一种用于核反应堆压力容器远程水下自动超声检测的相控阵探头设计

2018-03-07,,,,

无损检测 2018年2期

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(中核武汉核电运行技术股份有限公司, 武汉 430223)

核动力装置中最为核心和关键的就是反应堆压力容器，其完整性对于核安全是至关重要的。随着核电站运行时间的延长，金属材料和焊缝的性能会逐渐降低，而在金属内部产生不连续性，所以定期对反应堆压力容器进行无损检测是十分必要的，检测能够及时发现焊缝中产生的危险性缺陷，并进行处理，从而维护和保障核电设施的安全。

反应堆压力容器是核电站反应堆冷却剂压力边界的重要部位，主要用来包容和固定压水堆的堆芯和堆内构件。反应堆压力容器由法兰环、上筒体、下筒体和底封头组成，如图1所示。反应堆压力容器环焊缝的母材和焊接材料均为低合金钢，焊缝的直径一般大于3 000 mm，焊缝厚度范围一般为150～300 mm，内表面不锈钢堆焊层厚度一般为4～9 mm。在核电厂和核动力装置的检验规范和大纲中，都对反应堆压力容器环焊缝提出了超声检测的强制性要求。反应堆压力容器处于高辐射的水下环境，因此必须采用远程水下自动超声检测来提高工作效率，缩短作业时间，减少检验人员受辐照剂量。因此，非常有必要设计开发专用的相控阵探头，将相控阵检测技术应用于核反应堆压力容器的远程水下自动超声检测中，发挥相控阵检测技术的优势，使检测具有更高的直观性和可靠性。

图1 反应堆压力容器结构组成与焊缝位置示意

1 检测现状和困难

随着复合压电晶片材料、脉冲信号控制以及信号处理分析技术的不断发展，相控阵超声技术以其优越的性能越来越受到人们的重视。该技术通过控制相控阵探头上每个独立细小晶片的激发和接收时序，在不同的时间内相继激发阵列探头中的各个单元，各个晶片激发的波有先后，这些波的叠加就形成了新的波前，因此可以将超声波的波前聚焦并控制到一个特定的方向，以不同角度辐射超声波束，实现不同的声波特性[1]。

一个相控阵探头可以代替多个传统的超声探头，提高了扫查过程的稳定性和检测效率[2]，比常规探头自动超声检测更具优势，灵活性更强，成为了目前超声检测技术的发展方向[3]。相控阵检测技术近些年也开始逐步在国内一些特种设备和核电设备的手动超声检测领域得到应用[4-5]，但并未广泛应用于核电自动超声检测领域，特别是核反应堆压力容器的相控阵超声检测应用几乎为空白。

目前，将相控阵探头应用于核反应堆压力容器的远程水下自动超声检测，存在如下技术困难：

(1) 在售的工业用相控阵探头产品中，相控阵探头与其电缆以及接头(接仪器端)为整体式设计，探头损坏时，必须将探头和电缆一起更换，而无法在不更换电缆条件下实现放射性环境中相控阵探头的快速水下更换。

(2) 在售的工业用相控阵探头产品中，由于考虑信号传输衰减原因，其探头电缆长度≤20 m，无法满足核反应堆压力容器远程自动超声检测电缆长度至少40 m的要求。

(3) 在售的工业用相控阵探头产品中大部分为楔块外置分离式，检测时是将楔块转配至探头上的。楔块材料为有机玻璃，在无保护的状态下易被磨损，影响检测结果，无法满足核反应堆压力容器自动超声检测对探头耐磨性和耐辐照性的要求。

(4) 反应堆压力容器环焊缝壁厚大，超声检测难度大，对探头参数设计的准确性要求高。

2 设计方案

根据核电站核反应堆压力容器所处的特殊环境，针对核反应堆压力容器远程水下自动超声检测的特殊要求，针对文中提到的技术困难，为设计出能够满足核反应堆压力容器远程水下自动超声检测的专用相控阵探头，提出以下技术方案：

(1) 采用楔块内置式整体探头结构；

(2) 采用电缆分段式连接方式；

(3) 采用屏蔽线共接的接头与电缆接线方式；

(4) 结合检验经验和相控阵探头参数设计要求，设计相控阵探头的具体参数。

3 设计实施

3.1 探头结构

探头结构的设计思路为：① 探头结构应整体化；② 探头楔块不易磨损；③ 探头抗干扰耐辐照。因此采用探头晶片与楔块固化为整体，楔块内置式的整体结构，以及采用不锈钢材料的外壳装配，外壳壁厚不小于1 mm，外壳边沿圆弧倒角，如图2所示。

图2 探头外壳与结构组成示意

图3 探头电缆型式

3.2 电缆形式

探头电缆形式的设计思路为：① 实现探头的快速水下更换；② 保证信号能够长距离传输；③ 减少衰减以保证检测灵敏度。因此设计的相控阵探头电缆采用分段式连接的型式，中间采用专用水下接头进行转接，如图3所示。两部分电缆长度分别为：电缆A长度不小于38 m，电缆B长度为2 m，即总长度不小于40 m，如图4所示。采用20芯同轴集束电缆形式替代分散电缆形式，如图5所示，每根电缆芯线直径不小于0.2 mm，可以有效减少衰减。