核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置設計研究

周文+辛露+朱良

【摘 要】核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫關系著核反應核反應堆壓力容器安全運行，為有效避免安全事故的發(fā)生，必須對該類焊縫進行無損檢測。其他常規(guī)無損檢測方法相比，超聲檢測具有檢測成本低、速度快、靈敏度高、儀器輕、對現(xiàn)場環(huán)境要求低等優(yōu)點。然而，核容器及體環(huán)焊縫的役前和在役檢測的工作量巨大，工作環(huán)境及其惡劣，要求檢測裝置需具備結構簡單、安裝方便、穩(wěn)定性好等特點。為此，本文提出了一種核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置，其能夠按照相關檢查規(guī)范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了放射性射線對人體的照射，提高了檢測數(shù)據(jù)的準確性及可靠性。

【關鍵詞】核反應堆壓力容器；環(huán)焊縫；超聲檢查裝置

0 引言

筒體環(huán)焊縫屬于一回路系統(tǒng)無損檢測主要對象之一，根據(jù)無損檢查規(guī)范要求，需要對此焊縫進行超聲檢測，超聲波檢測具有明顯的優(yōu)勢，一方面由于其經(jīng)濟實用、操作簡便，在鑄件生產(chǎn)廠家中廣泛應用；另一方面，由于超聲波檢測定量定位相對準確、直觀，在質(zhì)量控制過程中應用廣泛[1]。

反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查主要受到堆焊層、奧氏體焊縫存在的粗大柱狀晶組織以及焊縫附近復雜的幾何結構形狀等因素的影響。超聲波在該焊縫中傳播時在奧氏體晶界面發(fā)生嚴重的散射以及波型轉(zhuǎn)換，引起超聲波嚴重衰減，信噪比顯著下降。奧氏體晶粒的各向異性引起聲束彎曲，造成缺陷定位不準等問題[2]。同時在核電工業(yè)的安全運營中，核容器及體環(huán)焊縫的役前和在役檢測至關重要，其巨大的工作量及其惡劣的工作環(huán)境要求檢測裝置需具備結構簡單、安裝方便、穩(wěn)定性好且質(zhì)量輕等特點[3]。

1 檢查對象介紹

核電站壓力容器（圖1）是核反應堆冷卻劑壓力邊界的核心部件之一，它由法蘭環(huán)、筒身段、進出水口接管等筒體組合件、頂蓋組合件、底封頭以及法蘭密封結構組成，其中筒體環(huán)焊縫是指法蘭環(huán)與筒身段之間的連接焊縫以及筒身段自身之間的連接焊縫。壓力容器結構如下圖1所示，不同的堆型，其筒體焊縫數(shù)量也不同，一般由上筒體環(huán)焊縫和下筒體環(huán)縫兩條筒體環(huán)焊縫兩條焊縫組成。

圖1 壓力容器示意圖

1.法蘭環(huán)；2.上筒體環(huán)焊縫；3.筒體；4.下筒體環(huán)焊縫；5.底封頭

筒體焊縫屬于一回路高劑量區(qū)，檢查時，其容器內(nèi)充滿放射性去離子水，要想對此處焊縫進行超聲檢查，手動超聲難度較大。為提高其超聲檢查的可靠性和檢查效率，本文提出了一種核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置，其能夠按照相關檢查規(guī)范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了人體受放射性射線照射，提高了檢測數(shù)據(jù)的準確性及可靠性，為核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查帶來幫助。

2 核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置整體設計

2.1 結構設計

筒體掃查工具安裝于壓力容器檢查設備上，壓力容器檢查設備安裝于壓力容器法蘭面，此設備有沿壓力容器軸向上下升降的升降軸，同時還有一個沿壓力容器軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，筒體掃查工具安裝示意如圖1所示，筒體掃查分為軸向掃查與周向掃查兩種掃查，即筒體掃查軸與旋轉(zhuǎn)軸交替為掃查軸，另一個為步進軸。

核電站核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置主要由直線伸縮部件、底板組件、托盤組件組成，直線伸縮部件由彈簧繩、外套筒、伸縮氣缸、徑向?qū)к墶?nèi)套筒、徑向滑塊等零部件構成。在徑向?qū)к壓蛷较蚧瑝K的限制下，氣缸的伸縮可以帶動內(nèi)套筒前后伸縮，底板組件安裝于內(nèi)套筒上，故設備安裝過程中，氣缸處于收回狀態(tài)，當設備抵達筒體焊縫附近時，氣缸處于伸出狀態(tài)，此時，探頭托盤緊貼壓力容器內(nèi)表面，實現(xiàn)探頭在壓力容器內(nèi)表面貼合掃查。

底板組件由滾珠絲杠、螺母座、軸向滑塊、軸向?qū)к?、驅(qū)動元件、底板等零部件組成。驅(qū)動元件運動可以帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，同時在軸向?qū)к壓洼S向滑塊限制下，絲杠旋轉(zhuǎn)可以帶動螺母座上下運動，而托盤組件安裝于螺母座上，最終實現(xiàn)托盤探頭的上下運動。

9.滾珠絲杠；12.軸向滑塊；13.軸向?qū)к墸?4.螺母座

2.2 整個掃查裝置系統(tǒng)介紹

壓力容器檢查系統(tǒng)包括機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、超聲系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等。控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)及超聲系統(tǒng)遠程控制流程如圖5所示，控制電腦控制設備正常運轉(zhuǎn)，最終帶動探頭托盤滿足軸向與周向檢查，探頭的信號會傳給超聲儀，最終超聲儀的信號會經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸給采集電腦，完成數(shù)據(jù)采集與分析工作。除了此三套系統(tǒng)外，還有一個視頻系統(tǒng)，對整個掃查過程中運動過程進行監(jiān)控，目的防止探頭托盤與障礙物碰撞，視頻系統(tǒng)中攝像頭通過電纜將圖象傳給視頻控制器，視頻控制器再將圖象傳給監(jiān)控電腦。筒體掃查裝置只是壓力容器檢查系統(tǒng)的一個運動軸，壓力容器檢查系統(tǒng)是由多個這樣的子系統(tǒng)組成。

圖5 遠程控制流程

3 主要技術特點

3.1 直線伸縮組件研究

直線伸縮技術由內(nèi)套筒、外套筒、伸縮氣缸、徑向?qū)к墶较蚧瑝K等零部件組成，在導軌滑塊副的限制下，伸縮氣缸伸出與收回能實現(xiàn)底板伸出與收回功能，在掃查過程中，該氣缸又具有緩沖作用，保證在掃查過程中托盤始終貼合良好；采用氣缸作為執(zhí)行單元，成功替代傳統(tǒng)電機驅(qū)動絲杠螺母副的直線運動單元與托盤前端恒力彈簧自緩沖掃查機構，簡化了機械結構的同時，減少了自緩沖結構，使得前端托盤組件占用壓力容器徑向尺寸更小，伸縮臂的伸縮行程變的更大，從而更能滿足壓力容器內(nèi)徑變化大的堆型。

3.2 出現(xiàn)故障時，直線伸縮組件如何具備出水狀態(tài)的研究

防意外自動拉回技術由彈簧繩實現(xiàn)，當伸縮氣缸出現(xiàn)意外而無法收回時，彈簧繩靠自身彈簧力作用可以將底板拉至收回狀態(tài)，當設備處于收回狀態(tài)時，才能具備設備出水條件，當彈簧繩自身彈力與伸縮氣缸均無法收回時，可以借助長桿的作用，拉扯兩個導向輪間的彈簧繩，使得底板組件在外力的作用下，被外力強行拉至收回狀態(tài)，使其具備設備出水狀態(tài)。

3.3 托盤在水下如何實現(xiàn)軸向掃查與周向掃查的研究

由于掃查過程包括軸向和周向兩個掃查方向，因此，在一次裝夾下，完成一個方向掃查后需要將托盤旋轉(zhuǎn)九十度來實現(xiàn)另一方向掃查，為了減少更換托盤次數(shù)，提高掃查效率，減少人體被照射劑量，該裝置中設計了旋轉(zhuǎn)氣缸可以實現(xiàn)這一功能。選擇旋轉(zhuǎn)氣缸的原因是簡單可靠，且控制方便，氣管比電纜也更輕便，利于維護。

3.4 掃查組件研究

掃查組件的運動好壞直接影響其掃查結果，因此，此掃查軸設計時，采用電機作為執(zhí)行單元，目的是為了記錄掃查過程中托盤位置，且能將此位置發(fā)送至超聲儀，然后由執(zhí)行單元帶動絲杠螺母副工作，在導軌滑塊副的限制下，執(zhí)行單元的正反旋轉(zhuǎn)帶動托盤組件沿絲杠軸向上下升降運動，最終保證運動過程勻速可調(diào)。

4 檢查裝置調(diào)試及現(xiàn)場應用

檢查裝置多次在實驗大廳和現(xiàn)場完成調(diào)試，調(diào)試過程中運行平穩(wěn)，狀態(tài)良好，模擬掃查過程均能滿足現(xiàn)場檢查要求。目前已經(jīng)完成了多次役前及在役檢查，通過改變后端伸縮部件的行程，可以滿足各種不同直徑的壓力容器掃查。

5 結語

本文提出了一種核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查裝置，具有防意外自動收回技術、托盤可旋轉(zhuǎn)技術、掃查過程中上下移動技術、直線伸縮技術等技術特點，其能夠按照相關檢查規(guī)范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了人體放受射性射線照射，提高了檢測數(shù)據(jù)的準確性及可靠性。為核反應堆壓力容器筒體環(huán)焊縫超聲檢查帶來幫助。

【參考文獻】

[1]曾偉，楊先明，王海濤，等.激光超聲技術及其應用[J].無損檢測，2013，35（12）：49-51.

[2]王俊濤，王龍，陳姝，張軍.反應堆壓力容器接管安全端超聲檢查裝置設計研究[J].機械工程師，2015，1：71-73.

[3]蘇會.石油鉆機鋼結構焊縫的無損檢測應用研究[D].東北石油大學，2014.

[責任編輯：湯靜]