核電站堆內(nèi)構(gòu)件圍板螺栓的超聲檢測

謝 航，葛 亮，蔡家藩

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

反應(yīng)堆壓力容器堆內(nèi)構(gòu)件是壓力容器內(nèi)除燃料組件及其相關(guān)組件以外的所有其他構(gòu)件,圍板螺栓是堆內(nèi)構(gòu)件圍板與圍板和圍板與幅板的連接螺栓。反應(yīng)堆壓力容器堆內(nèi)構(gòu)件長期服役在高溫、高壓、高輻照的環(huán)境中，最早在20世紀(jì)80年代,法國核電機(jī)組的圍板螺栓超聲檢測中發(fā)現(xiàn)大量缺陷，嚴(yán)重時導(dǎo)致螺栓斷裂。通過對部分更換螺栓進(jìn)行金相分析，確認(rèn)裂紋是由于輻照應(yīng)力腐蝕開裂(Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking, IASCC)造成的[1]。為了避免事故的發(fā)生，在核反應(yīng)堆運(yùn)行期間，應(yīng)對圍板螺栓進(jìn)行無損檢測。由于IASCC發(fā)生在圍板螺栓的內(nèi)部，傳統(tǒng)的目視檢驗無法滿足檢測的要求，考慮到其可達(dá)性，采用超聲對圍板螺栓內(nèi)部實施檢驗是一種可行的體積檢測方法。文獻(xiàn)[1]中介紹了M310型機(jī)組的圍板螺栓超聲檢測方法，該文獻(xiàn)中描述的圍板螺栓同研究的圍板螺栓結(jié)構(gòu)有所不同。

筆者通過分析某核電站堆內(nèi)構(gòu)件圍板螺栓的結(jié)構(gòu)特點和安裝環(huán)境，模擬螺栓中可能產(chǎn)生缺陷的部位，設(shè)計了超聲檢驗方案并制作了超聲探頭，在現(xiàn)場實現(xiàn)了堆內(nèi)構(gòu)件圍板螺栓的超聲檢測，有效保障了核電廠的安全運(yùn)行。

1 圍板螺栓結(jié)構(gòu)特點

國內(nèi)某核電站反應(yīng)堆壓力容器圍板螺栓采用內(nèi)六角結(jié)構(gòu)，螺栓頭部內(nèi)六角孔底面為錐面。安裝后，螺栓擰入內(nèi)部螺紋孔內(nèi)，僅螺栓頭部可見。為了防止螺栓斷裂掉落或脫落，螺栓頭部設(shè)計了防松銷，并將防松銷焊接到圍板上。該防松銷所在周向角度各不相同，實施檢測時會存在一定的困難。圍板螺栓安裝后現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 圍板螺栓安裝后現(xiàn)場

由于螺栓可接觸面積受限，通過分析，僅能使用螺栓內(nèi)六角孔底部錐面作為接觸面實施超聲檢測。安裝防松銷后，進(jìn)一步限制了超聲探頭的可達(dá)性。同時螺栓的內(nèi)六角孔采用沖壓方式加工，底部呈錐面且錐面角度不確定，也加大了檢驗難度。目前，對于此類帶防松銷的內(nèi)六角螺栓，國內(nèi)外還未有成熟的檢測方案。

2 圍板螺栓檢驗技術(shù)

通過聲束計算分析，采用縱波小角度入射的雙晶探頭，可以實現(xiàn)螺栓光桿區(qū)和螺紋區(qū)的檢驗，螺栓內(nèi)部聲束示意如圖2所示。由于防松銷的影響，雙晶超聲探頭無法采用一體式的，而采用一種U形的結(jié)構(gòu)，以避開防松銷，圍板螺栓超聲檢測探頭設(shè)計示意如圖3所示。該探頭楔塊上表面為平面，用于貼合探頭晶片；楔塊下表面為圓錐面，同螺栓中心孔錐面相同或相近，以保證良好貼合。通過聲束仿真，當(dāng)超聲探頭產(chǎn)生一個相對螺栓軸線夾角為5°的縱波聲束時，可以基本覆蓋整個檢驗區(qū)域。由于螺栓內(nèi)六角孔底部錐面的角度并非固定值，故還對探頭角度和錐面角度差異對檢測的影響進(jìn)行了研究。

圖2 螺栓內(nèi)部聲束示意

圖3 圍板螺栓超聲檢測探頭設(shè)計示意

為了驗證超聲工藝檢出缺陷的能力，選擇與圍板螺栓相同材料和尺寸的螺栓加工試塊，在螺栓的頭部與螺栓光桿連接處、光桿區(qū)和螺紋區(qū)加工圓形電火花槽，槽的直徑同螺栓光桿直徑相同，圍板螺栓試塊結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。同時，為了研究超聲探頭錐面角度和螺栓頭部錐面角度差異的影響，加工了120°，130°，140°錐面的無缺陷螺栓試塊。缺陷的位置和尺寸如表1所示。

圖4 圍板螺栓試塊結(jié)構(gòu)示意

表1 螺栓試塊缺陷尺寸及位置

3 試驗方法及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 試驗過程及結(jié)果

采用如第2節(jié)所述的檢驗方案進(jìn)行試驗,超聲探頭為5 MHz異形晶片雙晶探頭。試驗設(shè)備為ZETEC公司的Z-Scan多通道超聲儀及配套軟件。為了研究超聲探頭錐面角度和螺栓頭部錐面角度的影響，超聲探頭的錐面角度分別為120°和130°。

在靈敏度標(biāo)定時，采用無缺陷的試塊，將其底面回波調(diào)至60%為基準(zhǔn)靈敏度。由于防松銷所在周向角度各不相同，為了驗證探頭在不同周向角度進(jìn)行檢測時缺陷回波幅值的變化，記錄探頭中心線同缺陷中心線夾角分別為0°，45°，90°時的缺陷回波幅值。120°探頭和120°錐面螺栓試驗結(jié)果如圖5和表2所示。

表2 120°探頭和120°錐面螺栓試驗結(jié)果

圖5 120°探頭和120°錐面螺栓試驗結(jié)果

從以上試驗可以看出，采用的分體式雙晶超聲檢驗技術(shù)可以覆蓋圍板螺栓的光桿區(qū)和螺紋區(qū)等被檢區(qū)域，并檢出30%以上面積損失的缺陷，缺陷信噪比最低為10 dB。

為了驗證不同錐面角度探頭和不同錐面角度螺栓的檢驗?zāi)芰?，分別進(jìn)行了120°探頭檢測120°和130°錐面螺栓，以及130°探頭檢測130°和140°錐面螺栓的試驗。試驗時，將120°錐面角度探頭檢測120°錐面螺栓的底面回波調(diào)至60%，120°錐面角度探頭檢測130°錐面螺栓的底面回波為50%，靈敏度變化為1.6 dB。將130°錐面角度探頭檢測130°錐面螺栓的底面回波調(diào)至60%，130°錐面角度探頭檢測140°錐面螺栓的底面回波為53%，靈敏度變化為1.1 dB。

從以上試驗可以看出，可以采用120°超聲探頭檢測錐面角度為120°～130°的圍板螺栓，采用130°超聲探頭檢測錐面角度為130°～140°的圍板螺栓。同時，采用未知錐面角度的螺栓進(jìn)行檢驗時，可以采用該方法判斷超聲探頭是否適配該錐面角度的圍板螺栓。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

將圍板螺栓超聲檢驗技術(shù)應(yīng)用在核電廠大修中，將研制的超聲探頭搭載在自主研發(fā)的水下浮游裝置上，對某核電站反應(yīng)堆壓力容器堆內(nèi)構(gòu)件中共計250個圍板螺栓進(jìn)行超聲檢測。其中46個圍板螺栓由于結(jié)構(gòu)限制或螺栓自身結(jié)構(gòu)限制，無法實施超聲檢驗。對其余可達(dá)的204個圍板螺栓實施了超聲檢驗，未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷。

4 結(jié)語

通過分析某核電站圍板螺栓的結(jié)構(gòu)，設(shè)計并制造了一種分體式的雙晶超聲探頭，用于帶防松銷的內(nèi)六角圍板螺栓超聲檢驗。通過試驗驗證了該方法可以在不同周向角度實現(xiàn)對缺陷面積損失在30%以上的圍板螺栓的檢測。還分析了超聲探頭和圍板螺栓錐面角度不同對于檢測靈敏度的影響，允許在超聲探頭錐面角度和圍板螺栓錐面角度之間存在一定差異,該方法已成功應(yīng)用于核電站在役檢查現(xiàn)場。