核反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查裝置設計研究

周文+辛露+朱良

【摘 要】核反應堆壓力容器筒體環焊縫關系著核反應核反應堆壓力容器安全運行，為有效避免安全事故的發生，必須對該類焊縫進行無損檢測。其他常規無損檢測方法相比，超聲檢測具有檢測成本低、速度快、靈敏度高、儀器輕、對現場環境要求低等優點。然而，核容器及體環焊縫的役前和在役檢測的工作量巨大，工作環境及其惡劣，要求檢測裝置需具備結構簡單、安裝方便、穩定性好等特點。為此，本文提出了一種核反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查裝置，其能夠按照相關檢查規范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了放射性射線對人體的照射，提高了檢測數據的準確性及可靠性。

【關鍵詞】核反應堆壓力容器；環焊縫；超聲檢查裝置

0 引言

筒體環焊縫屬于一回路系統無損檢測主要對象之一，根據無損檢查規范要求，需要對此焊縫進行超聲檢測，超聲波檢測具有明顯的優勢，一方面由于其經濟實用、操作簡便，在鑄件生產廠家中廣泛應用；另一方面，由于超聲波檢測定量定位相對準確、直觀，在質量控制過程中應用廣泛[1]。

反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查主要受到堆焊層、奧氏體焊縫存在的粗大柱狀晶組織以及焊縫附近復雜的幾何結構形狀等因素的影響。超聲波在該焊縫中傳播時在奧氏體晶界面發生嚴重的散射以及波型轉換，引起超聲波嚴重衰減，信噪比顯著下降。奧氏體晶粒的各向異性引起聲束彎曲，造成缺陷定位不準等問題[2]。同時在核電工業的安全運營中，核容器及體環焊縫的役前和在役檢測至關重要，其巨大的工作量及其惡劣的工作環境要求檢測裝置需具備結構簡單、安裝方便、穩定性好且質量輕等特點[3]。

1 檢查對象介紹

核電站壓力容器（圖1）是核反應堆冷卻劑壓力邊界的核心部件之一，它由法蘭環、筒身段、進出水口接管等筒體組合件、頂蓋組合件、底封頭以及法蘭密封結構組成，其中筒體環焊縫是指法蘭環與筒身段之間的連接焊縫以及筒身段自身之間的連接焊縫。壓力容器結構如下圖1所示，不同的堆型，其筒體焊縫數量也不同，一般由上筒體環焊縫和下筒體環縫兩條筒體環焊縫兩條焊縫組成。

圖1 壓力容器示意圖

1.法蘭環；2.上筒體環焊縫；3.筒體；4.下筒體環焊縫；5.底封頭

筒體焊縫屬于一回路高劑量區，檢查時，其容器內充滿放射性去離子水，要想對此處焊縫進行超聲檢查，手動超聲難度較大。為提高其超聲檢查的可靠性和檢查效率，本文提出了一種核反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查裝置，其能夠按照相關檢查規范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了人體受放射性射線照射，提高了檢測數據的準確性及可靠性，為核反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查帶來幫助。

2 核反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查裝置整體設計

2.1 結構設計

筒體掃查工具安裝于壓力容器檢查設備上，壓力容器檢查設備安裝于壓力容器法蘭面，此設備有沿壓力容器軸向上下升降的升降軸，同時還有一個沿壓力容器軸線旋轉的旋轉軸，筒體掃查工具安裝示意如圖1所示，筒體掃查分為軸向掃查與周向掃查兩種掃查，即筒體掃查軸與旋轉軸交替為掃查軸，另一個為步進軸。

核電站核反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查裝置主要由直線伸縮部件、底板組件、托盤組件組成，直線伸縮部件由彈簧繩、外套筒、伸縮氣缸、徑向導軌、內套筒、徑向滑塊等零部件構成。在徑向導軌和徑向滑塊的限制下，氣缸的伸縮可以帶動內套筒前后伸縮，底板組件安裝于內套筒上，故設備安裝過程中，氣缸處于收回狀態，當設備抵達筒體焊縫附近時，氣缸處于伸出狀態，此時，探頭托盤緊貼壓力容器內表面，實現探頭在壓力容器內表面貼合掃查。

底板組件由滾珠絲杠、螺母座、軸向滑塊、軸向導軌 、驅動元件、底板等零部件組成。驅動元件運動可以帶動絲杠旋轉，同時在軸向導軌和軸向滑塊限制下，絲杠旋轉可以帶動螺母座上下運動，而托盤組件安裝于螺母座上，最終實現托盤探頭的上下運動。

9.滾珠絲杠；12.軸向滑塊；13.軸向導軌；14.螺母座

2.2 整個掃查裝置系統介紹

壓力容器檢查系統包括機械系統、控制系統、超聲系統、視頻系統等。控制系統、機械系統及超聲系統遠程控制流程如圖5所示，控制電腦控制設備正常運轉，最終帶動探頭托盤滿足軸向與周向檢查，探頭的信號會傳給超聲儀，最終超聲儀的信號會經過網絡傳輸給采集電腦，完成數據采集與分析工作。除了此三套系統外，還有一個視頻系統，對整個掃查過程中運動過程進行監控，目的防止探頭托盤與障礙物碰撞，視頻系統中攝像頭通過電纜將圖象傳給視頻控制器，視頻控制器再將圖象傳給監控電腦。筒體掃查裝置只是壓力容器檢查系統的一個運動軸，壓力容器檢查系統是由多個這樣的子系統組成。

圖5 遠程控制流程

3 主要技術特點

3.1 直線伸縮組件研究

直線伸縮技術由內套筒、外套筒、伸縮氣缸、徑向導軌、徑向滑塊等零部件組成，在導軌滑塊副的限制下，伸縮氣缸伸出與收回能實現底板伸出與收回功能，在掃查過程中，該氣缸又具有緩沖作用，保證在掃查過程中托盤始終貼合良好；采用氣缸作為執行單元，成功替代傳統電機驅動絲杠螺母副的直線運動單元與托盤前端恒力彈簧自緩沖掃查機構，簡化了機械結構的同時，減少了自緩沖結構，使得前端托盤組件占用壓力容器徑向尺寸更小，伸縮臂的伸縮行程變的更大，從而更能滿足壓力容器內徑變化大的堆型。

3.2 出現故障時，直線伸縮組件如何具備出水狀態的研究

防意外自動拉回技術由彈簧繩實現，當伸縮氣缸出現意外而無法收回時，彈簧繩靠自身彈簧力作用可以將底板拉至收回狀態，當設備處于收回狀態時，才能具備設備出水條件，當彈簧繩自身彈力與伸縮氣缸均無法收回時，可以借助長桿的作用，拉扯兩個導向輪間的彈簧繩，使得底板組件在外力的作用下，被外力強行拉至收回狀態，使其具備設備出水狀態。

3.3 托盤在水下如何實現軸向掃查與周向掃查的研究

由于掃查過程包括軸向和周向兩個掃查方向，因此，在一次裝夾下，完成一個方向掃查后需要將托盤旋轉九十度來實現另一方向掃查，為了減少更換托盤次數，提高掃查效率，減少人體被照射劑量，該裝置中設計了旋轉氣缸可以實現這一功能。選擇旋轉氣缸的原因是簡單可靠，且控制方便，氣管比電纜也更輕便，利于維護。

3.4 掃查組件研究

掃查組件的運動好壞直接影響其掃查結果，因此，此掃查軸設計時，采用電機作為執行單元，目的是為了記錄掃查過程中托盤位置，且能將此位置發送至超聲儀，然后由執行單元帶動絲杠螺母副工作，在導軌滑塊副的限制下，執行單元的正反旋轉帶動托盤組件沿絲杠軸向上下升降運動，最終保證運動過程勻速可調。

4 檢查裝置調試及現場應用

檢查裝置多次在實驗大廳和現場完成調試，調試過程中運行平穩，狀態良好，模擬掃查過程均能滿足現場檢查要求。目前已經完成了多次役前及在役檢查，通過改變后端伸縮部件的行程，可以滿足各種不同直徑的壓力容器掃查。

5 結語

本文提出了一種核反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查裝置，具有防意外自動收回技術、托盤可旋轉技術、掃查過程中上下移動技術、直線伸縮技術等技術特點，其能夠按照相關檢查規范要求有效的對該處焊縫進行超聲檢查，減少了人體放受射性射線照射，提高了檢測數據的準確性及可靠性。為核反應堆壓力容器筒體環焊縫超聲檢查帶來幫助。

【參考文獻】

[1]曾偉，楊先明，王海濤，等.激光超聲技術及其應用[J].無損檢測，2013，35（12）：49-51.

[2]王俊濤，王龍，陳姝，張軍.反應堆壓力容器接管安全端超聲檢查裝置設計研究[J].機械工程師，2015，1：71-73.

[3]蘇會.石油鉆機鋼結構焊縫的無損檢測應用研究[D].東北石油大學，2014.

[責任編輯：湯靜]