核电厂主螺栓内孔超声检查技术研究

林百涛 周帆 丁松 蔡家藩 王羽翀

摘 要

反应堆压力容器主螺栓是反应堆压力容器筒体与顶盖之间的连接件，长期在高温高压辐照环境下工作，易于形成裂纹、腐蚀、螺纹磨损或机械损伤。针对不同核电厂的主螺栓役前及在役检测要求，结合螺栓的尺寸和螺纹规格，提出了一套适用于不同核电厂主螺栓内孔超声检查技术方案，阐述了超声探头参数的选择方法，并根据技术方案确定的参数进行CIVA仿真和试验验证，试验结果表明，该技术方案满足ASME规范和RSE-M规范检查的规定要求和工程现场的应用需求。

关键词

主螺栓;核电厂;超声检查;CIVA仿真

中图分类号： TM623                    文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 39

Abstract

The reactor pressure vessel main bolt is the connection between the reactor pressure vessel cylinder and the top cover. It works in high temperature and high pressure irradiation environment for a long time， and is prone to cracks， corrosion， thread wear or mechanical damage. Aiming at the requirements of PSI and ISI of main bolts of different nuclear power plants， combined with bolt size and thread specifications， a set of ultrasonic inspection technical schemes for main bolts of different nuclear power plants was proposed， and the selection method of ultrasonic probe parameters was expounded. The CIVA simulation and test verification are carried out according to the parameters determined by the technical scheme. The test results show that the technical scheme meets the requirements of the ASME specification and the RSE-M specification inspection and the application requirements of the engineering site.

Key words

Main bolt; Nuclear Power Plant; Ultrasonic inspection; CIVA simulation

0 前言

反應堆压力容器主螺栓是反应堆压力容器筒体与顶盖之间的连接件，长期在高温高压、冲击、震动、腐蚀等特殊恶劣环境下工作，易于形成裂纹、腐蚀、螺杆或螺纹磨损或机械损伤，是核电站主设备中重要的受力易损组件之一，属ASME规范、RSE-M规范要求的必检部件[1-2]。鉴于带中心孔螺栓的重要性，需对其进行周期性的全体积超声检查。

超声检查技术对反应堆压力容器主螺栓进行体积性检查是实施在役检查的最佳途径。目前，国内在该领域进行了大量研究。曹云峰等针对镍基合金螺栓的粗晶材料噪声及螺栓不规则等问题进行超声检测分析，找出有效检出螺栓各部位裂纹的检测工艺方法[3]。张国丰等针对核电厂主螺栓超声检查进行研究，开发了一套主螺栓专用超声检查技术[4]。张宝军等针对反应堆压力容器主螺栓的检测要求，研究并形成一套主螺栓超声检测系统[5]。目前国内在建、运行核电厂堆型主要包括百万千瓦级压水堆（M310）、非能动型压水堆（AP1000）和高温气冷堆（HTR-PM）核电站等，不同的核电站，其主螺栓尺寸和螺纹规格各有不同，导致超声检查技术也有所不同。因此，本文通过对不同规格主螺栓的几何尺寸和螺纹规格进行对比分析，找出有效检出主螺栓各部位缺陷的超声探头参数的选择方法，并通过CIVA仿真和实测对比，形成了一套适用于不同核电厂主螺栓内孔超声检查技术方案。

1 反应堆压力容器主螺栓内孔超声检查技术

1.1 主螺栓尺寸及检验要求

目前国内在建、运行核电厂堆型主要包括百万千瓦级压水堆（M310）、非能动型压水堆（AP1000）和高温气冷堆（HTR-PM）核电站等，其主螺栓在设计上主要参照美制螺纹和国标螺纹两种规格，检测要求和检测区域主要参照ASME规范和RSE-M标准，如表1所示。

ASME规范XI IWB-2500详细规定了主螺栓的超声检测要求如表2所示。

ASME XI IWB-2500-12要求检查螺母下边缘至螺栓下端部，距表面深度1/4in的螺纹区和光杆区。ASME XI IWB-3515.2及ASME V第5章附录Ⅳ规定，主螺栓超声检查允许的最小平面缺陷深度为2.4mm。

RSE-M标准B4230要求螺栓的螺纹区及光杆区都应进行超声检测，螺纹区应另外进行涡流检测。RSE-M标准B4234规定大于0.5mm深沟槽的信号显示应予记录，如探测到显著的显示，螺栓应进行目视或表面检测。

1.2 主螺栓内孔超声检查技术

主螺栓为各向同性材料，内孔超声检查采用横波斜探头，对于根部缺陷的检查优先采用45°，其位于敏感的端角反射角度（35°～55°）之间。RSE-M标准明确规定了M310主螺栓内孔超声检查采用2MHz 45°横波聚焦探头，而ASME规范并没有详细规定探头的具体参数及方法，同时，美制螺栓的螺纹尺寸与法标有明显不同：美制螺栓根部为平底，螺距较大（6.35mm），国标螺纹根部为凹型弧面，螺距较小（4mm），由于螺纹齿结构存在差异其对根部缺陷的检出可能会产生一定影响（如图1所示）。因此，本文主要针对ASME规范中的国标螺纹和美制螺纹两种螺纹齿结构进行超声检查试验分析，得出两种螺纹规格的最优检查的探头参数。

1.3 主螺栓内孔超声检查技术仿真

CIVA是一款专门用于无损检测仿真计算的软件，由法国原子能委员会研发，其超声检测模块包括声束模拟以及缺陷响应两个功能。声束模拟功能主要是为了选择合适的检查工艺参数，缺陷响应功能主要是为了模拟真实缺陷的信号反馈情况[6]。通过研究检测条件对不同螺栓尺寸和螺纹结构中声场分布规律和缺陷回波响应规律的影响，得到关键影响因素以及合适的超声探头参数。

1.3.1 声束模拟

声场模拟是在声场计算（Beam Computation）模块下完成，此模块可以预测任意探头的瞬时声场。Beam Computation模块基于Pencil法修正的瑞利积分来表示，将超声探头看作由许多离散的点源构成，而空间中任意点处的声压都可以看作是所有点源在该点产生的声压的累加[7]。图2为通过仿真获得的不同探头频率在工件中的声场。

（a）晶片尺寸

AP1000主螺栓内孔为28.6mm，HTR-PM和M310主螺栓均为25mm。其内孔尺寸相近，检验厚度在57.5～74.5mm，厚度较深，晶片尺寸应足够大，保证声束具有足够的能量，但由于内孔狭小，探头自身也存在结构，经组合设计其晶片尺寸最大为Φ12mm。

（b）频率选择

超声探头的频率一般选择在2～5MHz，由图3可知，声束的宽度随着探头频率的增大而变窄，声束指向性更好，超声波能量更加集中，有利于提高检测灵敏度，但由于频率增加会导致近场区长度，对检测不利，结合主螺栓实际母材壁厚和晶粒度，拟选用2MHz和5 MHz二种频率探头进行比对试验，确定频率对这两种螺纹齿结构的检验影响。

HTR-PM主螺栓和AP1000主螺栓分别属于国标螺纹和美制螺纹，在螺纹齿结构存在差异，在进行超声检测时可能会对根部缺陷的检出产生一定影响如图3所示。

为进一步证明探头频率选择与螺纹齿结构之间的关系，首先在试块界面内导入对比试验用的HTR-PM主螺栓和AP1000主螺栓螺纹齿模型，并设定相对应的材料以及声学参数;然后利用所建立的螺纹齿模型，在缺陷设置界面输入人工槽的位置尺寸等参数，人工槽的深度为1.0mm。国标螺纹和美制螺纹结构在不同频率下仿真对比如下图4所示。

由图（a）、图（b）、图（c）和图（d）对比可知，国标螺纹结构由于根部为弧面，声束打到垂直根部的缺陷上，无法形成端角反射，如果频率高，其声束指向性好，总的反射能量也不会因此变大，大部分能量会散射掉;美制螺纹结构由于根部为平面，声束打到垂直根部的缺陷上，形成端角反射，如果频率高，其声束指向性好，总的反射能量就会很强。通过对比（a）和（b）可知，国标螺纹频率越高，刻槽响应回波与螺纹的响应回波之差越低，因此频率选择2MHz利于提高检测灵敏度;通过对比（c）和（d）可知，美制螺纹频率越高，刻槽响应回波与螺纹的响应回波之差越高，因此频率选择5MHz利于提高检测灵敏度。

（c）角度选择

拟选用43°、45°、47°、49°、51°五种角度探头进行比对试验，确定角度对这两种螺纹齿结构超声检查的影响。在CIVA软件完成探头不同角度参数设置，对设计的国标螺纹齿结构模型和缺陷进行模拟如下图5所示。

对于美制螺纹，由于构成端角反射，入射角在35°～55°时，端角反射率達100%，因此，对于国标螺纹和美制螺纹均采用45°探头。

经CIVA仿真结果分析可知，HTR-PM主螺栓和M310主螺栓采用2MHz45°横波探头，晶片尺寸为Φ12mm;AP1000主螺栓采用5MHz45°横波探头，晶片尺寸为Φ12mm。

2 试验方法及试验结果

2.1 设备及试块

采用DYNARAY和MUA-80多通道超声仪进行试验，试块为带有设计缺陷的主螺栓试块，HTR-PM主螺栓参考试块长度为1600mm，最大外径为140mm，上部螺纹信息见表3所示;AP1000主螺栓参考试块长度为长度为1613mm，最大外径为177.5mm，上部螺纹信息见表4所示。

3.2 试验方法

选用2MHz和5MHz的43°、45°、47°、49°、51°五种角度探头进行实测比对试验，在参考试块上设置相应扫查灵敏度，反应堆压力容器主螺栓超声检测采用螺旋扫查方式;沿着螺栓周向扫查，螺栓轴向的方向步进，扫查方式如图6所示。

2.3 试验结果

采用上述探头分别对HTR-PM主螺栓和AP1000主螺栓参考试块进行检查，HTR-PM主螺栓2MHz检查结果如图7所示。

将检查所得结果分析可得如图8所示，由结果可知，HTR-PM主螺栓采用2MHz45°横波探头，刻槽的响应回波与螺纹的响应回波差达到5.0dB，AP1000主螺栓采用5MHz45°横波探头，刻槽的响应回波与螺纹的响应回波差达到15.5dB，试验结果与仿真结果一致。

3 结语

（1）通过CIVA仿真对国标螺纹和美制螺纹进行超声工艺参数研究，并将仿真结果与试验结果进行了对比，得到仿真结果与试验结果较为吻合，表明CIVA仿真可以作为优化设计的可靠手段。

（2）对于国标螺纹，其螺纹根部为弧面，声束打到垂直根部的缺陷上，无法形成端角反射，如果频率高，其声束指向性好，总的反射能量也不会因此变大，大部分能量会散射掉，同时，由于螺纹齿棱角为圆弧过渡，棱角反射回波幅值变低，其缺陷的信噪比相应较低，因此，宜采用2MHz45°作为超声检查探头。

（3）对于美制螺纹，其螺纹根部为平面，声束打到垂直根部的缺陷上，形成端角反射，如果频率高，其声束指向性好，总的反射能量就会很强;同时，由于螺纹齿存在棱角，除了缺陷回波外仍然有螺纹齿的棱角反射回波影响，造成实际检查的信噪比并不高，因此，宜采用5MHz45°作为超声检查探头。

参考文献

[1]ASME V， ASME锅炉及压力容器规范第Ⅴ卷：无损检测[S].1998版.

[2]RSE-M， 压水堆核电站核岛机械部件在役检查规则[S].1997版.

[3]曹云峰，花喜阳，田尉建，等.镍基合金螺栓超声检测的典型案例[J].无损检测，2016，38（11）：79-82.

[4]张国丰，张宝军，严智等.核电厂反应堆压力容器主螺栓超声检测方法研究[J].核动力工程，2013，34（4）：143-146.

[5]张宝军，张国丰，严智等.核电厂主螺栓超声自动检测技术研究与实现[J].压力容器，2013，（5）：64-69.

[6]陈冰川，陆文杰，汪明辉等.CIVA仿真软件在核电厂汽轮机叶根相控阵检测中的应用[J].无损检测，2016，38（6）：41-44.