核電站堆內構件圍板螺栓的超聲檢測

謝 航，葛 亮，蔡家藩

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

反應堆壓力容器堆內構件是壓力容器內除燃料組件及其相關組件以外的所有其他構件,圍板螺栓是堆內構件圍板與圍板和圍板與幅板的連接螺栓。反應堆壓力容器堆內構件長期服役在高溫、高壓、高輻照的環境中，最早在20世紀80年代,法國核電機組的圍板螺栓超聲檢測中發現大量缺陷，嚴重時導致螺栓斷裂。通過對部分更換螺栓進行金相分析，確認裂紋是由于輻照應力腐蝕開裂(Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking, IASCC)造成的[1]。為了避免事故的發生，在核反應堆運行期間，應對圍板螺栓進行無損檢測。由于IASCC發生在圍板螺栓的內部，傳統的目視檢驗無法滿足檢測的要求，考慮到其可達性，采用超聲對圍板螺栓內部實施檢驗是一種可行的體積檢測方法。文獻[1]中介紹了M310型機組的圍板螺栓超聲檢測方法，該文獻中描述的圍板螺栓同研究的圍板螺栓結構有所不同。

筆者通過分析某核電站堆內構件圍板螺栓的結構特點和安裝環境，模擬螺栓中可能產生缺陷的部位，設計了超聲檢驗方案并制作了超聲探頭，在現場實現了堆內構件圍板螺栓的超聲檢測，有效保障了核電廠的安全運行。

1 圍板螺栓結構特點

國內某核電站反應堆壓力容器圍板螺栓采用內六角結構，螺栓頭部內六角孔底面為錐面。安裝后，螺栓擰入內部螺紋孔內，僅螺栓頭部可見。為了防止螺栓斷裂掉落或脫落，螺栓頭部設計了防松銷，并將防松銷焊接到圍板上。該防松銷所在周向角度各不相同，實施檢測時會存在一定的困難。圍板螺栓安裝后現場如圖1所示。

圖1 圍板螺栓安裝后現場

由于螺栓可接觸面積受限，通過分析，僅能使用螺栓內六角孔底部錐面作為接觸面實施超聲檢測。安裝防松銷后，進一步限制了超聲探頭的可達性。同時螺栓的內六角孔采用沖壓方式加工，底部呈錐面且錐面角度不確定，也加大了檢驗難度。目前，對于此類帶防松銷的內六角螺栓，國內外還未有成熟的檢測方案。

2 圍板螺栓檢驗技術

通過聲束計算分析，采用縱波小角度入射的雙晶探頭，可以實現螺栓光桿區和螺紋區的檢驗，螺栓內部聲束示意如圖2所示。由于防松銷的影響，雙晶超聲探頭無法采用一體式的，而采用一種U形的結構，以避開防松銷，圍板螺栓超聲檢測探頭設計示意如圖3所示。該探頭楔塊上表面為平面，用于貼合探頭晶片；楔塊下表面為圓錐面，同螺栓中心孔錐面相同或相近，以保證良好貼合。通過聲束仿真，當超聲探頭產生一個相對螺栓軸線夾角為5°的縱波聲束時，可以基本覆蓋整個檢驗區域。由于螺栓內六角孔底部錐面的角度并非固定值，故還對探頭角度和錐面角度差異對檢測的影響進行了研究。

圖2 螺栓內部聲束示意

圖3 圍板螺栓超聲檢測探頭設計示意

為了驗證超聲工藝檢出缺陷的能力，選擇與圍板螺栓相同材料和尺寸的螺栓加工試塊，在螺栓的頭部與螺栓光桿連接處、光桿區和螺紋區加工圓形電火花槽，槽的直徑同螺栓光桿直徑相同，圍板螺栓試塊結構示意如圖4所示。同時，為了研究超聲探頭錐面角度和螺栓頭部錐面角度差異的影響，加工了120°，130°，140°錐面的無缺陷螺栓試塊。缺陷的位置和尺寸如表1所示。

圖4 圍板螺栓試塊結構示意

表1 螺栓試塊缺陷尺寸及位置

3 試驗方法及現場應用

3.1 試驗過程及結果

采用如第2節所述的檢驗方案進行試驗,超聲探頭為5 MHz異形晶片雙晶探頭。試驗設備為ZETEC公司的Z-Scan多通道超聲儀及配套軟件。為了研究超聲探頭錐面角度和螺栓頭部錐面角度的影響，超聲探頭的錐面角度分別為120°和130°。

在靈敏度標定時，采用無缺陷的試塊，將其底面回波調至60%為基準靈敏度。由于防松銷所在周向角度各不相同，為了驗證探頭在不同周向角度進行檢測時缺陷回波幅值的變化，記錄探頭中心線同缺陷中心線夾角分別為0°，45°，90°時的缺陷回波幅值。120°探頭和120°錐面螺栓試驗結果如圖5和表2所示。

表2 120°探頭和120°錐面螺栓試驗結果

圖5 120°探頭和120°錐面螺栓試驗結果

從以上試驗可以看出，采用的分體式雙晶超聲檢驗技術可以覆蓋圍板螺栓的光桿區和螺紋區等被檢區域，并檢出30%以上面積損失的缺陷，缺陷信噪比最低為10 dB。

為了驗證不同錐面角度探頭和不同錐面角度螺栓的檢驗能力，分別進行了120°探頭檢測120°和130°錐面螺栓，以及130°探頭檢測130°和140°錐面螺栓的試驗。試驗時，將120°錐面角度探頭檢測120°錐面螺栓的底面回波調至60%，120°錐面角度探頭檢測130°錐面螺栓的底面回波為50%，靈敏度變化為1.6 dB。將130°錐面角度探頭檢測130°錐面螺栓的底面回波調至60%，130°錐面角度探頭檢測140°錐面螺栓的底面回波為53%，靈敏度變化為1.1 dB。

從以上試驗可以看出，可以采用120°超聲探頭檢測錐面角度為120°～130°的圍板螺栓，采用130°超聲探頭檢測錐面角度為130°～140°的圍板螺栓。同時，采用未知錐面角度的螺栓進行檢驗時，可以采用該方法判斷超聲探頭是否適配該錐面角度的圍板螺栓。

3.2 現場應用

將圍板螺栓超聲檢驗技術應用在核電廠大修中，將研制的超聲探頭搭載在自主研發的水下浮游裝置上，對某核電站反應堆壓力容器堆內構件中共計250個圍板螺栓進行超聲檢測。其中46個圍板螺栓由于結構限制或螺栓自身結構限制，無法實施超聲檢驗。對其余可達的204個圍板螺栓實施了超聲檢驗，未發現可記錄缺陷。

4 結語

通過分析某核電站圍板螺栓的結構，設計并制造了一種分體式的雙晶超聲探頭，用于帶防松銷的內六角圍板螺栓超聲檢驗。通過試驗驗證了該方法可以在不同周向角度實現對缺陷面積損失在30%以上的圍板螺栓的檢測。還分析了超聲探頭和圍板螺栓錐面角度不同對于檢測靈敏度的影響，允許在超聲探頭錐面角度和圍板螺栓錐面角度之間存在一定差異,該方法已成功應用于核電站在役檢查現場。