檢測人員判斷這些信號為本底噪聲信號。為進(jìn)一步查明產(chǎn)生本底噪聲的原因，電廠在1#機(jī)組熱態(tài)功能試驗(yàn)后和首次大修期間對上述56根主螺栓進(jìn)行渦流復(fù)檢，并選取了螺栓備件進(jìn)行退磷前后的渦流對比檢測，以進(jìn)一步分析渦流噪聲信號的來源。

1 渦流噪聲基本情況

1.1 渦流噪聲信號的變化趨勢

該電廠1#機(jī)組主螺栓共實(shí)施了3次全面渦流及超聲檢驗(yàn)，分別是：水壓試驗(yàn)后的役前檢查、熱態(tài)功能試驗(yàn)后補(bǔ)充檢查和首次大修期間的首次在役檢查，其中役前檢查階段，還對1#機(jī)組8根未經(jīng)使用的備用主螺栓進(jìn)行了渦流和超聲檢驗(yàn)，在其中5根主螺栓上檢測出9處達(dá)到記錄標(biāo)準(zhǔn)的信號顯示。3次檢測中56根主螺栓超聲檢測均未發(fā)現(xiàn)可記錄信號，渦流及補(bǔ)充目視檢測發(fā)現(xiàn)可記錄渦流信號數(shù)量見表1。

表1 56根主螺栓渦流及目視檢測結(jié)果

圖1 部分螺栓3次檢測信號幅值

上述檢測結(jié)果表明，噪聲信號數(shù)量呈下降趨勢。對大部分螺栓3次檢測的噪聲信號進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，噪聲信號位置基本一致，但信號幅值整體下降明顯。噪聲數(shù)量下降的原因在于部分噪聲幅值下降到記錄標(biāo)準(zhǔn)以下。3次檢測信號幅值（渦流檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對比）變化趨勢如圖1所示。

1.2 渦流噪聲信號的特征

由于渦流檢測采用幅值法對螺紋根部表面及近表面缺陷進(jìn)行檢測，無法對缺陷進(jìn)行定性，因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑信號時(shí)需采用滲透、目視等方法進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)[1]。對目視檢驗(yàn)未見異常信號，檢驗(yàn)人員將其判斷為噪聲信號的重要依據(jù)之一是信號相位角。根據(jù)戴威等人的研究，發(fā)現(xiàn)齒頂材料缺損引起的渦流信號相位角與人工傷相位角比較接近[2]。通常，模擬裂紋的人工槽的相位角為90°左右，而噪聲信號的相位角與其相差180°左右。1#機(jī)組的主螺栓渦流噪聲信號均具有類似特征。

采用標(biāo)定螺栓對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，首先將本底噪聲信號調(diào)水平，然后將1 mm深人工槽信號設(shè)置為10 V，此時(shí)3個(gè)寬度為0.1 mm深度不同的人工缺陷信號均豎起，相位角在90°左右，表2為隨機(jī)選取某次標(biāo)定螺栓人工槽信號的幅值及相位，圖2分別為其李沙育圖。

表2 標(biāo)定螺栓人工槽幅值及相位

圖2 標(biāo)定螺栓3個(gè)人工槽信號李沙育圖

人工槽缺陷相位角在90°左右，實(shí)際材料缺損型缺陷由于形狀不規(guī)則，一般不超過20°～160°的范圍。以12號主螺栓齒頂磨損為例，測得該顯示幅值為7.19 V，相位角為67°，其渦流信號李沙育圖如圖2.3。從幅值角度看，該顯示的幅值＞0.5 mm人工缺陷幅值＜1 mm人工缺陷幅值，從相位角來看，該顯示接近0.5 mm人工缺陷的相位角。結(jié)合幅值和相位角分析，該顯示符合點(diǎn)式探頭缺陷的特性，目視檢驗(yàn)可見齒頂有明顯磨損（圖3），這與戴威等人的研究一致。

圖3 12號主螺栓齒頂磨損李沙育圖及主螺栓齒頂磨損照片

然而噪聲信號相位角與人工傷及齒頂磨損信號相位角差異較大，以38號主螺栓的上部螺紋區(qū)為例，其整個(gè)上部螺紋區(qū)均出現(xiàn)渦流本底噪聲偏大的現(xiàn)象，噪聲信號幅值在5～8 V，相位角在280°～295°。從幅值上看，這些顯示＞0.5 mm人工缺陷信號但＜1 mm 人工缺陷信號，相位與人工缺陷的相差190°左右。圖4為隨機(jī)測量3個(gè)位置的渦流信號李沙育圖。

圖4 38號主螺栓上部3處隨機(jī)噪聲信號的李沙育圖

根據(jù)上述相位角差異，結(jié)合主螺栓噪聲信號部位目視檢驗(yàn)和超聲檢驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)異常，可以判斷噪聲信號不是由類似裂紋、磨損等材料缺陷引起。

2 渦流噪聲原因分析

主螺栓檢驗(yàn)采用單頻渦流檢測技術(shù)，檢驗(yàn)頻率300 kHz，使用的探頭為差分連接的筆式點(diǎn)探頭，并采用幅值分析法判斷缺陷信號是否達(dá)到記錄閾值。對于該技術(shù)產(chǎn)生渦流噪聲信號的因素主要有兩類。一是金屬材料表面結(jié)構(gòu)不連續(xù)或電導(dǎo)率不均勻，造成局部電磁特性發(fā)生變化產(chǎn)生噪聲；二是工件表面粗糙導(dǎo)致與渦流探頭的間距變化，從而發(fā)生提離效應(yīng)產(chǎn)生噪聲。其中表面結(jié)構(gòu)不連續(xù)主要表現(xiàn)為材料表面裂紋、凹坑、夾雜、氣孔、突起等；表面電導(dǎo)率不均勻主要由于金屬材料成分不均勻(成分偏析等)、晶粒大小不均勻、局部應(yīng)力分布不均所致[3]。

2.1 表面雜質(zhì)的影響

理論上螺栓表面的雜質(zhì)可能導(dǎo)致渦流探頭與螺栓表面之間的距離波動(dòng)，導(dǎo)致探頭式線圈的提離效應(yīng)。實(shí)際檢查時(shí)局部螺紋表面有雜質(zhì)存在，但并非普遍現(xiàn)象。表面雜質(zhì)分布隨機(jī)，而3次渦流檢查發(fā)現(xiàn)的大部分噪聲信號位置基本一致，并不隨機(jī)，因此可以排除表面雜質(zhì)造成噪聲信號的因素。

2.2 磷化層質(zhì)量

2.2.1 磷化層電導(dǎo)率的影響

磷化層是一種通過化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)在金屬表面形成的致密的磷酸鹽保護(hù)層，主要給基體金屬提供保護(hù)，在一定程度上防止金屬被腐蝕。1#機(jī)組主螺栓采用的是錳基磷化工藝，磷化層主要組成為 (Mn,Fe)5H2(PO4)4·4H2O。此類磷酸鹽為無機(jī)鹽其電導(dǎo)率約為10-7S/m相對碳鋼（106S/m）非常低，幾乎不導(dǎo)電，因此不同區(qū)域磷化層電導(dǎo)率的差異可以忽略不計(jì)。

2.2.2 磷化層粗糙度的影響

磷化過程是復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程，影響因素較多，磷化工藝不當(dāng)很可能造成磷化層質(zhì)量問題，如表面粗糙、附著力不強(qiáng)、結(jié)渣等。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)部分螺栓的螺紋區(qū)存在局部粗糙度差異，這有可能導(dǎo)致提離效應(yīng)，產(chǎn)生噪聲信號。

為確認(rèn)磷化層的影響，電廠選取了1根具有典型噪聲信號的螺栓備件作為試件進(jìn)行退磷、酸洗、重新磷化，并在期間進(jìn)行渦流及磁粉檢測，其對應(yīng)螺紋區(qū)域渦流檢測信號結(jié)果分布如圖5所示。其中，虛線代表1 mm深人工槽對應(yīng)的信號幅值±5 V，縱坐標(biāo)為信號幅值V，橫坐標(biāo)為螺紋區(qū)長度。

圖5 試件下部螺紋區(qū)渦流信號對比

在試件1，2退磷至重新磷化各階段均實(shí)施了磁粉檢測，均未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。退磷后渦流噪聲信號幅值略微減小，數(shù)量和位置未產(chǎn)生變化；重新磷化后，噪聲信號與退磷前相比變化不大。說明磷化層對該噪聲信號影響不大。

2.3 螺栓母材質(zhì)量

2.3.1 螺栓表面不連續(xù)

主螺栓母材表面不連續(xù)表現(xiàn)為表面裂紋、折疊、夾渣等，這些不連續(xù)使局部電導(dǎo)率變化，從而形成渦流噪聲信號。但同步進(jìn)行的超聲檢測并未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、折疊等可疑信號；此外，此類缺陷在使用過程中不會(huì)改變，渦流信號不可能減弱或消失，因此螺栓母材表面不連續(xù)的因素可以排除。

2.3.2 螺栓母材表面晶粒大小不均勻

通常相同的金屬材料經(jīng)過不同的熱處理后晶粒生長情況不同，電導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生變化。因此對于同一個(gè)螺栓如果熱處理時(shí)溫度場不均勻，就有可能導(dǎo)致局部的表面晶粒大小不均，造成電導(dǎo)率異常，從而引起螺栓渦流檢測時(shí)本底噪聲。

1#機(jī)組主螺栓材料為40NCDV07.03合金鋼，在役期間環(huán)境溫度＜320℃，遠(yuǎn)低于熱處理溫度（880℃淬火+620℃回火），晶粒不可能再生長變化，這與噪聲幅值變化趨勢矛盾。因此，母材表面晶粒大小不均不是產(chǎn)生噪聲信號的原因。

2.3.3 表面加工狀態(tài)不一致

從役前檢查期間主螺栓備件檢查結(jié)果可知，導(dǎo)致產(chǎn)生渦流噪聲信號的原因是在加工制造期間形成的。主螺栓精度和粗糙度要求高，長度超過1600 mm，加工難度非常大。螺紋是三角螺紋，螺紋的大徑、中經(jīng)、小徑及螺紋牙頂圓角和牙底圓角要求嚴(yán)格，螺紋表面粗糙度要求Ra0.8。為保證螺栓與螺母的良好配合，必須保證螺紋精度，螺紋副配合間隙0.122～0.317 mm[4]。主螺栓螺紋采用成型刀片車削加工而成，但在加工過程中不可避免在某些部位存在微量的圓度、粗糙度變化，使得探頭與螺紋表面的距離發(fā)生變化。同時(shí)，這些部位由于冷作加工硬化等原因使得螺紋表面應(yīng)力發(fā)生變化并對電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致這些部位可能產(chǎn)生噪聲信號。主螺栓使用過程中螺紋咬合運(yùn)動(dòng)，使得表面粗糙度更加趨于一致；螺紋經(jīng)過拉伸后，前幾圈螺紋承載了大部分載荷[5]，在嚙合部位部分進(jìn)入塑性[6]，一方面使得材料在形狀上得到一定延展，另一方面也使得應(yīng)力得到一定程度釋放。這些因素共同作用可能使噪聲信號幅值降低。因此，螺栓加工過程留下的殘余應(yīng)力和局部粗糙度差異可能產(chǎn)生噪聲信號。

3 結(jié)論

電廠1#機(jī)組主螺栓役前檢查過程中，發(fā)現(xiàn)大量渦流噪聲的信號特征不同于材料缺陷信號，相應(yīng)部位經(jīng)目視及超聲檢測也未發(fā)現(xiàn)材料缺陷。3次不同階段渦流檢測噪聲信號幅值逐漸減弱的趨勢，也佐證了噪聲信號不可能源自材料缺陷。備件螺栓退磷前后的渦流檢查對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磷化層對噪聲影響不大。由于主螺栓備件也存在噪聲信號，可判斷噪聲信號是在加工制造期間形成。根據(jù)對渦流噪聲信號眾多成因的分析排除，結(jié)合對主螺栓加工工藝的理論分析，初步判斷噪聲產(chǎn)生的原因與機(jī)加工過程中產(chǎn)生的局部表面應(yīng)力狀態(tài)、粗糙度差異有關(guān)。

［1］王曉翔，常楠，孫茂榮，張寶軍.反應(yīng)堆壓力容器主螺栓、主螺母渦流檢測技術(shù)［J］.無損探傷，2015,39（1）：25-27.

［2］戴威，王明輝，李術(shù)鴻，等.RPV螺栓螺母渦流檢測信號分析［C］.第十屆無損檢測學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，561-565.

［3］貝雅耀，林戈，宋濤，等.反應(yīng)堆壓力容器螺栓螺母渦流檢驗(yàn)噪聲分析及抑制［J］.無損探傷，2011，35（1）：22-24.

［4］周高斌，羅英，邱天，等.反應(yīng)堆壓力容器螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)與改進(jìn)［J］.壓力容器，2014（3）：70-76.

［5］徐思浩，羅娜.高壓容器主螺栓的有限元應(yīng)力分析［J］.化工設(shè)備與管道，2000，37（4）：8-9.

［6］謝世球，李家訓(xùn).反應(yīng)堆壓力容器主螺栓的選材和研究［J］.壓力容器，1989（2）：35-39.

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〔編輯 吳建卿〕