核電站反應(yīng)堆壓力容器主螺栓渦流檢測(cè)常見(jiàn)缺陷及噪聲

(核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430223)

反應(yīng)堆壓力容器主螺栓是固定反應(yīng)堆壓力容器筒體和頂蓋的重要承壓部件，屬于檢測(cè)規(guī)程的必檢范疇，因而其在制造和使用過(guò)程中需要受到嚴(yán)格的品質(zhì)控制和定期檢測(cè)，以確保其能高效、安全地運(yùn)行。在美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)無(wú)損檢測(cè)規(guī)范中和《法國(guó)核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》中都要求對(duì)壓力容器主螺栓進(jìn)行渦流檢測(cè)，其檢測(cè)范圍為主螺栓的上部和下部螺紋區(qū)；而且，反應(yīng)堆壓力容器主螺栓長(zhǎng)期處于高溫、高壓、高輻射及交變應(yīng)力環(huán)境下，易產(chǎn)生多種類(lèi)型的缺陷，主要缺陷類(lèi)型包括應(yīng)力裂紋、氧化腐蝕、變形(沖擊、敲擊)、材料缺損、磨損等[1]，缺陷形成的部位包括齒頂、齒面和齒根。

1 主螺栓基本結(jié)構(gòu)

主螺栓一般為雙頭螺栓，上下兩段為緊固螺紋，最上部還有供螺栓安裝和拆卸用的拉伸螺紋。其規(guī)格一般為M90到M160，長(zhǎng)度約12 m，材料一般為碳鋼，屬于鐵磁性材料。主螺栓結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 主螺栓結(jié)構(gòu)示意

2 檢測(cè)設(shè)備

主螺栓渦流檢測(cè)系統(tǒng)一般包括螺栓檢查機(jī)、渦流檢測(cè)儀、渦流探頭、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集分析軟件等。檢測(cè)時(shí)，將被檢主螺栓放置在檢查機(jī)的工作平臺(tái)上,同時(shí)將渦流探頭與楔形固定塊連接，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)檢查機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)受檢螺栓旋轉(zhuǎn)；與被檢主螺栓具有相同螺紋尺寸的楔形探頭固定塊嚙合在受檢區(qū)域的螺紋上，并在主螺栓旋轉(zhuǎn)作用的帶動(dòng)下沿其法線方向運(yùn)動(dòng)，從而完成整個(gè)受檢螺紋區(qū)的檢查。檢測(cè)系統(tǒng)連接示意如圖2所示。

3 檢測(cè)方法

主螺栓渦流檢測(cè)方法為幅值判傷法，檢測(cè)區(qū)域?yàn)閮啥尉o固螺紋區(qū)的表面及近表面。在檢測(cè)開(kāi)始前，檢測(cè)人員需使用標(biāo)定螺栓和渦流探頭對(duì)儀器進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，標(biāo)定螺栓上至少有一組沿螺紋根部加工的周向切槽，切槽的深度分別為0.5,1,2 mm。標(biāo)定螺栓結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，典型的標(biāo)定螺栓渦流檢測(cè)信號(hào)如圖4所示。檢測(cè)流程如下所述。

圖3 標(biāo)定螺栓結(jié)構(gòu)示意

圖4 典型的標(biāo)定螺栓渦流檢測(cè)信號(hào)

(1) 標(biāo)定螺栓上深度為1 mm人工切槽的信號(hào)幅度調(diào)整為滿屏高度的40%以上。

(2) 相位調(diào)整應(yīng)使顯示屏上的本底噪聲信號(hào)水平。

(3) 將標(biāo)定螺栓上深度為1 mm的人工切槽的信號(hào)峰-峰(VP-P)值設(shè)置為10 V。

(4) 標(biāo)定螺栓上深度為0.5 mm的人工切槽所產(chǎn)生的信號(hào)應(yīng)能與本底噪聲信號(hào)明顯區(qū)分。

(5) 設(shè)置參數(shù)保存，受檢螺栓開(kāi)始檢測(cè)。

4 常見(jiàn)缺陷分析

在核電站反應(yīng)堆壓力容器主螺栓的渦流檢測(cè)中，雖然在理論上存在多種類(lèi)型的缺陷，但根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)分析，常出現(xiàn)的缺陷有變形、材料缺損和磨損3類(lèi)。通過(guò)分析此3類(lèi)渦流信號(hào)的形成特征，并且結(jié)合目視檢測(cè)圖片，能夠更加直觀地辨別缺陷和偽缺陷。

4.1 變形

變形是在螺栓安裝和拆卸過(guò)程中，由于機(jī)械操作不當(dāng)而形成的缺陷，此類(lèi)缺陷信號(hào)的特點(diǎn)是幅值一般較大，通過(guò)目視檢測(cè)很容易發(fā)現(xiàn)。螺栓典型齒頂變形信號(hào)如圖5所示。

圖5 螺栓的典型齒頂變形信號(hào)

4.2 材料缺損

材料缺損同樣是在安裝和拆卸過(guò)程中由于機(jī)械操作不當(dāng)而形成的缺陷，此類(lèi)缺陷信號(hào)的特點(diǎn)是幅值一般較大，并常在螺栓上部螺紋區(qū)的齒頂或齒面出現(xiàn)，目視檢測(cè)同樣也很容易發(fā)現(xiàn)[2]。螺栓典型齒頂和齒面材料缺損信號(hào)如圖6，7所示。

圖6 螺栓的典型齒頂缺損信號(hào)

圖7 螺栓的典型齒面缺損信號(hào)

4.3 磨損

相對(duì)于以上兩類(lèi)缺陷，磨損類(lèi)缺陷出現(xiàn)的幾率一般很小，渦流信號(hào)的幅值也不大，對(duì)螺栓后續(xù)使用的影響程度較小，造成的危害幾乎可以忽略不計(jì)。此類(lèi)缺陷通常位于螺紋的齒面，為螺紋加工時(shí)殘留在齒面的鐵屑或刀具造成的點(diǎn)狀凹凸坑，或后期用砂紙修復(fù)時(shí)留下的打磨痕跡。螺栓的典型磨損信號(hào)如圖8所示。

圖8 螺栓的典型磨損信號(hào)

5 噪聲分析及抑制

5.1 噪聲形成原因

(1) 螺紋區(qū)表面附著物形成的噪聲。為了防止在反應(yīng)堆壓力容器運(yùn)行一段時(shí)間后,螺栓和螺紋孔生銹咬死而難以拆卸，于是現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)會(huì)在螺紋處涂上一層防銹物質(zhì)，檢測(cè)時(shí)需要對(duì)這些防銹物質(zhì)加以清洗，但如果清洗不徹底,螺紋區(qū)的殘留物質(zhì)會(huì)給渦流信號(hào)帶來(lái)噪聲。

(2) 螺栓本身材料不均形成的噪聲。螺栓在加工制造過(guò)程中，如果材料不均會(huì)形成噪聲信號(hào)，此類(lèi)噪聲的特點(diǎn)一般比較均勻，存在于整個(gè)螺紋區(qū)，以連續(xù)的正弦波狀出現(xiàn)。

(3) 螺紋區(qū)局部鍍層脫落形成的提離效應(yīng)。為了防腐，在螺栓表面增加了一層均勻的磷化鍍層，但在螺栓安裝和拆卸過(guò)程中，鍍層會(huì)受到一定破壞而產(chǎn)生不均勻的脫落，又由于渦流探頭的靈敏度高，對(duì)這些變化區(qū)域特別敏感，從而引起電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率的變化，最終形成較大的提離信號(hào)[2-3]。

(4) 外部電磁干擾影響形成的噪聲。渦流檢測(cè)的基本原理是電磁感應(yīng)[4]，其對(duì)用電環(huán)境的要求非常苛刻，必須時(shí)刻提供“清潔”的電源，如果檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)周邊存在焊接及打磨工作等，那么易形成外部電磁噪聲[5]，對(duì)渦流信號(hào)干擾更為嚴(yán)重。

(5) 探頭損壞形成的噪聲。由于渦流探頭是點(diǎn)式探頭，檢測(cè)時(shí)需與螺紋長(zhǎng)時(shí)間摩擦，其自身壽命不是很長(zhǎng)，當(dāng)工作一段時(shí)間后，線圈就會(huì)損壞，從而形成噪聲。

(6) 檢測(cè)設(shè)備不穩(wěn)定形成的噪聲。目前，國(guó)際上通用的螺栓渦流檢測(cè)設(shè)備都為垂直式，即螺栓垂直放置于檢測(cè)設(shè)備上，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)螺栓旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于重心高，裝置整體晃動(dòng)較大，給整個(gè)裝置帶來(lái)大量系統(tǒng)噪聲。

5.2 噪聲抑制方法

(1) 檢測(cè)前必須用專(zhuān)用的除銹液對(duì)螺紋區(qū)進(jìn)行仔細(xì)清洗，待徹底干燥后才能進(jìn)行檢測(cè)，如果在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某些局部仍有殘留物存在，則要針對(duì)局部進(jìn)行反復(fù)清洗，直到噪聲不影響檢測(cè)為止。

(2) 材料不均形成的噪聲是在制造過(guò)程中形成的，目前還沒(méi)有很好的噪聲抑制方法，但在實(shí)際檢測(cè)中，如遇到連續(xù)正弦波狀信號(hào)，可通過(guò)目視檢測(cè)(進(jìn)行輔助分析)來(lái)最終確定是否為真正的缺陷信號(hào)。

(3) 對(duì)于鍍層脫落形成的噪聲，目前唯一能夠抑制的方法就是進(jìn)行退鍍后再檢測(cè)。

(4) 外部電磁干擾是檢測(cè)過(guò)程中最常遇到的一種噪聲，目前主要的抑制方法有歸零法(即接地)和穩(wěn)壓法(使用不間斷電源UPS)。

歸零法：接地是為了抑制噪聲和防止干擾，保證設(shè)備的電磁兼容性、提高可靠性的重要技術(shù)措施，正確的接地既能抑制干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)射干擾。檢測(cè)中通常的作法是將渦流檢測(cè)儀或者其他電氣控制箱的面板用導(dǎo)線進(jìn)行接地處理，但導(dǎo)線的另一端盡可能接在與大地相連的金屬結(jié)構(gòu)處。

穩(wěn)壓法：使用UPS的目的是為了獲得盡可能“清潔”的電源，因?yàn)楫?dāng)外電源輸入U(xiǎn)PS后，UPS將外電穩(wěn)壓后提供給負(fù)載使用，這樣經(jīng)穩(wěn)壓后的電壓不會(huì)由于外電交變電流不穩(wěn)定而受到電磁干擾。

(5) 探頭與固定夾連接時(shí)，要保證探頭的頂部與螺紋的齒根良好嚙合，嚙合緊會(huì)增加探頭的磨損程度、嚙合松則影響信號(hào)的幅度，保持一個(gè)合適的位置既能減小探頭的磨損，又不影響信號(hào)的品質(zhì)，最終增加探頭的使用壽命，因此探頭安裝前應(yīng)仔細(xì)檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)較大的由于探頭磨損引起的噪聲信號(hào)時(shí),應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換探頭。

(6) 對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將垂直式改為水平式，即將被檢測(cè)螺栓水平放置于檢測(cè)裝置上，并且采用螺栓固定探頭旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行檢測(cè)，從設(shè)計(jì)上盡量避免機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的系統(tǒng)噪聲(該方法目前僅是理論)。

6 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)主螺栓渦流檢測(cè)方法進(jìn)行了介紹，并對(duì)檢測(cè)過(guò)程中噪聲的形成原因和抑制方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析總結(jié)，其實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中噪聲的形成原因遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，僅為同行在工作過(guò)程中遇到類(lèi)似問(wèn)題時(shí)提供參考。