一種用于核反應堆壓力容器遠程水下自動超聲檢測的相控陣探頭設計

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(中核武漢核電運行技術股份有限公司, 武漢 430223)

核動力裝置中最為核心和關鍵的就是反應堆壓力容器，其完整性對于核安全是至關重要的。隨著核電站運行時間的延長，金屬材料和焊縫的性能會逐漸降低，而在金屬內部產生不連續(xù)性，所以定期對反應堆壓力容器進行無損檢測是十分必要的，檢測能夠及時發(fā)現(xiàn)焊縫中產生的危險性缺陷，并進行處理，從而維護和保障核電設施的安全。

反應堆壓力容器是核電站反應堆冷卻劑壓力邊界的重要部位，主要用來包容和固定壓水堆的堆芯和堆內構件。反應堆壓力容器由法蘭環(huán)、上筒體、下筒體和底封頭組成，如圖1所示。反應堆壓力容器環(huán)焊縫的母材和焊接材料均為低合金鋼，焊縫的直徑一般大于3 000 mm，焊縫厚度范圍一般為150～300 mm，內表面不銹鋼堆焊層厚度一般為4～9 mm。在核電廠和核動力裝置的檢驗規(guī)范和大綱中，都對反應堆壓力容器環(huán)焊縫提出了超聲檢測的強制性要求。反應堆壓力容器處于高輻射的水下環(huán)境，因此必須采用遠程水下自動超聲檢測來提高工作效率，縮短作業(yè)時間，減少檢驗人員受輻照劑量。因此，非常有必要設計開發(fā)專用的相控陣探頭，將相控陣檢測技術應用于核反應堆壓力容器的遠程水下自動超聲檢測中，發(fā)揮相控陣檢測技術的優(yōu)勢，使檢測具有更高的直觀性和可靠性。

圖1 反應堆壓力容器結構組成與焊縫位置示意

1 檢測現(xiàn)狀和困難

隨著復合壓電晶片材料、脈沖信號控制以及信號處理分析技術的不斷發(fā)展，相控陣超聲技術以其優(yōu)越的性能越來越受到人們的重視。該技術通過控制相控陣探頭上每個獨立細小晶片的激發(fā)和接收時序，在不同的時間內相繼激發(fā)陣列探頭中的各個單元，各個晶片激發(fā)的波有先后，這些波的疊加就形成了新的波前，因此可以將超聲波的波前聚焦并控制到一個特定的方向，以不同角度輻射超聲波束，實現(xiàn)不同的聲波特性[1]。

一個相控陣探頭可以代替多個傳統(tǒng)的超聲探頭，提高了掃查過程的穩(wěn)定性和檢測效率[2]，比常規(guī)探頭自動超聲檢測更具優(yōu)勢，靈活性更強，成為了目前超聲檢測技術的發(fā)展方向[3]。相控陣檢測技術近些年也開始逐步在國內一些特種設備和核電設備的手動超聲檢測領域得到應用[4-5]，但并未廣泛應用于核電自動超聲檢測領域，特別是核反應堆壓力容器的相控陣超聲檢測應用幾乎為空白。

目前，將相控陣探頭應用于核反應堆壓力容器的遠程水下自動超聲檢測，存在如下技術困難：

(1) 在售的工業(yè)用相控陣探頭產品中，相控陣探頭與其電纜以及接頭(接儀器端)為整體式設計，探頭損壞時，必須將探頭和電纜一起更換，而無法在不更換電纜條件下實現(xiàn)放射性環(huán)境中相控陣探頭的快速水下更換。

(2) 在售的工業(yè)用相控陣探頭產品中，由于考慮信號傳輸衰減原因，其探頭電纜長度≤20 m，無法滿足核反應堆壓力容器遠程自動超聲檢測電纜長度至少40 m的要求。

(3) 在售的工業(yè)用相控陣探頭產品中大部分為楔塊外置分離式，檢測時是將楔塊轉配至探頭上的。楔塊材料為有機玻璃，在無保護的狀態(tài)下易被磨損，影響檢測結果，無法滿足核反應堆壓力容器自動超聲檢測對探頭耐磨性和耐輻照性的要求。

(4) 反應堆壓力容器環(huán)焊縫壁厚大，超聲檢測難度大，對探頭參數(shù)設計的準確性要求高。

2 設計方案

根據(jù)核電站核反應堆壓力容器所處的特殊環(huán)境，針對核反應堆壓力容器遠程水下自動超聲檢測的特殊要求，針對文中提到的技術困難，為設計出能夠滿足核反應堆壓力容器遠程水下自動超聲檢測的專用相控陣探頭，提出以下技術方案：

(1) 采用楔塊內置式整體探頭結構；

(2) 采用電纜分段式連接方式；

(3) 采用屏蔽線共接的接頭與電纜接線方式；

(4) 結合檢驗經(jīng)驗和相控陣探頭參數(shù)設計要求，設計相控陣探頭的具體參數(shù)。

3 設計實施

3.1 探頭結構

探頭結構的設計思路為：① 探頭結構應整體化；② 探頭楔塊不易磨損；③ 探頭抗干擾耐輻照。因此采用探頭晶片與楔塊固化為整體，楔塊內置式的整體結構，以及采用不銹鋼材料的外殼裝配，外殼壁厚不小于1 mm，外殼邊沿圓弧倒角，如圖2所示。

圖2 探頭外殼與結構組成示意

圖3 探頭電纜型式

3.2 電纜形式

探頭電纜形式的設計思路為：① 實現(xiàn)探頭的快速水下更換；② 保證信號能夠長距離傳輸；③ 減少衰減以保證檢測靈敏度。因此設計的相控陣探頭電纜采用分段式連接的型式，中間采用專用水下接頭進行轉接，如圖3所示。兩部分電纜長度分別為：電纜A長度不小于38 m，電纜B長度為2 m，即總長度不小于40 m，如圖4所示。采用20芯同軸集束電纜形式替代分散電纜形式，如圖5所示，每根電纜芯線直徑不小于0.2 mm，可以有效減少衰減。

圖4 探頭電纜結構示意

圖5 探頭電纜形式

3.3 電纜接線方式

探頭電纜接線方式的設計思路為：① 電纜屏蔽線有良好的接地性；② 長電纜具有良好的抗干擾性；③ 接頭針芯數(shù)少，體積小巧，便于安裝和轉接。

圖6 超聲電纜接線方式

通過試驗比較，水下轉接接頭與超聲同軸電纜之間的連接設計為屏蔽線共接的接線方式(見圖6)，即主電纜中每根同軸電纜的芯線分別與水下接頭的插針(或針座)一一對應連接，主電纜中每根同軸電纜的屏蔽線合并后與水下接頭的一根插針(或針座)連接。

3.4 探頭參數(shù)

(1) 相控陣探頭頻率

探頭頻率越低，聲波波長越長，在晶片寬度一定的情況下聲束偏轉能力越強，即探頭可控角度范圍越大。頻率越高，聲波波長越短，能提高缺陷檢測靈敏度[6]。綜合考慮，選取相控陣探頭頻率為2 MHz。

(2) 相控陣探頭晶片數(shù)量

為保證相控陣探頭有足夠的聲束偏轉能力，能夠在被檢對象中產生45°～60°橫波，相控陣探頭的晶片數(shù)量應足夠多。同時，考慮到探頭整體尺寸不宜太大，探頭外殼尺寸應不大于40 mm為宜，因此選取相控陣探頭晶片數(shù)量為20片。

(3) 相控陣探頭晶片中心距

相控陣探頭兩個相鄰晶片間的中心距p會影響到聲束柵瓣，p值過大會產生較強的聲束柵瓣現(xiàn)象，柵瓣出現(xiàn)的相位角為θlobe=±λ/p(λ為楔塊中聲波波長)，如圖7所示。一般要求P<λ(λ=1.17 mm)，故設計相控陣探頭兩個相鄰晶片間的中心距p=1.0 mm。

圖7 p值對聲束柵瓣的影響

(4) 相控陣探頭楔塊角度

已知楔塊聲速v1=2 330 m·s-1，鋼中橫波聲速v2=3 230 m·s-1，設計相控陣探頭聲束無偏轉時，聲波在鋼中入射角θ2=52.5°，根據(jù)超聲波折射定律sinθ1/sinθ2=v1/v2[2](其中θ1為探頭楔塊角度)，計算得出θ1=34.9°，如圖8所示。

圖8 探頭的楔塊角度示意

4 探頭效果

設計的專用相控陣探頭通過測試和實際應用，達到了如下的檢測性能與效果：

(1) 探頭采用楔塊內置式整體結構，外殼材料為不銹鋼，保護了探頭楔塊(不易受磨損)，提高了探頭的耐磨性和耐輻照性，同時保證了探頭結構的整體性。

(2) 相控陣探頭電纜的分段式結構，可在不更換電纜條件下，實現(xiàn)放射性環(huán)境中相控陣探頭的快速水下更換。

(3) 電纜總長度能夠實現(xiàn)遠程超聲檢測，且保證了超聲信號經(jīng)過長距離傳輸后仍有足夠的靈敏度。在相同信號傳輸距離的條件下進行測試后證明，該方式下相控陣探頭長距離信號傳輸靈敏度余量大于常規(guī)探頭長距離信號傳輸靈敏度余量至少6 dB，滿足遠程自動超聲檢測的需求。

(4) 水下轉接接頭與超聲同軸電纜之間的連接采用屏蔽線共接的接線方式，等效于增加了屏蔽線線徑，提高了超聲電纜的抗干擾性，同時減小了水下轉接接頭針芯數(shù)和接頭直徑，便于轉接頭的安裝和轉接操作。

(5) 對設計的相控陣探頭進行聲場模擬測試，其聲場指標正常，主瓣波角度正常，無明顯柵瓣波，測試結果達到了遠程水下自動超聲檢測的需求，測試結果如圖9所示。

(6) 對設計的相控陣探頭進行性能實測試驗，探頭能夠激發(fā)所要求角度的聲束，試塊中反射體回波信號正常，測試結果達到了遠程水下自動超聲檢測的需求。

圖9 相控陣探頭聲場模擬測試結果

5 結語

通過技術原理分析與試驗研究，設計開發(fā)了特殊的專用相控陣探頭，解決了放射性水下環(huán)境中使用相控陣探頭進行遠程自動超聲檢測的技術難題，為實現(xiàn)將相控陣檢測技術應用于核反應堆壓力容器的自動檢測打下了技術基礎。

[1] 鐘志民,梅德松.超聲相控陣技術的發(fā)展及應用[J].無損檢測，2002,24(2)：69-71.

[2] 謝航,張益成,周禮峰，等. 奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲相控陣檢測[J].無損檢測2017,39(3)：23-29.

[3] 張侃,楊力,王學權，等.超聲相控陣技術的發(fā)展及其在核工程無損檢測中的應用[J].無損檢測，2017,39(5)：42-48.

[4] 左延田,方雨,劉晴巖,等．角焊縫裂紋類缺陷相控陣超聲檢測工藝[J]．無損檢測, 2016,38(6)：6-9.

[5] 張益成,邱進杰,蔡家藩,等．核電樅樹型汽輪機葉片根部的超聲相控陣檢測技術[J]．無損檢測，2014,24(2)：69-71.

[6] 中國特種設備檢驗協(xié)會.超聲檢測[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2010.