核電站貫穿件超聲檢測探頭架結構設計與分析

諶梁，王振華，陳國棟

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

壓水堆核電站由核島、常規島和配套設施三部分組成。核島回路是由反應堆、蒸汽發生器、主冷卻劑循環泵、穩壓器和主管道等設備組成的密閉式高壓循環回路[1]，其作用是將反應堆堆芯內核裂變所釋放的大量熱能導出，傳給蒸汽發生器二次側的給水，使之產生飽和蒸汽送入常規島的汽輪機做功，帶動發電機發電。將飽和蒸汽傳送至汽輪機的管道叫做主蒸汽管道(VVP)，做功后將冷卻劑傳送至蒸汽發生器二次側的管道叫做主給水管道(ARE)，這兩種管道連接在核島與常規島之間，貫穿于核島墻體，所以稱為貫穿件。在貫穿件的兩端，管道與貫穿件焊接連接，由于管道內承受高壓，根據核電站建設和運行要求，需對此貫穿件焊縫進行超聲檢測，這就是本文研究的對象，壓水堆核電站運行原理見圖1。

圖1 壓水堆核電站運行原理

1 管道檢測研究現狀

自20世紀60年代，歐美國家政府支持管道檢測的產學研合作，投入大量人力、物力進行了管道檢測技術的開發，已開發出較多種類的管道檢測設備，其定位、定量精度均已達到較高水平[2]。管道檢測設備主要應用于石油化工行業、長距離輸氣輸水管道、承壓管道、城市排水管道[3]。

目前，國內外已有很多機構研究管道超聲檢測設備，如美國ZETEC公司，法國AREVA公司，日本OLYMPUS公司，國內也有多家無損檢測公司進行該方面研究。常見的管道掃查器見圖2。該類設備由周向導軌、軸向驅動模塊、超聲探頭架及電纜組成，其探頭架占用的徑向空間較大。

圖2 常見管道超聲掃查器

對于如ARE和VVP貫穿件等管道，其徑向空間有限，管道結構示意圖見圖3。該類型管道外側有罩管，徑向空間受限。進行該管道的檢測時，要求探頭架徑向尺寸小，而且需要提供足夠的耦合壓力，常見的超聲掃查器無法進行該管道的超聲檢測，需設計新型的超聲探頭架，并分析其耦合壓力是否能滿足要求。

圖3 ARE、VVP管道結構示意圖

圖4 VVP、ARE貫穿件罩端部空間

VVP管道焊接部分厚度尺寸是36mm，焊縫寬度約為26mm，是U型焊接坡口，如圖5所示。ARE焊縫高度是28mm，焊縫寬度約為21mm，U型坡口，如圖6所示。

圖5 VVP貫穿件焊接坡口圖

圖6 ARE貫穿件焊接坡口圖

2 探頭架結構設計

常見的一種探頭架見圖7，一般包括與掃查器本體的連接口、探頭滑動行程模塊、提供耦合力的彈簧和安裝探頭的安裝架[4]。此探頭架需要管道徑向空間較大，彈簧被壓縮，產生耦合力，使探頭貼緊被檢件。

圖7 一種常用的超聲探頭架

針對貫穿件管道檢測專門設計了一款扁平式的多連桿探頭架，如圖8所示。

圖8 扁平式多連桿探頭架

該探頭架主要由多連桿機構、2個氣缸、探頭安裝架和探頭組成。扁平式設計可減小探頭架徑向高度尺寸。

3 探頭架靜力學分析

可將圖8所示探頭架簡化成以下多連桿機構模型，見圖 9。

更有信佛的信徒說，李駟峋假信佛，真行兇，假借信佛之名，搜羅天下名貴香爐，遍尋世上貴重香料，弄得天怒人怨。菩薩脾氣再好，也會生氣，有道是，我佛慈悲，亦作獅子吼。菩薩一生氣，就把他的魂收走了。李駟峋臨死前那股異香，其實是菩薩留下的標記。常人哪來的異香？更不用說是大惡人了。

圖9 探頭架簡化模型

該機構的自由度分析：桿1、桿2、桿3 為活動構件，桿1和桿2之間為氣缸，是移動副，另3處連接為鉸接副，Fn為探頭與檢測面之間的壓力。

對機構進行運動自由度分析：n=3；低副數PL=4；無高副，PH=0；自由度F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0 =1，可知該機構具備確定的相對運動，且動力源為氣缸；其中氣缸缸徑為10mm，1個探頭架對稱布置2個氣缸。

對桿3進行受力分析，見圖10。

圖10 桿3受力分析

以鉸接點為中心，對其力矩平衡，有以下關系：

F1×L1=Fn×L2

(1)

其中F1為桿1和桿2之間的力，等于氣缸產生的壓力

(2)

根據式(1)和式(2)可計算出Fn，并考慮到兩個氣缸為對稱布置。

(3)

根據實測，L1/L2=0.2，其變化范圍很小。

由式(3)可知，在氣缸型號確定下，給定氣缸內部壓力P，可得到探頭的耦合壓力Fn。

4 探頭架耦合力實驗分析

4.1 影響檢測結果的因素

超聲探頭通過耦合劑與被檢工件表面接觸，由探頭內部的壓電晶片發出超聲波，通過耦合劑進入工件。超聲波在工件內經反射體反射后，在超聲儀形成一個反射回波[6]，回波信號幅值代表缺陷大小，回波信號幅值受到3方面影響：1)反射體性質；2)耦合劑性質；3)耦合壓力。

反射體性質指反射體的大小、形態和位置方向等；耦合劑性質是指耦合劑的種類、耦合層厚度等；耦合壓力指由探頭架向探頭施加的耦合壓力，耦合力不足會導致反射回波偏低，會造成缺陷漏檢，耦合力過大容易導致探頭磨損加速，所以需選擇適當的耦合力。

4.2 實驗平臺

為保證探頭檢測到缺陷的信號幅值達到最大，不致缺陷漏檢或偏小，需設計一實驗平臺，測試所需的最小耦合力，實驗平臺如圖11所示。

圖11 實驗平臺設計圖

本實驗平臺將試塊浸沒于耦合劑中，可以保證探頭與試塊之間的良好耦合，排除由于耦合差異導致的回波高度差異；只選用試塊中的一個反射體，排除由于反射體性質差異導致的回波高度差異。

利用測力計施加耦合壓力，從0開始，每次增加1N，依次記錄回波高度，直至連續3次記錄穩定在最高回波高度。

4.3 實驗過程

實驗平臺實物如圖12所示，探頭為5Z20N(自重0.5N)，試塊為ⅡW試塊，耦合劑為水。

圖12 實驗平臺

實驗步驟如下：

1) 設置超聲儀參數；

2) 校準探頭時基；

3) 將試塊第一次底面信號調至最高，并將最高回波調至滿屏的80%，保持衰減不變；

4) 測力計從0開始，每一步增加1N的壓力，記錄每一步的回波高度；

5) 將壓力-回波高度制成表格，進行分析。

4.4 實驗結果

測得數據見表1，表中施加壓力0代表探頭未與工件接觸，回波高度為0；探頭放在工件上，自重為0.5N，作為起始測試的耦合壓力，之后依次增加1N進行測試。

表1 測試結果

將表1的結果制成曲線如圖13所示。

圖13 壓力-回波高度曲線圖

4.5 實驗結果分析

從圖13可看出，在施加壓力0～10N之間，回波高度隨壓力增加而迅速升高，而在10N～20N之間，壓力加倍，但回波高度僅增加16%，在20N以后，回波高度穩定在80%。從上述分析可得出結論，為保證檢測結果準確性，對探頭施加的耦合力至少為20N。

根據式(3)，在已知Fn=20N、D=10mm前提下，可計算出氣缸所需壓力P：

(4)

將上述已知參數帶入計算式(4)：

計算出P=0.63 MPa，即0.6MPa的氣壓。

5 結語

針對徑向空間狹小的管道需進行超聲檢測，筆者設計了一款扁平式多連桿探頭架。本文對該探頭架進行了力學分析，確定了氣缸壓力與探頭耦合力的數學關系；搭建實驗平臺，對耦合力與反射體回波高度之間的關系進行了研究，得出了需保證得到最大反射回波的耦合壓力值；由所需耦合壓力及數學關系，計算出氣缸所需氣壓。經現場測試，施加該氣壓值，可保證缺陷回波信號最高，缺陷不漏檢、缺陷尺寸不偏小。