核電站M56螺栓超聲檢驗技術淺談

周偉

摘 要：本文針對核電站M56螺栓的特殊性，通過試驗選擇最適合M56螺栓超聲檢測技術，研究了不同角度不同頻率超聲探頭檢測的結果及不可達區。結果表明：僅通過超聲檢測方法無法實現對M56螺栓檢驗區域的完全覆蓋，必須輔以滲透、目視等其他無損檢測方法。

關鍵詞：核電站 超聲檢測 螺栓

中圖分類號：TL4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0004-02

Discussion M56 Dolt Ultrasonic Testing of Nuclear Power Station

Zhou Wei

（CGNPC Inspection Technology Co.，Ltd，Suzhou Jiangsu，215004，China）

Abstract：According to the particularities of nuclear power station M56 bolts， selected the most suitable Ultrasonic Testing Technology for M56 by test， Studied on ultrasonic probe detection results of different frequencies at different angles and unreachable areas. The results showed that： only by ultrasonic detection method can not achieve complete coverage of M56 bolt inspection region， it must be supplemented by penetration， visual and other non-destructive testing methods.

key Words：Nuclear Power Station；Ultrasonic Inspection；Bolt

隨著國家大力發展核電站，螺栓成為核電站設備中重要部件，在蒸汽發生器、穩壓器等一級部件中被廣泛使用。然而在核電站長期運行狀況下，螺栓常年處于高溫、高壓和高輻射環境中，螺栓材料易產生熱脆、蠕變、疲勞裂紋以及應力腐蝕等缺陷，而且螺栓在運行過程中受到沿軸面的拉升力，這個力隨著設備受力的變化而變化，最終作用的結果使螺紋最薄弱處—齒根部由于應力集中而產生缺陷，這種缺陷一般是與螺栓軸線垂直的橫向裂紋[1]，再者在安裝過程中由于預緊力過高或者不慎燒傷中心孔等原因，螺栓也易產生裂紋。如果螺栓由于缺陷發生斷裂，將會導致重大事故，因而為確保設備安全運行，加強對螺栓的有效檢驗甚為重要。

通常蒸汽發生器和穩壓器采用的螺栓規格為M48，通常采用常規0°探頭從螺栓兩個端面對光桿區和兩端的螺紋區進行檢測，能完全覆蓋檢驗區。但在核電站服役的過程中，由于一些特殊原因，如螺栓孔螺紋損壞等導致螺栓孔擴孔而采用M56螺栓。此時采用常規的超聲檢測方法無法完全覆蓋螺栓檢驗區，所以本文針對M56螺栓采用不同角度不同頻率的超聲探頭進行試驗，以尋找一種最佳的超聲檢驗技術，同時確定超聲檢驗不可達區范圍，進而對不可達區輔以滲透、目視等其他無損檢驗方法以確保完全覆蓋整個螺栓檢驗區，達到客觀地評價螺栓的質量，從而保證核電站的安全。

1 方法論述

1.1 超聲檢驗基本原理

超聲波是一種機械波，傳播的必要條件是振源和傳播介質。振源發出聲波，經過傳播介質（即被檢物體）傳播，再返回傳感器，通過接收回波的大小、位置來判斷有無缺陷及缺陷的嚴重程度。[2]

超聲檢測（Ultrasonic Testing），業內人士簡稱UT，是工業無損檢測（Nondestructive Testing）中應用最廣泛、使用頻率最高且發展較快的一種無損檢測技術。

超聲檢測分類方式有多種。

（1）按原理分類：超聲波脈沖反射法、衍射時差法、穿透法和共振法。

（2）按顯示方式分類：A型顯示、超聲成像顯示（B、C、D、S、P型等）。

A型顯示的超聲波脈沖反射法工作原理：聲源產生的脈沖波進入到工件中，超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播。當遇到兩側聲阻抗有差異的界面時（聲阻抗存在差異往往是因為材料中某種不連續性造成，如裂紋、氣孔、夾渣等）部分聲波被反射，檢測設備接受和顯示：分析聲波幅度和位置等信息，評估缺陷是否存在或存在缺陷的大小位置等。

1.2 M56螺栓檢驗區

如圖1所示，M56螺栓檢驗區為A端M56螺紋區﹑M48螺紋區以及兩者之間的光桿區（圖中斜線區）。M48螺栓采用10Z10N探頭從A﹑B端面即可覆蓋整個檢驗區。而M56螺栓則存在不可達區。

1.3 超聲檢驗試驗方案

螺栓檢測一般采用將直探頭放在螺栓端面上探測，必要時可采用各種角度斜探頭加以驗證。縱波斜探頭一般適用于柔性有中心孔螺栓的本側探傷，橫波斜探頭主要用于柔性有中心孔螺栓的對側[3]。本次超聲試驗采用A型脈沖反向超聲波探傷儀，型號為CTS-4020，探頭選用縱波直探頭﹑小角度縱波斜探頭和橫波斜探頭。縱波直探頭選用10Z10N，小角度縱波斜探頭選用4°﹑7°以及8.5°，頻率均為5MHz，橫波斜探頭選用70°89，頻率為4MHz。

（1）從A端面采用縱波直探頭以及不同小角度縱波斜探頭進行試驗，確定不可達區以及超聲反射信號，不可達區試驗數據如表1。

從表1可以看出，從A端面無論采用縱波直探頭還是小角度縱波斜探頭進行超聲檢測都無法完全覆蓋M56螺紋區，相比較而言采用7°和8.5°探頭的不可達區較小，均為9 mm，但7°相對于8.5°在不可達區邊緣的聲壓弱很多，信號反射強度也弱很多。

（2）從M56和M48螺紋區之間的光桿區采用斜探頭進行試驗。

①通過CAD計算可以看出，要想完全覆蓋M56螺紋區，在光桿區采用斜探頭的角度應≥69°。

②選用70°4MHz 8ⅹ9橫波探頭進行仿真，聲束方向（如圖1）和聲場仿真如圖（如圖2）。

從圖（2）可以看出，70°探頭雖然可以覆蓋M56螺紋區，但由于螺栓中心直徑Φ4的中心孔，超聲波在中心孔的弧面上發生散射，導致在M56靠近A端面螺紋的聲壓明顯減弱。

之后在參考試塊的M56螺紋區制作寬為0.2 mm，深為1 mm的刻槽，選用弧面探頭MWB70-4在參考試塊上進行實驗，發現70°探頭對刻槽的反射信號比螺紋反射信號稍高，但很難分辨，不足以清晰的識別缺陷。所以采用光桿區橫波斜探頭也無法完全覆蓋M56螺栓檢驗區，仍存在不可達區。

2 實驗結果

（1）從端面采用小角度斜探頭無法完全覆蓋M56檢驗區，相比較而言采用8.5°小角度探頭所覆蓋的區域最大，信號反射效果最佳。

（2）從光桿區增加大角度斜探頭無法覆蓋不可達區，且由于螺栓中心孔的干擾，導致聲壓明顯減弱，而螺紋的反射信號也非常明顯，導致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺紋反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）針對M56螺栓檢測，單獨通過超聲檢驗方式無法完全覆蓋檢驗區，必須輔以其他無損檢測方法。

3 結論

綜上所述，M56螺栓檢測方法可以先采用縱波直探頭從A﹑B端面進行掃查，再采用8.5°小角度斜探頭從A端面對M56螺紋區進行掃查，最后對M56螺紋區不可達區輔以目視和滲透的補充檢測。同時超聲檢測時靠近A端面處M56螺紋反射信號明顯減弱，所以輔以目視和滲透補充檢測時要對不可達區的范圍適當擴大，以防漏檢。通過超聲、目視和滲透多種無損檢測技術綜合運用，實現對M56螺栓檢驗區的完全覆蓋，從而保證螺栓的質量，保證核電站的安全。

參考文獻

[1] 代利軍.超聲波檢測主螺栓裂紋波與假信號識別[J].無損探傷，2004（8）.

[2] 劉秀麗.超聲波檢測螺栓頭下裂紋的檢測概率曲線測定[J].機械強度，2002，24（4）：626-627.

[3] 電力行業電站金屬材料標準化技術委員會.DL/T 694-2012高溫緊固螺栓超聲檢驗技術導致[M].北京：中國電力出版社，2012.

（2）從M56和M48螺紋區之間的光桿區采用斜探頭進行試驗。

①通過CAD計算可以看出，要想完全覆蓋M56螺紋區，在光桿區采用斜探頭的角度應≥69°。

②選用70°4MHz 8ⅹ9橫波探頭進行仿真，聲束方向（如圖1）和聲場仿真如圖（如圖2）。

從圖（2）可以看出，70°探頭雖然可以覆蓋M56螺紋區，但由于螺栓中心直徑Φ4的中心孔，超聲波在中心孔的弧面上發生散射，導致在M56靠近A端面螺紋的聲壓明顯減弱。

之后在參考試塊的M56螺紋區制作寬為0.2 mm，深為1 mm的刻槽，選用弧面探頭MWB70-4在參考試塊上進行實驗，發現70°探頭對刻槽的反射信號比螺紋反射信號稍高，但很難分辨，不足以清晰的識別缺陷。所以采用光桿區橫波斜探頭也無法完全覆蓋M56螺栓檢驗區，仍存在不可達區。

2 實驗結果

（1）從端面采用小角度斜探頭無法完全覆蓋M56檢驗區，相比較而言采用8.5°小角度探頭所覆蓋的區域最大，信號反射效果最佳。

（2）從光桿區增加大角度斜探頭無法覆蓋不可達區，且由于螺栓中心孔的干擾，導致聲壓明顯減弱，而螺紋的反射信號也非常明顯，導致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺紋反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）針對M56螺栓檢測，單獨通過超聲檢驗方式無法完全覆蓋檢驗區，必須輔以其他無損檢測方法。

3 結論

綜上所述，M56螺栓檢測方法可以先采用縱波直探頭從A﹑B端面進行掃查，再采用8.5°小角度斜探頭從A端面對M56螺紋區進行掃查，最后對M56螺紋區不可達區輔以目視和滲透的補充檢測。同時超聲檢測時靠近A端面處M56螺紋反射信號明顯減弱，所以輔以目視和滲透補充檢測時要對不可達區的范圍適當擴大，以防漏檢。通過超聲、目視和滲透多種無損檢測技術綜合運用，實現對M56螺栓檢驗區的完全覆蓋，從而保證螺栓的質量，保證核電站的安全。

參考文獻

[1] 代利軍.超聲波檢測主螺栓裂紋波與假信號識別[J].無損探傷，2004（8）.

[2] 劉秀麗.超聲波檢測螺栓頭下裂紋的檢測概率曲線測定[J].機械強度，2002，24（4）：626-627.

[3] 電力行業電站金屬材料標準化技術委員會.DL/T 694-2012高溫緊固螺栓超聲檢驗技術導致[M].北京：中國電力出版社，2012.

（2）從M56和M48螺紋區之間的光桿區采用斜探頭進行試驗。

①通過CAD計算可以看出，要想完全覆蓋M56螺紋區，在光桿區采用斜探頭的角度應≥69°。

②選用70°4MHz 8ⅹ9橫波探頭進行仿真，聲束方向（如圖1）和聲場仿真如圖（如圖2）。

從圖（2）可以看出，70°探頭雖然可以覆蓋M56螺紋區，但由于螺栓中心直徑Φ4的中心孔，超聲波在中心孔的弧面上發生散射，導致在M56靠近A端面螺紋的聲壓明顯減弱。

之后在參考試塊的M56螺紋區制作寬為0.2 mm，深為1 mm的刻槽，選用弧面探頭MWB70-4在參考試塊上進行實驗，發現70°探頭對刻槽的反射信號比螺紋反射信號稍高，但很難分辨，不足以清晰的識別缺陷。所以采用光桿區橫波斜探頭也無法完全覆蓋M56螺栓檢驗區，仍存在不可達區。

2 實驗結果

（1）從端面采用小角度斜探頭無法完全覆蓋M56檢驗區，相比較而言采用8.5°小角度探頭所覆蓋的區域最大，信號反射效果最佳。

（2）從光桿區增加大角度斜探頭無法覆蓋不可達區，且由于螺栓中心孔的干擾，導致聲壓明顯減弱，而螺紋的反射信號也非常明顯，導致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺紋反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）針對M56螺栓檢測，單獨通過超聲檢驗方式無法完全覆蓋檢驗區，必須輔以其他無損檢測方法。

3 結論

綜上所述，M56螺栓檢測方法可以先采用縱波直探頭從A﹑B端面進行掃查，再采用8.5°小角度斜探頭從A端面對M56螺紋區進行掃查，最后對M56螺紋區不可達區輔以目視和滲透的補充檢測。同時超聲檢測時靠近A端面處M56螺紋反射信號明顯減弱，所以輔以目視和滲透補充檢測時要對不可達區的范圍適當擴大，以防漏檢。通過超聲、目視和滲透多種無損檢測技術綜合運用，實現對M56螺栓檢驗區的完全覆蓋，從而保證螺栓的質量，保證核電站的安全。

參考文獻

[1] 代利軍.超聲波檢測主螺栓裂紋波與假信號識別[J].無損探傷，2004（8）.

[2] 劉秀麗.超聲波檢測螺栓頭下裂紋的檢測概率曲線測定[J].機械強度，2002，24（4）：626-627.

[3] 電力行業電站金屬材料標準化技術委員會.DL/T 694-2012高溫緊固螺栓超聲檢驗技術導致[M].北京：中國電力出版社，2012.