李世成，方松利，黃少衡，高杰宗

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

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反應堆冷卻劑主泵泵殼螺栓磁粉檢測工藝

李世成，方松利，黃少衡，高杰宗

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

摘要：通過對不同磁粉檢測方法特點進行分析，并根據反應堆冷卻劑主泵泵殼螺栓的規(guī)格、磁特性、受力狀況及其在制造和服役過程中可能產生缺陷的特征，制定了利用線圈連續(xù)法、線圈剩磁法及磁軛法組合的主泵螺栓磁粉檢測工藝，為核電機組的主泵螺栓磁粉檢測提供了技術支持。

關鍵詞：役前檢查;主泵螺栓;磁粉檢測工藝

隨著我國核電站數量的增加，國家對核電設備質量監(jiān)管也進一步加強。反應堆冷卻劑主泵泵殼螺栓(簡稱主泵螺栓)作為非常重要的核安全1級部件，其質量必然受到監(jiān)管當局的特別重視。

主泵螺栓緊固件的表面區(qū)域是最主要的受力部位，表面或近表面缺陷對螺栓強度的影響非常嚴重。而磁粉檢測正是利用鐵磁性材料表面和近表面缺陷的漏磁場吸附磁粉顯示磁痕，所以檢測靈敏度高，可檢測微米級寬度的缺陷，并且能直觀地顯示出缺陷的特性[1]。因此，主泵螺栓磁粉檢測工作被核安全局要求作為新增檢查項目納入到核電機組的役前檢查范圍中。面對新的檢測內容，工作人員需要認真分析相關標準及規(guī)范要求，結合具體情況制定出最合理的檢測工藝，既要保證檢測靈敏度又要適合現(xiàn)場操作。

筆者根據反應堆冷卻劑主泵泵殼螺栓的規(guī)格、磁特性、受力狀況及其在制造和服役過程中可能產生缺陷的特征，制定了利用線圈連續(xù)法、線圈剩磁法及磁軛法組合的主泵螺栓磁粉檢測工藝。

1主泵螺栓及待檢缺陷特征

1.1主泵螺栓規(guī)格及其磁特性

圖1為主泵螺栓的尺寸示意，規(guī)格為M115×949 mm，中心有φ19 mm的小徑孔。主泵螺栓材料為法國牌號40NCD7-03，根據RCCM(壓水堆核電廠機械設備設計和建造規(guī)則)規(guī)范可知其相當于我國牌號為40CrNiMo的合金。根據文獻《常用鋼材磁特性曲線速查手冊》中查得，其磁特性曲線如圖2所示[2]。

圖1　主泵螺栓尺寸

圖2　40CrNiMo鋼的磁特性曲線

根據圖2可知,40CrNiMo合金的磁特性參數為：矯頑力Hc=1.12 kA·m-1;剩磁感應強度Br=1.4 T;最大相對磁導率μrm=613;最大磁導率對應的磁場強度H(μrm)=1.64 kA·m-1;最大磁能積(HB)max=0.8 kJ·m3;近磁飽和區(qū)范圍為2～3.5 kA·m-1;基本磁飽和區(qū)為3.5～6 kA·m-1，由此可確定：① 主泵螺栓為鐵磁性材料，可以進行磁粉檢測。② 主泵螺栓磁粉檢測磁場強度必須大于1 640 A·m-1。③ 主泵螺栓的矯頑力和剩磁強度較大，根據標準JB/T 4730.4-2005規(guī)定，其矯頑力滿足剩磁法檢測的要求(矯頑力大于1 000 A·m-1，剩磁強度大于0.8 T)[3]。④ 主泵螺栓磁粉檢測的標準規(guī)范要求為：連續(xù)法時H不小于2 kA·m-1，剩磁法時H不小于6 kA·m-1。

1.2待檢缺陷特征

正常工況下，主泵螺栓主要承受的是沿軸向的應力。因此，缺陷方向與螺栓軸向的角度越大，缺陷尖端所受到的張力也越大;當兩者相互垂直時，缺陷尖端所受到的張應力達到最大，缺陷受力時擴展速度最快。所以，主泵螺栓表面區(qū)域存在的橫向缺陷對螺栓的危害最大,必須采用合理的磁化方法有效檢出。

由于主泵螺栓長度和直徑的比值較大，在鍛壓成型過程中，鋼錠中的氣泡和夾雜等缺陷一般會沿軸線方向被拉長、變細，同時折疊也會沿著軸線方向分布和延伸。因此，縱向缺陷是主泵螺栓制造過程中可能產生的主要缺陷類型，在制定磁粉檢測工藝時，必須注意不能漏檢。

2磁粉檢測方法及工藝流程

2.1磁化方法的選擇

常用的磁粉檢測方法有磁軛法、線圈法、直接通電磁化法和感應電流法等。磁軛法檢測的優(yōu)點是非電接觸，操作安全、方便，通過改變磁軛方位可以檢測出任意方向的缺陷，檢測靈敏度較高;磁軛法檢測的缺點是一次磁化區(qū)域較小，檢測效率較低。線圈法檢測也是非電接觸，磁化方法簡單，可以形成縱向磁場，用于檢測工件的橫向缺陷;特別適合于長軸類工件的檢測，但需考慮工件長徑比L/D的值對檢測磁場的影響。軸向直接通電法在工件表面形成周向磁場，用于檢測縱向缺陷，檢測靈敏度較高;但通電觸點必須清理干凈，需要特別注意用電安全和防止電弧擊傷工件。感應電流法雖然為非電接觸，但其只適用于環(huán)形工件的檢測，不適合于螺栓類工件的檢測[4]。

選擇合理的磁化方法需要考慮的因素包括主泵螺栓的尺寸規(guī)格、材料磁特性、表面狀態(tài)以及要檢出的缺陷特性等。根據常用磁化方法的特點，結合主泵螺栓屬于長軸類的形狀特點，可采用檢測靈敏度很高的線圈法縱向磁化來檢測橫向缺陷。因軸向直接通電檢測存在用電安全和擊傷工件等風險，且檢測螺栓端面時需要在檢測過程中安裝吊裝工裝;所以在現(xiàn)場檢測時宜采用磁軛法進行周向磁化檢測縱向缺陷。

圖3　線圈法與磁軛法檢測原理示意

當采用線圈法檢測時,根據磁懸液施加的時機還可分為連續(xù)法和剩磁法。連續(xù)法具有很高的檢測靈敏度，但由于螺紋區(qū)域本身截面的變化類似于橫向缺陷，在檢測時容易吸附過多磁粉而形成過度背景，使得缺陷磁痕難以觀察。而剩磁法卻能有效避免螺紋根部、凹槽和尖角處磁粉的過度堆積，可作為連續(xù)法的一種補充，適用于檢測螺栓螺紋區(qū)域的橫向缺陷。

2.2磁粉檢測工藝流程

在滿足RCCM規(guī)范要求下，參考標準JB/T 4730.4-2005的相關內容，針對主泵螺栓的具體情況制定合理的檢測工藝流程。

在檢測橫向缺陷時，為了避免螺紋區(qū)磁懸液堆積，先對主泵螺栓進行剩磁法檢測，然后進行連續(xù)法檢測，為了保證有效覆蓋區(qū)域，對包括螺紋區(qū)域在內的整個螺栓進行全面磁化和觀察。橫向缺陷檢測結束后，采用磁軛法檢測縱向缺陷。由于主泵螺栓的矯頑力和剩磁較大，每一道檢測工序完成后必須進行退磁，以免影響下一步檢測。退磁后剩磁強度不得大于0.3 mT。

3主泵螺栓磁粉檢測工藝

3.1線圈剩磁法

3.1.1磁化規(guī)范

線圈法剩磁檢測的磁化規(guī)范要求先根據標準和規(guī)范計算所要達到的磁場強度，然后調整線圈電流，利用磁強計測量空載線圈內的磁場強度，確定達到所需磁場強度時的電流值即為剩磁法的電流。RCCM規(guī)范未對剩磁法檢測工藝進行具體闡述，根據標準JB/T 4730.4-2005的要求，剩磁法檢測時施加在工件表面的磁場強度應達到14.4 kA·m-1。此外，標準GJB 2028A-2007《磁粉檢測》中也對剩磁檢測的線圈中心磁場強度給出了更具體的規(guī)定，見表1[5]。

表1　剩磁法空載線圈中心磁場強度值

主泵螺栓的L/D值為8.25,根據上面兩種標準對比，確定線圈中心的磁場強度為20 kA·m-1左右。根據磁場強度與磁感應強度關系：

(1)

(2)

式中:μ0為真空磁導率，H·m-1;μr為相對磁導率;線圈空載時，空氣的相對磁導率近似為1[6]，此時B=25 mT。

利用磁強計測量線圈中心磁感應強度達到25 mT左右，此時的電流即為線圈法剩磁檢測時的電流值。實際檢測時，將磁強計貼緊磁化后的螺栓表面測量磁感應強度，確定剩磁強度在磁特性曲線的磁飽和區(qū)，滿足檢測靈敏度要求。

圖4　線圈法有效磁化區(qū)

3.1.2有效磁化區(qū)域

受線圈尺寸限制，無法一次將螺栓全長度范圍內有效磁化，需進行分段檢測。每次磁化重疊區(qū)需滿足標準要求，避免漏檢。根據RCCM規(guī)范要求，將有效磁化區(qū)域定為線圈兩端延伸100 mm,如圖4所示。

3.1.3操作要點

磁化時間為1 s左右，在通電結束后施加磁懸液，均勻噴涂2～3遍，保證螺栓表面充分潤濕，檢測完成前不得有磁性物質干擾。

3.2線圈連續(xù)法

3.2.1磁化規(guī)范

根據主泵螺栓尺寸和檢測線圈特性計算出線圈連續(xù)法檢測時大致的磁化規(guī)范參數，然后利用標準靈敏度試片A1-30/100精調電流值，使靈敏度試片上的人工缺陷清晰顯示。根據標準JB/T 4730.4-2005要求，選用標準靈敏度試片A1-30/100對磁粉檢測靈敏度進行校核。根據文獻可知使試片A1-30/100清晰顯示所需的磁場強度范圍為1.92～2.56 kA·m-1[7]，達到了主泵螺栓連續(xù)法檢測時的標準磁化規(guī)范要求。因此，綜合經驗公式計算和標準靈敏度試片校核得出的規(guī)范電流值滿足相關標準要求。

根據主泵螺栓的直徑以及檢測磁化線圈規(guī)格參數(磁化線圈內徑為300 mm，匝數為4)：不考慮小徑孔影響時，主泵螺栓的線圈填充因數Y=6.8，為中填充因數，長徑比L/D=8.25。考慮小徑孔影響，以有效截面積計算填充因數時，Y=7.0，為中填充因數，長徑比L/Deff=8.4。

中填充因數線圈的安匝數為:

(3)

高填充因數線圈的安匝數為:

(4)

低填充因數線圈的安匝數為:

(5)

式中：安匝數IN(線圈電流I×線圈匝數N)為線圈法檢測時的磁化能力;R為線圈半徑;L為工件長度;D為工件直徑或橫截面上兩點間的最大距離[8]。

通過計算：中心小徑孔對填充因數和長徑比影響較小，主泵螺栓磁化規(guī)范的安匝數為4 800 A左右，即可初步確定主泵螺栓線圈連續(xù)法磁化規(guī)范的電流為1 200 A左右。

3.2.2有效磁化區(qū)域

連續(xù)法檢測時的有效磁化區(qū)域與剩磁法相同，檢測時同樣需要分段磁化。

3.2.3操作要點

磁化前先用磁懸液潤濕螺栓表面，磁化持續(xù)時間每次約3 s，間隔約2 s。至少反復磁化兩次，邊通電邊施加磁懸液，停止施加磁懸液至少1 s后才能停止磁化。

3.3磁軛法檢測縱向缺陷

3.3.1磁化規(guī)范

磁軛法檢測靈敏度是通過滿足磁軛提升力和標準靈敏度試片兩方面來保證的。根據RCCM及JB/T 4730.4-2005要求，磁軛間距為75～200 mm，結合主泵螺栓的圓柱曲面特點，確定合適的磁軛間距為90 mm左右。當磁軛間距最大時，通交流電后磁軛的提升力要大于45 N，能夠使標準靈敏度試片A1-30/100上的人工缺陷磁痕清晰顯示[9]。

3.3.2有效磁化區(qū)域

磁軛的磁場主要集中在兩個磁極之間，根據標準要求，磁軛法檢測的有效區(qū)域為兩極連線兩側各50 mm的范圍內，磁化區(qū)域每次應有不少于15 mm的重疊[3]。主泵螺栓在用磁軛周向磁化時，除了在軸線方向上需要分段磁化外，由于螺栓為曲面，沿周向方向每次磁化的角度范圍不得大于120°，并且注意保證一定的重合區(qū)域(沿螺栓表面周向掃查時相鄰兩次分段磁化區(qū)域的重合)。

3.3.3操作要點

必須注意調整磁極角度，使磁極與螺栓貼合緊密，保證磁極間距大于75 mm，檢測過程中適當旋轉磁軛角度，提高對不同方向缺陷的檢測靈敏度。

3.4后處理

檢測完成后需對主泵螺栓進行退磁和清洗，去除工件表面上任何部位殘留的磁懸液，然后進行干燥處理和涂抹防銹油。對于有磁痕顯示的螺栓進行標識并隔離存放。

4結論

(1) 主泵螺栓材料的矯頑力和剩磁強度較大，滿足標準和規(guī)范中對剩磁法檢測的要求。

(2) 采用檢測靈敏度很高的線圈連續(xù)法對主泵螺栓橫向缺陷進行檢測，通過計算、校準靈敏度試片并結合磁特性曲線確認檢測規(guī)范。

(3) 為了避免連續(xù)法檢測時螺紋區(qū)形成過度背景，采用線圈剩磁法作為補充，先對螺紋區(qū)橫向缺陷進行檢測，檢測靈敏度可以通過計算及有效磁化強度來保證。

(4) 采用磁軛法檢測主泵螺栓縱向缺陷時，檢測靈敏度通過磁軛提升力及標準靈敏度試片進行校核，檢測過程中適當旋轉角度，可以提高對不同方向缺陷的檢測靈敏度。

參考文獻:

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Magnetic Particle Inspection Technology of Primary Pump Casing Stud of Reactor Coolant

LI Shi-cheng, FANG Song-li, HUANG Shao-heng, GAO Jie-zong

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

Abstract：Based on the analysis of different magnetic particle inspection method and by considering the specifications, magnetic properties, stress condition of the primary pump casing stud and the feature of the defects of the defects to be detected, this article provides an optimized magnetic particle inspection technology for the primary pump casing stud. This technology had provided effective technical support for the inspection of the primary pump casing stud at Nuclear Power Station.

Key words:Pre-service inspection; Primary pump casing stud; Magnetic particle inspection technology

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0030-04

DOI:10.11973/wsjc201601008

作者簡介：李世成(1986-)，男，碩士，工程師，主要從事核電站施工管理工作。

收稿日期：2015-05-30