核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿厚壁管材水浸超聲檢測(cè)

毛 贏，鄭德卓，王國(guó)圈

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)桿是核電站反應(yīng)堆的關(guān)鍵部件之一，主要作用是及時(shí)、迅速、可靠地上下運(yùn)動(dòng)控制燃料控制棒，以實(shí)現(xiàn)啟堆、調(diào)節(jié)功率、停堆及緊急停堆等。管材壁厚／外徑大于0.2，冷熱加工應(yīng)力大，可能會(huì)產(chǎn)生裂紋、折疊、劃傷等缺陷［1－3］。尤其是具有極高危害性的裂紋，將對(duì)反應(yīng)堆的運(yùn)行產(chǎn)生重大的安全隱患，因此，需對(duì)這些管材進(jìn)行無損檢測(cè)，提早發(fā)現(xiàn)缺陷以進(jìn)行處理。目前常用的檢測(cè)方法主要有滲透、渦流、磁粉、超聲和射線檢測(cè)。超聲波具有檢測(cè)范圍大、缺陷定位準(zhǔn)、操作性好、速度快、無危害等優(yōu)點(diǎn)，因此在管道檢測(cè)中被廣泛使用。檢測(cè)對(duì)象厚／徑比大于0.2，常用的純橫波檢測(cè)無法發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷，故筆者提出了利用折射縱波和反射變型橫波的方法，實(shí)現(xiàn)厚壁管材的全體積快速準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 厚壁管檢測(cè)

被檢對(duì)象為φ60mm×21mm的管材，其壁厚／外徑比達(dá)到了0.35，此類厚壁管無法實(shí)現(xiàn)純橫波檢測(cè)，可通過計(jì)算選擇合適的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)管材的全體積檢測(cè)。根據(jù)折射定理，水浸超聲純橫波檢測(cè)的最小入射角為14.8°，當(dāng)入射角小于該角度時(shí)，進(jìn)入管壁的既有折射橫波，也有折射縱波。圖1可見利用橫波原理上可以檢測(cè)此類管材。然而在實(shí)際檢測(cè)中，橫波衰減大、信噪比較低、信號(hào)幅值較低，采用變型橫波法對(duì)缺陷信號(hào)辨識(shí)。當(dāng)同時(shí)檢測(cè)內(nèi)外壁缺陷時(shí)，采用了一次折射縱波檢測(cè)外壁缺陷，其變型橫波檢測(cè)內(nèi)壁缺陷［4－6］，檢測(cè)原理如圖1（c）所示。當(dāng)縱波以低于第一臨界角的角度入射時(shí)，折射縱波從外壁入射，然后經(jīng)鋼水界面時(shí)，折射縱波經(jīng)波型轉(zhuǎn)換得到變型橫波傳至內(nèi)壁。要達(dá)到壁厚方向全體積檢測(cè)，至少保證變型橫波與內(nèi)壁相切，此時(shí)入射角可由以下公式得到：

圖1 超聲波水浸法檢測(cè)原理

入射波型轉(zhuǎn)換得到折射縱波：

式中：α為聲波在水中的入射角；β為聲波在鋼中折射角；cL水與cS鋼分別為超聲波在水中和鋼中的縱波速度。

鋼水界面波型轉(zhuǎn)換得到反射橫波：

式中：β為聲波在鋼水界面的入射角；θ為聲波在鋼水界面的反射角；cL鋼和cS鋼分別為超聲波在鋼中的縱波和橫波速度。

2 變型橫波檢測(cè)

針對(duì)厚壁管材，相比接觸法檢測(cè)，水浸超聲檢測(cè)法不需要修磨探頭，不會(huì)對(duì)管材的表面產(chǎn)生劃傷破壞，且水浸超聲信號(hào)經(jīng)過聚焦后能量集中，可提高檢測(cè)靈敏度，改善信噪比，這幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。同時(shí)，根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果以及實(shí)際檢測(cè)對(duì)象的規(guī)格，只需通過調(diào)節(jié)偏心距確定入射角，操作簡(jiǎn)單易行。

2.1 偏心距

2.2 水層厚度

在水浸檢測(cè)中，要求水層厚度H大于管材中橫波全聲程的1／2。其主要原因是水中縱波速度相當(dāng)于鋼中橫波速度的一半，當(dāng)水層厚度大于管材中橫波聲程的1／2時(shí)，水／鋼界面的第二次回波將位于管子的內(nèi)表面缺陷波、外表面缺陷波之后，這樣有利于對(duì)缺陷的判別。采用的既有橫波，又有縱波，根據(jù)cL鋼＝3cL水，cS鋼＝2cL水，水層厚度 H 大于1／3折射縱波聲程＋1／2變型橫波聲程，偏心距定為3mm，計(jì)算得到折射縱波聲程為55mm，變型橫波聲程為23mm，故水層厚度H大于30mm。

2.3 探頭的選擇

3 厚壁管超聲波水浸檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的儀器為經(jīng)過計(jì)量的USN60超聲波檢測(cè)儀，保證了采集數(shù)據(jù)的可靠性。根據(jù)R－CCM標(biāo)準(zhǔn)，在試塊上刻有深度為0.63mm內(nèi)外壁縱向人工槽，對(duì)其進(jìn)行超聲波水浸檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。試驗(yàn)涉及三種超聲波的聲速，為便于計(jì)算，將儀器聲速設(shè)置為鋼中的橫波速度3 230m／s，而水中的速度為鋼中橫波速度的一半，當(dāng)水層厚度為30mm時(shí)，儀器顯示60mm，計(jì)算出一次縱波到達(dá)外壁缺陷的聲程為55mm，鋼中縱波速度為橫波速度的2倍左右，因此儀器中顯示的缺陷聲程應(yīng)該在27.5mm。圖2（a）中顯示的聲程距離為26.49mm，比較接近理論值，且信噪比較好。同樣，位于內(nèi)壁的缺陷，理論聲程為縱波速度的一半加上變型橫波的聲程距離（為50.5mm）。圖2（b）顯示的實(shí)際聲程為53.43mm，與理論聲程較接近，信噪比也較好。

圖2 試塊缺陷波顯示

試驗(yàn)結(jié)果說明，針對(duì)厚徑比大于0.2的核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)管材采用水浸超聲方法，可以有效地檢測(cè)到整個(gè)壁厚方向缺陷，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與理論分析結(jié)果比較吻合，且信噪比較高，具有很強(qiáng)的操作性。

4 結(jié)語

針對(duì)厚徑比大于0.2且質(zhì)量要求嚴(yán)格的核電站控制棒驅(qū)動(dòng)桿厚壁管材，無法實(shí)現(xiàn)純橫波檢測(cè)整個(gè)壁厚方向的缺陷等難點(diǎn)，可利用折射縱波和反射變型橫波實(shí)現(xiàn)管材的全體積檢測(cè)。理論分析和試驗(yàn)研究驗(yàn)證了此方法有效可行，為后期反應(yīng)堆的安全運(yùn)行提供了保證。

［1］ 都祥元，蘇國(guó)躍.核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿用1Cr13厚壁管材成分選擇與工藝優(yōu)化［J］.金屬學(xué)報(bào)，2011，47（9）：1155－1158.

［2］ 車天澤，汪軍.小徑厚壁無縫鋼管的超聲波軸向接觸法檢測(cè)［J］.無損探傷，2012，36（4）：11－13.

［3］ 朱思民，畢炳榮.重水堆核電站薄壁壓力管的水浸超聲檢測(cè)技術(shù)［J］.無損檢測(cè)，2005，3（5）：20－23.

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［5］ 馬小懷，江立新，王海良.探頭旋轉(zhuǎn)式管材超聲自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的研制［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010，1（4）：40－43.

［6］ 喻紅根.管材超聲水浸探傷干擾因素的分析［J］.無損檢測(cè)，1994，3（4）：12－15.