王樹昌，劉恩凱，施建輝，張大勇

(陽江核電有限公司，陽江 529500)

三代核電一體化堆頂結(jié)構(gòu)(IHP)將堆頂屏蔽、防飛射物裝置和反應(yīng)堆壓力容器頂蓋起吊裝置設(shè)計(jì)成不需拆除的一體化結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)堆換料期間既可簡化換料操作，又可以縮短停堆時(shí)間，并減小人員所受的放射性劑量，其安全性及經(jīng)濟(jì)性得到了顯著提升。

IHP結(jié)構(gòu)屬于核安全相關(guān)物項(xiàng)，設(shè)計(jì)、制造及檢測按照ASME標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其中，起吊三角架主要由U型夾銷、吊耳、支桿、Y型塊、分度桿等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在大修換料期間，可利用三角架組件將壓力容器的頂蓋和一體化堆頂組件一同吊起，其最大載荷量為800 t。按照設(shè)計(jì)文件要求，需要在機(jī)加工后及載荷試驗(yàn)后分別對各部件進(jìn)行表面磁粉檢測[1]，以保證現(xiàn)場使用安全。

圖1 IHP起吊三角架組件結(jié)構(gòu)示意

起吊三腳架包括18個(gè)關(guān)鍵物項(xiàng)，按照外形結(jié)構(gòu)主要分為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體型、板式結(jié)構(gòu)和異型件等。各個(gè)類型部件3D模型如圖2所示。

圖2 IHP起吊三角架各類型部件3D模型

1 檢測標(biāo)準(zhǔn)及磁粉檢測工藝制定

1.1 檢測標(biāo)準(zhǔn)分析

IHP設(shè)計(jì)文件中規(guī)定，以上物項(xiàng)為核安全相關(guān)物項(xiàng)，要求最終機(jī)加后及載荷試驗(yàn)后，應(yīng)按照 ASTM E 709-1995或 ASTM A 275-1998標(biāo)準(zhǔn)在兩個(gè)方向上(互相垂直)進(jìn)行100 %磁粉檢測，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為ASME BPVC Ⅲ NF(1998&2000增補(bǔ))分卷NF-5340。其中驗(yàn)收要求中作了如下規(guī)定。

(1) 零件有任何裂紋或者線性顯示則拒收。

(2) 有任何尺寸大于5 mm的圓形顯示則拒收。

(3) 在一條線上有4個(gè)或以上且邊緣相距不大于1.5 mm的圓形顯示則拒收。

(4) 在受評(píng)定的顯示區(qū)域中最嚴(yán)重的位置，任何一個(gè)表面積為4 000 mm2(該面積主要尺寸不超過150 mm)的區(qū)域內(nèi)有10個(gè)或者10個(gè)以上的圓形顯示則拒收。

設(shè)計(jì)文件規(guī)定磁粉檢測工藝參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 709-1995或ASTM A 275-1998。

其中，ASTM E 709-1995標(biāo)準(zhǔn)適用于焊縫、原材料、鍛件及最終材料等部件的磁粉檢測，基本涵蓋了各項(xiàng)部件的磁粉檢測工藝要求，屬于適用范圍較為寬泛的標(biāo)準(zhǔn)。而ASTM A 275-1998標(biāo)準(zhǔn)主要適用于鋼鍛件的磁粉檢測，專用于鍛件的磁粉檢測工藝要求，該標(biāo)準(zhǔn)僅允許使用直流電或者整流電(全波或半波)作為磁化方式的電流源。

考慮到表面及近表面缺陷檢測的深度以及標(biāo)準(zhǔn)的專項(xiàng)適用性，最終確認(rèn)三角架組件鍛件以ASTM A 275-1998標(biāo)準(zhǔn)作為檢測技術(shù)工藝標(biāo)準(zhǔn)，采用直流或全波/半波整流電進(jìn)行磁粉檢測。

雖然在ASTM A 275-1998標(biāo)準(zhǔn)中也注明了ASTM E 709-1995標(biāo)準(zhǔn)可用于由鋼鍛件制造的機(jī)械部件的現(xiàn)場磁粉檢測。但是在役階段的檢測，受空間、位置及現(xiàn)場實(shí)際情況的影響，使用交流磁軛法更為合適。

1.2 檢測工藝制定

起吊三角架的檢測部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大小不一，并且存在弧面、螺紋和盲孔等難以檢測的部位；同時(shí)局部區(qū)域存在結(jié)構(gòu)突變，容易形成非相關(guān)顯示，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照ASTM A 275-1998標(biāo)準(zhǔn)的要求，僅允許使用直流或全波/半波整流電進(jìn)行磁化檢測，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的檢測方法主要包括磁軛法、觸頭法、直接通電法、線圈法、中心導(dǎo)體法等。

1.2.1 圓柱形結(jié)構(gòu)磁粉檢測工藝

對于標(biāo)準(zhǔn)圓柱結(jié)構(gòu)的檢測，除了016號(hào)工件(起吊拉桿，長7 670 mm)以外的所有部件都使用機(jī)床進(jìn)行磁粉檢測(進(jìn)行縱向、周向磁化，一次性完成所有表面檢測)。根據(jù)之前的實(shí)際檢測試驗(yàn)，在電極上安裝固定鎖緊裝置，可以在機(jī)床上對工件進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，檢測順序?yàn)橹芟虼呕?縱向磁化-退磁[2]。

檢測的各部件結(jié)構(gòu)如圖3～5所示。001號(hào)工件為連接器上U型夾銷(見圖3)，選擇周向磁化電流為1 168～4 380 A；縱向磁化電流為2 500～3 500 A；檢測2次(以靈敏度試片為準(zhǔn))。005號(hào)工件為下連接銷(見圖4)，選擇周向磁化電流為1 200～4 380 A；縱向磁化電流為2 500～3 500 A；檢測2次(以靈敏度試片為準(zhǔn))。007/018號(hào)工件為三角架U型夾銷(見圖5)，選擇周向磁化電流為1 500～2 500 A；縱向磁化電流為3 200～5 000 A;檢測2次(以靈敏度試片為準(zhǔn))。

圖3 連接器上U型夾銷結(jié)構(gòu)示意

圖4 下連接銷結(jié)構(gòu)示意

圖5 三角架U型夾銷結(jié)構(gòu)示意

起吊拉桿(編號(hào)016，長7670 mm)的檢測方法分為縱向磁化與周向磁化。檢測軸向缺陷時(shí)，使用可移動(dòng)式小線圈進(jìn)行分段縱向磁化。磁化電流為1 600～3 600 A，分段次數(shù)為26次，磁場強(qiáng)度應(yīng)滿足靈敏度試片要求。起吊拉桿的縱向磁化檢測方法如圖6所示。

圖6 起吊拉桿(016)縱向磁化檢測示意

檢測軸向缺陷時(shí)，也可利用夾鉗夾住工件的兩端，進(jìn)行軸向通電以周向磁化工件。為了避免接觸處打火燒傷，應(yīng)清除掉與電極接觸部位的鐵銹、油漆等雜質(zhì),且必須在磁化電流斷電時(shí)進(jìn)行夾持或松開操作。磁化電流不應(yīng)過大，以免產(chǎn)生打火,如果一次性檢測完，那么理論上電流的大小為1 800～3 000 A。為了避免較大電流產(chǎn)生打火現(xiàn)象，應(yīng)將電流從1 800 A逐漸增大，直至磁場強(qiáng)度滿足靈敏度試片要求。起吊拉桿的周向磁化檢測示意如圖7所示。

圖7 起吊拉桿(016)周向磁化檢測示意

1.2.2 板式結(jié)構(gòu)磁粉檢測工藝

對板式結(jié)構(gòu)的檢測，原則上使用磁軛法、觸頭法。工件直接平放于地面上，翻轉(zhuǎn)一次就可以完成所有面的檢測。按照ASTM A 275-1998標(biāo)準(zhǔn)，需要使用直流磁軛進(jìn)行檢測，而觸頭法容易在機(jī)加工表面產(chǎn)生火花引起表面缺陷，因此放棄使用觸頭法。

按照ASTM A 275-1998標(biāo)準(zhǔn),在對IHP起吊三角架鍛件進(jìn)行直流磁軛法檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行A1靈敏度試片試驗(yàn)時(shí)，無法滿足靈敏度要求。在ASME BPVC V卷-2001第七章T 776.2節(jié)中也注明了除了厚度不大于6 mm的工件以外，在相等提升力下，對表面缺陷的檢測使用交流磁軛法優(yōu)于直流磁軛法。因此，直流磁軛法不能滿足現(xiàn)場檢測的需求。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)板材部件兩個(gè)方向的磁粉檢測，最終確定采用線圈法對該部件進(jìn)行檢查，通過對纏繞在零件上的電纜線通電進(jìn)行磁化，實(shí)現(xiàn)不同方向的缺陷檢測，磁化電流最終以A1靈敏度試片清晰顯示為準(zhǔn)。

002號(hào)部件連接器端板磁粉檢測時(shí)，線圈橫向纏繞的匝數(shù)為3匝，電流為3 000～5 000A，縱向纏繞的匝數(shù)為2匝，電流為4 0008 000A，板式結(jié)構(gòu)線圈法磁粉檢測方法如圖8所示。

圖8 板式結(jié)構(gòu)線圈法磁粉檢測方法示意

1.2.3 異型結(jié)構(gòu)磁粉檢測工藝

針對于異型件的檢測方法仍為線圈纏繞法，纏繞方向不同，檢測缺陷的方向也不同，檢測缺陷的方向應(yīng)始終與電纜纏繞的方向一致。不同異型結(jié)構(gòu)線圈法磁粉檢測方法如圖9，10所示。

圖9 異型結(jié)構(gòu)A線圈法磁粉檢測方法示意

圖10 異型結(jié)構(gòu)B線圈法磁粉檢測方法示意

2 檢測設(shè)備參數(shù)制定

通過對三角架組件結(jié)構(gòu)形式的分析，參照檢測標(biāo)準(zhǔn)及上述檢測工藝要求，總結(jié)出該類產(chǎn)品的磁粉檢測設(shè)備特性應(yīng)滿足的要求如下所述。

(1) 該設(shè)備主探傷機(jī)采用固定式機(jī)電分立型結(jié)構(gòu)，主要由直流電源控制柜、直流磁化電源、人機(jī)界面操作控制箱、交流磁化裝置、電氣控制系統(tǒng)、磁化及夾持裝置、磁懸液及回收系統(tǒng)、紫外線燈等部件組成。

(2) 該設(shè)備由中央處理器對檢測時(shí)的磁化電流、充電時(shí)間、充電次數(shù)、充電間隔、退磁電流等參數(shù)進(jìn)行數(shù)字顯示及控制。

(3) 該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)線圈法、直接通電法磁粉檢測。電纜線圈直徑不小于800 mm，可實(shí)現(xiàn)的棒材最大夾持長度為6 m。通過電動(dòng)或齒輪夾緊方式可以實(shí)現(xiàn)工件的固定，并可實(shí)現(xiàn)工件的轉(zhuǎn)動(dòng)，以360°觀察工件。

(4) 具備磁懸液噴淋裝置。固定式設(shè)備磁化電流(直流)為0～12 000 A,移動(dòng)式設(shè)備磁化電流(直流)為0～6 000 A。

3 檢測步驟及注意事項(xiàng)

3.1 檢測準(zhǔn)備及過程

3.1.1 工機(jī)具準(zhǔn)備

準(zhǔn)備的工機(jī)具包括：CZQ-12000E型和CED-6000A型交直流熒光磁粉探傷機(jī)、手電筒、卷尺(或鋼板尺)、紫外線強(qiáng)度輻射照度計(jì)、特斯拉計(jì)、八腳試塊(磁場指示器)、靈敏度試片、磁懸液濃度測定儀、紫外線防護(hù)設(shè)備、照度計(jì)、便攜式黑光燈等。

設(shè)備用途如下。

(1) 照度計(jì)。進(jìn)行熒光磁粉檢測的暗室內(nèi)，可見光的強(qiáng)度應(yīng)不大于20 lx。

(2) 紫外線照度計(jì)。被檢工件表面的紫外線照度應(yīng)不低于1 000 uw·mm-2。

(3) 特斯拉計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(E 709)試件任何一點(diǎn)處的剩磁應(yīng)不超過0.3 mT。

(4) 八腳試塊(磁場指示器)。其用于測定磁場的強(qiáng)度及方向。

(5) 手電筒。檢測過程中，便于照亮操作平臺(tái)，作為臨時(shí)性光源。

(6) 磁懸液濃度測定儀。對于熒光磁粉，建議在100 ml中的沉淀物體積為0.1 ml～0.4 ml。

(7) 黑光燈。在黑暗中使缺陷顯示出來，使用前應(yīng)至少預(yù)熱5 min，建議每一班次只開關(guān)一次，以免減少黑光燈的使用壽命。

3.1.2 零件準(zhǔn)備

被檢零件表面應(yīng)清潔、干燥、無污染物，特別是與磁極接觸的兩端，需清理干凈，不能存在油漆、鐵銹、氧化皮等雜質(zhì)。

應(yīng)提前根據(jù)被檢件的幾何形狀及尺寸確定檢測方法并計(jì)算檢測數(shù)據(jù)參數(shù)。

應(yīng)提前了解被檢測工件的具體狀態(tài)及外觀情況，考慮工件能否放置于機(jī)床上，對工件兩端的結(jié)構(gòu)應(yīng)作重點(diǎn)考慮。

注意螺紋與電極托盤是否接觸，以防對螺紋造成損傷。

對于零件上的小孔等結(jié)構(gòu)，必須使用有效的遮蓋物(例如橡皮泥)進(jìn)行覆蓋，防止因接觸磁懸液而對零件造成損傷。

3.1.3 設(shè)備準(zhǔn)備及操作

檢測前，應(yīng)先開機(jī)試用，使用標(biāo)準(zhǔn)試塊或自然缺陷試塊進(jìn)行檢定，確保設(shè)備處于完好狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算好的參數(shù)及確定的檢測方法，輸入檢測電流參數(shù)并實(shí)施檢測。檢查被檢測工件夾持情況是否滿足要求，應(yīng)確保夾緊力足夠。根據(jù)被檢工件的長度，預(yù)先設(shè)置好兩電極之間的長度及線圈的位置(卷尺測量)[3]。

實(shí)際操作中，應(yīng)將熒光磁懸液向被檢工件噴淋，使其表面獲得足夠的磁懸液，然后在磁化通電開始的同時(shí)終止噴淋。直接接觸通電法(軸向通電)的操作要領(lǐng)為使用直流或整流電流進(jìn)行磁化，并應(yīng)用磁場指示器來確定磁場強(qiáng)度是否恰當(dāng)。

線圈法(周向通電)的操作要領(lǐng)為使用直流或整流電流進(jìn)行磁化。所要求的磁場強(qiáng)度是以零件的長度和外徑為基礎(chǔ)，按照所采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，被檢零件每段長度不應(yīng)超過線圈零件的直徑，最終是否滿足磁化要求以磁場指示器的顯示為準(zhǔn)[4]。

4 結(jié)語

通過對技術(shù)規(guī)格文件及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究分析，制定了符合檢測標(biāo)準(zhǔn)的磁粉檢測工藝。受標(biāo)準(zhǔn)工藝要求及實(shí)際被檢工件結(jié)構(gòu)尺寸的影響，觸頭法及磁軛法不滿足檢測靈敏度要求，且機(jī)加工過程中其表面容易產(chǎn)生火花損傷，因此在該檢測中不允許使用。

針對棒材標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件，可使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的線圈法和直接通電法進(jìn)行磁粉檢測。針對板材、異型結(jié)構(gòu)件等復(fù)雜工件，應(yīng)采用電纜纏繞的方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的磁粉檢測。為滿足現(xiàn)場實(shí)際檢測需求，實(shí)際檢測中使用CZQ-12000E型熒光磁粉探傷機(jī)以及CED-6000A型移動(dòng)式磁粉探傷機(jī)。實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明，該套檢測設(shè)備可以滿足國產(chǎn)化三代核電IHP起吊三角架設(shè)備的磁粉檢測工作，檢測靈敏度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

該檢測設(shè)備的研制及檢測的成功實(shí)施，為三代核電IHP設(shè)備國產(chǎn)化過程的檢測工作提供了有力的支撐，為后續(xù)相關(guān)設(shè)備的檢測提供了一定參考。