陳智聰，楊建華，劉書紅

（中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215004）

RSEM壓水堆核電廠核島機械設備在設檢查規(guī)范中已提出超聲波檢測反應堆壓力容器封頭螺栓的可行性和必要性。反應堆壓力容器是核電廠和核動力裝置中的核心設備部件，反應堆壓力容器的質量是保證核電設備和核動力裝置正常安全運行的關鍵。反應堆壓力容器封頭螺栓是連接壓力容器殼體和頂蓋的重要部件，為防止核放射性物質的外逸、保障反應堆壓力容器正常工作起著十分重要的作用。在核電廠和核動力裝置的檢驗規(guī)范和大綱中，對反應堆壓力容器封頭螺栓提出了無損檢測的強制性要求，并指定分別在投入使用前和運行一定時間時對封頭螺栓實施役前及在役檢查。法國標準核電廠核島機械設備在役檢查規(guī)則RSEM規(guī)定，對反應堆壓力容器封頭螺栓的無損檢測主要采用超聲波和渦流檢測技術。改進型壓水堆的最大特點是加大反應堆的熱功率以及增加安全系統(tǒng)的冗余度和多樣性。設計理念是成熟的，并加大了反應堆的尺寸，主要設備（反應堆壓力容器、堆內構件、蒸汽發(fā)生器和主冷卻劑泵等）都加大了容量和尺寸，其中封頭螺栓的加長加大，增加了檢驗中對設備和探頭的性能要求，筆者重點介紹對改進型壓水堆核反應堆壓力容器封頭螺栓實施的超聲波檢測技術。

1 檢測部位和檢測要求

改進型壓水堆反應堆壓力容器封頭螺栓材料為40NCDV7.03，規(guī)格為M 210mm×6mm，檢驗范圍包括螺栓的螺紋區(qū)及上、下螺紋區(qū)之間的光桿區(qū)，具體檢測部位如圖1［1］所示。反應堆壓力容器封頭螺栓超聲波檢測的目的，是探測螺紋部位是否有明顯的由腐蝕或者撕裂等引起的金屬損傷，鄰近螺栓螺紋根部以及光桿的外表面或光桿與螺紋連接區(qū)外層金屬中是否存在裂紋。

圖1 反應堆壓力容器封頭螺栓檢測部位示意

2 封頭螺栓超聲檢查設備

改進型壓水堆反應堆壓力容器封頭螺栓超聲波檢測采用自動化超聲波檢測技術，檢測儀器分為機械、電氣控制以及超聲波信號采集等裝置，并具有專門的超聲波數(shù)據分析軟件，可實現(xiàn)對超聲波數(shù)據的精確分析。

改進型壓水堆反應堆壓力容器封頭螺栓的超聲波檢測設備由兩部分組成，即機械運動（SUIP掃查器）和電氣控制（CBUS）。機械運動部分由驅動單元和掃查單元組成：驅動單元直接放置在受檢螺栓的頂端，用于驅動掃查單元；掃查單元裝有超聲探頭，超聲探頭插入封頭螺栓的中心孔中，在驅動單元的驅動下，對封頭螺栓進行掃查檢測。電氣控制部分用以控制驅動單元完成探頭在螺栓中心孔內的運動，控制軟件的界面如圖2所示。通過設置一定的路徑和掃查方式，實現(xiàn)對封頭螺栓的檢驗，機械運動和電氣控制部分的定位精度可達0.5mm。

圖2 電氣控制部分控制面板

2.1 超聲波采集系統(tǒng)

超聲波采集裝置即超聲數(shù)據采集系統(tǒng)。數(shù)據采集系統(tǒng)是采用客戶機／服務器結構的自動化超聲波數(shù)據采集和數(shù)據分析系統(tǒng)；系統(tǒng)主要由硬件超聲波板卡、硬件控制部分（服務器）以及軟件（客戶端）三部分組成。其中硬件系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器／接收器模塊（PR）、采集模塊（AM）及由網絡同AM鏈接的計算機系統(tǒng)組成。整個系統(tǒng)按照功能可以分成標定、計劃、采集和評價四個模塊［2］，其中標定模塊主要包括探頭設置、A／D轉換和信號處理三個子模塊的控制實現(xiàn)；計劃模塊主要包括被檢對象設定、掃查軸設定、數(shù)據記錄參數(shù)設定、掃查軌跡設定等子模塊功能；采集模塊可以在數(shù)據采集過程中實時監(jiān)測所記錄和存儲的掃查區(qū)域的超聲信號，實現(xiàn)在主界面上選擇A，B，C，D掃描；數(shù)據評價模塊結合A，B，C，D掃描，可實現(xiàn)三維立體數(shù)據重建，并能對采集的超聲波數(shù)據進行詳細準確的數(shù)據評價，從而實現(xiàn)對顯示信號相關性的判定，SUMIAD數(shù)據采集界面如圖3所示。

圖3 超聲波采集軟件界面

2.2 超聲波數(shù)據分析軟件

采用MASERA－NT數(shù)據分析軟件，其主要功能是對超聲波檢測數(shù)據進行分析、定量和測量。此軟件具有良好的兼容性，可實現(xiàn)對SUMIAD，MIDAS，TOMOSCAN和RDTIFF等多種系統(tǒng)采集的文件進行準確的分析?；竟δ馨ˋ，B，C，D掃描、數(shù)據循環(huán)和聲線跟蹤分析，還可增加SAFT、信號處理運算、自適應分析和三維數(shù)據重建等；并可以針對某些行業(yè)用戶的特殊檢測需求，增加相應的專業(yè)化分析和圖形處理的專用數(shù)據分析軟件。此軟件基于中心軸對稱、空間重建理論，應用笛卡爾坐標系或圓柱參考坐標系，可對采集的超聲波數(shù)據進行超聲波檢測過程重建；數(shù)據重建過程完畢后，通過一系列的輔助窗口，可以顯示某一個通道的完整／全部數(shù)據，并可同時打開多個通道的數(shù)據，以便于不同通道采集的信號之間的對比。對某一關注區(qū)域進行放大或縮小，從而采用尺寸測量工具對顯示信號進行精確的尺寸和位置測量，測量結果可直接生成相應的數(shù)據分析報告。

3 超聲波檢查技術

3.1 探頭選擇與掃查方式的確定

根據RSEM規(guī)范要求［1］，采用45°橫波探頭對主螺栓進行檢驗。超聲探頭的頻率一般選擇在0.5～10MHz，它對檢測靈敏度、能量、分辨力和聲場覆蓋范圍都有重要的影響，頻率越高，更有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷，分辨力越高，聲束指向性也越好，能量集中，同時頻率高，近場區(qū)長度越大，衰減越大，而且會形成顯著的反射指向性，對檢測不利。結合實際母材壁厚和晶粒度，分別選擇頻率為2，2.5，3，4，5MHz的探頭進行仿真，以確定最優(yōu)工藝。

圖4為通過CIVA仿真獲得的45°探頭在工件中產生的聲場，表1為不同頻率探頭的仿真計算結果。由表1可知，各探頭在工件中發(fā)射聲場的聲壓極大值點－6dB在工件內的深度范圍均為全壁厚，滿足檢驗要求；各探頭在工件中發(fā)射聲場的聲壓極大值點－6dB聲束寬度隨著探頭頻率的增大而變窄，能量更加集中，指向性更好；各探頭在工件中發(fā)射聲場的衰減會隨著探頭頻率的增大而增加。

圖4 45°探頭的發(fā)射聲場示意圖

表1 超聲探頭發(fā)射聲場計算結果

圖5為通過CIVA仿真軟件，輸入指定人工缺陷的被檢螺栓參數(shù)、不同的探頭參數(shù)，經過一系列的電腦模仿實際掃查獲得的主螺栓檢測結果。超聲仿真結果表明，五種頻率的探頭所得到的0.5mm刻槽的響應回波與螺紋的響應回波之差均大于2dB，其反射體響應回波與螺紋響應回波之差隨著探頭頻率遞增所形成的變化曲線，如圖6所示。

圖5 45°橫波探頭檢查時的反射體及底波的超聲仿真

圖6 反射體響應回波與螺紋響應回波之差隨探頭頻率變化曲線

分析可知，隨著探頭頻率的遞增，分辨力逐漸提高，反射體的檢出能力增強；同時探頭頻率的遞增會引起更大的衰減，導致反射體回波與螺紋回波之差逐漸減小。綜合以上兩方面原因，3MHz 45°橫波探頭對0.5mm刻槽的響應幅值與螺紋的響應幅值之差最大。

改進型壓水堆反應堆壓力容器封頭螺栓超聲波檢測采用組合式探頭，由兩個45°探頭組成，從螺栓中心孔掃查，通過仿真實驗，探頭頻率選擇為3MHz，探頭采用特殊的設計與螺栓內孔壁充分接觸，以保證耦合效果，采用去離子水作為耦合劑，軸向掃查，周向步進的矩形掃查。對掃查步進要求不能太大，以免漏掉缺陷，RSEM標準規(guī)定要求記錄0.5mm刻槽的信號顯示，所以要保證探頭的主聲束至少掃過0.5mm的刻槽3次，這樣才不會漏掉標準規(guī)定的記錄要求，但步進也不能太小，以免影響檢測的效率。對超聲采集速度的選擇要考慮所支持的超聲波采集的硬件。

3.2 封頭螺栓試塊

采用全尺寸壓水堆反應堆壓力容器封頭螺栓，在檢驗螺紋區(qū)和光桿區(qū)上分別加工切割槽［3］，槽深分別為0.5，1，2mm，如圖7所示。

圖7 全尺寸壓水堆反應堆壓力容器封頭螺栓參考試塊示意圖

3.3 檢驗靈敏度

檢驗靈敏度調節(jié)時，在保證信噪比的情況下，盡量調高增益。調節(jié)增益將探頭分別對準弧形V2試塊上100mm弧面，使最大反射回波幅值大于45dB。如果螺栓的螺紋回波幅值大于60dB，則需要降低增益，使螺紋回波最大幅度在滿屏的30%～60%之間。

4 檢測實施方法

將螺栓周向設為步進軸x軸，螺栓的永久標識號設為x軸的零點，逆時針方向旋轉為正（從螺栓頂部往下看）；將螺栓的軸向設為掃查軸y軸，螺栓下端面設為y軸的零點，垂直向上的方向為y軸正向；探頭連接好置于螺栓中心孔中，使自動掃查器下端面與螺栓上端面位于同一水平面，旋轉探頭使組合探頭聲束軸線與x軸的零點對齊；探頭沿螺栓中心孔向下運動，當下螺紋信號結束時，記錄下此時y軸坐標l（l＞0），此坐標設為檢查時y軸的下限位，其上限位為下面的探頭對螺栓上部螺紋掃查時螺紋信號消失的位置。x軸的上下限位為0°～363°（為了保證充分的覆蓋，多掃3°），設定x軸運動速度7°／s，設定y軸運動速度25mm／s。根據掃查計劃，啟動CBUS和SUMIAD采集軟件，實施對封頭螺栓的掃查。

5 試驗結果

對加工的全尺寸改進型壓水堆反應堆壓力容器封頭螺栓進行自動超聲檢測，共發(fā)現(xiàn)12處缺陷信號，與加工圖紙完全符合（缺陷信號如圖8所示）。

圖8 缺陷信號顯示結果

6 結論

對改進型壓水堆反應堆壓力容器封頭螺栓進行超聲波檢測時，通過優(yōu)化機械和控制系統(tǒng)、掃查方式、缺陷的檢測和定量、信號的采集和分析，應用超聲仿真合理選擇超聲波探頭參數(shù)，經過實際試驗掃查可檢測出深0.5mm刻槽的信號顯示，滿足RSEM標準要求，整個檢測系統(tǒng)可靠有效。

［1］In－service inspection rules for the mechanical components of PWR nuclear islands［S］.RSEM 2010.

［2］李明，陳懷東，肖學柱，等.核電站反應堆壓力容器超聲檢查技術及裝備研究［C］.電力系統(tǒng)第十一屆無損檢測學術會議論文集，西寧：中國電機工程學會火力發(fā)電分會，2009：71－82.

［3］金麗蓉.承壓螺栓超聲檢查波形分析［J］.核動力工程，1995，15（5）：390－393.