核电站堆内构件围板螺栓的超声检测

谢 航，葛 亮，蔡家藩

(中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223)

反应堆压力容器堆内构件是压力容器内除燃料组件及其相关组件以外的所有其他构件,围板螺栓是堆内构件围板与围板和围板与幅板的连接螺栓。反应堆压力容器堆内构件长期服役在高温、高压、高辐照的环境中，最早在20世纪80年代,法国核电机组的围板螺栓超声检测中发现大量缺陷，严重时导致螺栓断裂。通过对部分更换螺栓进行金相分析，确认裂纹是由于辐照应力腐蚀开裂(Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking, IASCC)造成的[1]。为了避免事故的发生，在核反应堆运行期间，应对围板螺栓进行无损检测。由于IASCC发生在围板螺栓的内部，传统的目视检验无法满足检测的要求，考虑到其可达性，采用超声对围板螺栓内部实施检验是一种可行的体积检测方法。文献[1]中介绍了M310型机组的围板螺栓超声检测方法，该文献中描述的围板螺栓同研究的围板螺栓结构有所不同。

笔者通过分析某核电站堆内构件围板螺栓的结构特点和安装环境，模拟螺栓中可能产生缺陷的部位，设计了超声检验方案并制作了超声探头，在现场实现了堆内构件围板螺栓的超声检测，有效保障了核电厂的安全运行。

1 围板螺栓结构特点

国内某核电站反应堆压力容器围板螺栓采用内六角结构，螺栓头部内六角孔底面为锥面。安装后，螺栓拧入内部螺纹孔内，仅螺栓头部可见。为了防止螺栓断裂掉落或脱落，螺栓头部设计了防松销，并将防松销焊接到围板上。该防松销所在周向角度各不相同，实施检测时会存在一定的困难。围板螺栓安装后现场如图1所示。

图1 围板螺栓安装后现场

由于螺栓可接触面积受限，通过分析，仅能使用螺栓内六角孔底部锥面作为接触面实施超声检测。安装防松销后，进一步限制了超声探头的可达性。同时螺栓的内六角孔采用冲压方式加工，底部呈锥面且锥面角度不确定，也加大了检验难度。目前，对于此类带防松销的内六角螺栓，国内外还未有成熟的检测方案。

2 围板螺栓检验技术

通过声束计算分析，采用纵波小角度入射的双晶探头，可以实现螺栓光杆区和螺纹区的检验，螺栓内部声束示意如图2所示。由于防松销的影响，双晶超声探头无法采用一体式的，而采用一种U形的结构，以避开防松销，围板螺栓超声检测探头设计示意如图3所示。该探头楔块上表面为平面，用于贴合探头晶片；楔块下表面为圆锥面，同螺栓中心孔锥面相同或相近，以保证良好贴合。通过声束仿真，当超声探头产生一个相对螺栓轴线夹角为5°的纵波声束时，可以基本覆盖整个检验区域。由于螺栓内六角孔底部锥面的角度并非固定值，故还对探头角度和锥面角度差异对检测的影响进行了研究。

图2 螺栓内部声束示意

图3 围板螺栓超声检测探头设计示意

为了验证超声工艺检出缺陷的能力，选择与围板螺栓相同材料和尺寸的螺栓加工试块，在螺栓的头部与螺栓光杆连接处、光杆区和螺纹区加工圆形电火花槽，槽的直径同螺栓光杆直径相同，围板螺栓试块结构示意如图4所示。同时，为了研究超声探头锥面角度和螺栓头部锥面角度差异的影响，加工了120°，130°，140°锥面的无缺陷螺栓试块。缺陷的位置和尺寸如表1所示。

图4 围板螺栓试块结构示意

表1 螺栓试块缺陷尺寸及位置

3 试验方法及现场应用

3.1 试验过程及结果

采用如第2节所述的检验方案进行试验,超声探头为5 MHz异形晶片双晶探头。试验设备为ZETEC公司的Z-Scan多通道超声仪及配套软件。为了研究超声探头锥面角度和螺栓头部锥面角度的影响，超声探头的锥面角度分别为120°和130°。

在灵敏度标定时，采用无缺陷的试块，将其底面回波调至60%为基准灵敏度。由于防松销所在周向角度各不相同，为了验证探头在不同周向角度进行检测时缺陷回波幅值的变化，记录探头中心线同缺陷中心线夹角分别为0°，45°，90°时的缺陷回波幅值。120°探头和120°锥面螺栓试验结果如图5和表2所示。

表2 120°探头和120°锥面螺栓试验结果

图5 120°探头和120°锥面螺栓试验结果

从以上试验可以看出，采用的分体式双晶超声检验技术可以覆盖围板螺栓的光杆区和螺纹区等被检区域，并检出30%以上面积损失的缺陷，缺陷信噪比最低为10 dB。

为了验证不同锥面角度探头和不同锥面角度螺栓的检验能力，分别进行了120°探头检测120°和130°锥面螺栓，以及130°探头检测130°和140°锥面螺栓的试验。试验时，将120°锥面角度探头检测120°锥面螺栓的底面回波调至60%，120°锥面角度探头检测130°锥面螺栓的底面回波为50%，灵敏度变化为1.6 dB。将130°锥面角度探头检测130°锥面螺栓的底面回波调至60%，130°锥面角度探头检测140°锥面螺栓的底面回波为53%，灵敏度变化为1.1 dB。

从以上试验可以看出，可以采用120°超声探头检测锥面角度为120°～130°的围板螺栓，采用130°超声探头检测锥面角度为130°～140°的围板螺栓。同时，采用未知锥面角度的螺栓进行检验时，可以采用该方法判断超声探头是否适配该锥面角度的围板螺栓。

3.2 现场应用

将围板螺栓超声检验技术应用在核电厂大修中，将研制的超声探头搭载在自主研发的水下浮游装置上，对某核电站反应堆压力容器堆内构件中共计250个围板螺栓进行超声检测。其中46个围板螺栓由于结构限制或螺栓自身结构限制，无法实施超声检验。对其余可达的204个围板螺栓实施了超声检验，未发现可记录缺陷。

4 结语

通过分析某核电站围板螺栓的结构，设计并制造了一种分体式的双晶超声探头，用于带防松销的内六角围板螺栓超声检验。通过试验验证了该方法可以在不同周向角度实现对缺陷面积损失在30%以上的围板螺栓的检测。还分析了超声探头和围板螺栓锥面角度不同对于检测灵敏度的影响，允许在超声探头锥面角度和围板螺栓锥面角度之间存在一定差异,该方法已成功应用于核电站在役检查现场。