改进型压水堆反应堆压力容器封头螺栓自动超声检测方法

陈智聪，杨建华，刘书红

（中广核检测技术有限公司，苏州 215004）

RSEM压水堆核电厂核岛机械设备在设检查规范中已提出超声波检测反应堆压力容器封头螺栓的可行性和必要性。反应堆压力容器是核电厂和核动力装置中的核心设备部件，反应堆压力容器的质量是保证核电设备和核动力装置正常安全运行的关键。反应堆压力容器封头螺栓是连接压力容器壳体和顶盖的重要部件，为防止核放射性物质的外逸、保障反应堆压力容器正常工作起着十分重要的作用。在核电厂和核动力装置的检验规范和大纲中，对反应堆压力容器封头螺栓提出了无损检测的强制性要求，并指定分别在投入使用前和运行一定时间时对封头螺栓实施役前及在役检查。法国标准核电厂核岛机械设备在役检查规则RSEM规定，对反应堆压力容器封头螺栓的无损检测主要采用超声波和涡流检测技术。改进型压水堆的最大特点是加大反应堆的热功率以及增加安全系统的冗余度和多样性。设计理念是成熟的，并加大了反应堆的尺寸，主要设备（反应堆压力容器、堆内构件、蒸汽发生器和主冷却剂泵等）都加大了容量和尺寸，其中封头螺栓的加长加大，增加了检验中对设备和探头的性能要求，笔者重点介绍对改进型压水堆核反应堆压力容器封头螺栓实施的超声波检测技术。

1 检测部位和检测要求

改进型压水堆反应堆压力容器封头螺栓材料为40NCDV7.03，规格为M 210mm×6mm，检验范围包括螺栓的螺纹区及上、下螺纹区之间的光杆区，具体检测部位如图1［1］所示。反应堆压力容器封头螺栓超声波检测的目的，是探测螺纹部位是否有明显的由腐蚀或者撕裂等引起的金属损伤，邻近螺栓螺纹根部以及光杆的外表面或光杆与螺纹连接区外层金属中是否存在裂纹。

图1 反应堆压力容器封头螺栓检测部位示意

2 封头螺栓超声检查设备

改进型压水堆反应堆压力容器封头螺栓超声波检测采用自动化超声波检测技术，检测仪器分为机械、电气控制以及超声波信号采集等装置，并具有专门的超声波数据分析软件，可实现对超声波数据的精确分析。

改进型压水堆反应堆压力容器封头螺栓的超声波检测设备由两部分组成，即机械运动（SUIP扫查器）和电气控制（CBUS）。机械运动部分由驱动单元和扫查单元组成：驱动单元直接放置在受检螺栓的顶端，用于驱动扫查单元；扫查单元装有超声探头，超声探头插入封头螺栓的中心孔中，在驱动单元的驱动下，对封头螺栓进行扫查检测。电气控制部分用以控制驱动单元完成探头在螺栓中心孔内的运动，控制软件的界面如图2所示。通过设置一定的路径和扫查方式，实现对封头螺栓的检验，机械运动和电气控制部分的定位精度可达0.5mm。

图2 电气控制部分控制面板

2.1 超声波采集系统

超声波采集装置即超声数据采集系统。数据采集系统是采用客户机／服务器结构的自动化超声波数据采集和数据分析系统；系统主要由硬件超声波板卡、硬件控制部分（服务器）以及软件（客户端）三部分组成。其中硬件系统由脉冲发生器／接收器模块（PR）、采集模块（AM）及由网络同AM链接的计算机系统组成。整个系统按照功能可以分成标定、计划、采集和评价四个模块［2］，其中标定模块主要包括探头设置、A／D转换和信号处理三个子模块的控制实现；计划模块主要包括被检对象设定、扫查轴设定、数据记录参数设定、扫查轨迹设定等子模块功能；采集模块可以在数据采集过程中实时监测所记录和存储的扫查区域的超声信号，实现在主界面上选择A，B，C，D扫描；数据评价模块结合A，B，C，D扫描，可实现三维立体数据重建，并能对采集的超声波数据进行详细准确的数据评价，从而实现对显示信号相关性的判定，SUMIAD数据采集界面如图3所示。

图3 超声波采集软件界面

2.2 超声波数据分析软件

采用MASERA－NT数据分析软件，其主要功能是对超声波检测数据进行分析、定量和测量。此软件具有良好的兼容性，可实现对SUMIAD，MIDAS，TOMOSCAN和RDTIFF等多种系统采集的文件进行准确的分析。基本功能包括A，B，C，D扫描、数据循环和声线跟踪分析，还可增加SAFT、信号处理运算、自适应分析和三维数据重建等；并可以针对某些行业用户的特殊检测需求，增加相应的专业化分析和图形处理的专用数据分析软件。此软件基于中心轴对称、空间重建理论，应用笛卡尔坐标系或圆柱参考坐标系，可对采集的超声波数据进行超声波检测过程重建；数据重建过程完毕后，通过一系列的辅助窗口，可以显示某一个通道的完整／全部数据，并可同时打开多个通道的数据，以便于不同通道采集的信号之间的对比。对某一关注区域进行放大或缩小，从而采用尺寸测量工具对显示信号进行精确的尺寸和位置测量，测量结果可直接生成相应的数据分析报告。

3 超声波检查技术

3.1 探头选择与扫查方式的确定

根据RSEM规范要求［1］，采用45°横波探头对主螺栓进行检验。超声探头的频率一般选择在0.5～10MHz，它对检测灵敏度、能量、分辨力和声场覆盖范围都有重要的影响，频率越高，更有利于发现更小的缺陷，分辨力越高，声束指向性也越好，能量集中，同时频率高，近场区长度越大，衰减越大，而且会形成显著的反射指向性，对检测不利。结合实际母材壁厚和晶粒度，分别选择频率为2，2.5，3，4，5MHz的探头进行仿真，以确定最优工艺。

图4为通过CIVA仿真获得的45°探头在工件中产生的声场，表1为不同频率探头的仿真计算结果。由表1可知，各探头在工件中发射声场的声压极大值点－6dB在工件内的深度范围均为全壁厚，满足检验要求；各探头在工件中发射声场的声压极大值点－6dB声束宽度随着探头频率的增大而变窄，能量更加集中，指向性更好；各探头在工件中发射声场的衰减会随着探头频率的增大而增加。

图4 45°探头的发射声场示意图

表1 超声探头发射声场计算结果

图5为通过CIVA仿真软件，输入指定人工缺陷的被检螺栓参数、不同的探头参数，经过一系列的电脑模仿实际扫查获得的主螺栓检测结果。超声仿真结果表明，五种频率的探头所得到的0.5mm刻槽的响应回波与螺纹的响应回波之差均大于2dB，其反射体响应回波与螺纹响应回波之差随着探头频率递增所形成的变化曲线，如图6所示。

图5 45°横波探头检查时的反射体及底波的超声仿真

图6 反射体响应回波与螺纹响应回波之差随探头频率变化曲线

分析可知，随着探头频率的递增，分辨力逐渐提高，反射体的检出能力增强；同时探头频率的递增会引起更大的衰减，导致反射体回波与螺纹回波之差逐渐减小。综合以上两方面原因，3MHz 45°横波探头对0.5mm刻槽的响应幅值与螺纹的响应幅值之差最大。

改进型压水堆反应堆压力容器封头螺栓超声波检测采用组合式探头，由两个45°探头组成，从螺栓中心孔扫查，通过仿真实验，探头频率选择为3MHz，探头采用特殊的设计与螺栓内孔壁充分接触，以保证耦合效果，采用去离子水作为耦合剂，轴向扫查，周向步进的矩形扫查。对扫查步进要求不能太大，以免漏掉缺陷，RSEM标准规定要求记录0.5mm刻槽的信号显示，所以要保证探头的主声束至少扫过0.5mm的刻槽3次，这样才不会漏掉标准规定的记录要求，但步进也不能太小，以免影响检测的效率。对超声采集速度的选择要考虑所支持的超声波采集的硬件。

3.2 封头螺栓试块

采用全尺寸压水堆反应堆压力容器封头螺栓，在检验螺纹区和光杆区上分别加工切割槽［3］，槽深分别为0.5，1，2mm，如图7所示。

图7 全尺寸压水堆反应堆压力容器封头螺栓参考试块示意图

3.3 检验灵敏度

检验灵敏度调节时，在保证信噪比的情况下，尽量调高增益。调节增益将探头分别对准弧形V2试块上100mm弧面，使最大反射回波幅值大于45dB。如果螺栓的螺纹回波幅值大于60dB，则需要降低增益，使螺纹回波最大幅度在满屏的30%～60%之间。

4 检测实施方法

将螺栓周向设为步进轴x轴，螺栓的永久标识号设为x轴的零点，逆时针方向旋转为正（从螺栓顶部往下看）；将螺栓的轴向设为扫查轴y轴，螺栓下端面设为y轴的零点，垂直向上的方向为y轴正向；探头连接好置于螺栓中心孔中，使自动扫查器下端面与螺栓上端面位于同一水平面，旋转探头使组合探头声束轴线与x轴的零点对齐；探头沿螺栓中心孔向下运动，当下螺纹信号结束时，记录下此时y轴坐标l（l＞0），此坐标设为检查时y轴的下限位，其上限位为下面的探头对螺栓上部螺纹扫查时螺纹信号消失的位置。x轴的上下限位为0°～363°（为了保证充分的覆盖，多扫3°），设定x轴运动速度7°／s，设定y轴运动速度25mm／s。根据扫查计划，启动CBUS和SUMIAD采集软件，实施对封头螺栓的扫查。

5 试验结果

对加工的全尺寸改进型压水堆反应堆压力容器封头螺栓进行自动超声检测，共发现12处缺陷信号，与加工图纸完全符合（缺陷信号如图8所示）。

图8 缺陷信号显示结果

6 结论

对改进型压水堆反应堆压力容器封头螺栓进行超声波检测时，通过优化机械和控制系统、扫查方式、缺陷的检测和定量、信号的采集和分析，应用超声仿真合理选择超声波探头参数，经过实际试验扫查可检测出深0.5mm刻槽的信号显示，满足RSEM标准要求，整个检测系统可靠有效。

［1］In－service inspection rules for the mechanical components of PWR nuclear islands［S］.RSEM 2010.

［2］李明，陈怀东，肖学柱，等.核电站反应堆压力容器超声检查技术及装备研究［C］.电力系统第十一届无损检测学术会议论文集，西宁：中国电机工程学会火力发电分会，2009：71－82.

［3］金丽蓉.承压螺栓超声检查波形分析［J］.核动力工程，1995，15（5）：390－393.