頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫超聲自動檢查裝置研究

周文　何海　張軍

【摘 要】頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫關系著核反應堆回路系統的安全運行，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。根據無損檢測規范要求，儀表測量管異種金屬焊縫適合進行超聲檢查。然而，由于儀表測量管周圍空間狹小，安裝及檢測受到相關零件的限制，而且目前沒有專門針對對此部位焊縫檢查的成熟技術及專用檢查裝置。為此，本文提出了一種核反應堆壓力容器一回路系統的頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫檢查裝置，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自動檢查，確保險期檢測數據準確、可靠。

【關鍵詞】核反應堆；焊縫；超聲自動檢查裝置

0 引言

核電站壓力容器頂蓋儀表測量管（如圖1）用于壓力容器內中子通量的測量，每個頂蓋上分布有8根儀表測量管，儀表測量管屬于一回路系統重要組成部分，其異種金屬焊縫的焊接容易產生氣泡、裂紋等缺陷，存在缺陷的焊縫在缺陷位置容易產生斷裂[1-2]，使一回路帶放射性物質存在泄漏風險，因此必須定期對該類焊縫進行檢查。異種金屬焊縫超聲檢測在國內、外領域都是難題，不同國家的產品標準對檢測方法也各不相同。由于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，所以廣泛應用在核電設備無損檢測中[3-4]。

1 儀表測量管簡介

帶儀表測量管的壓力容器頂蓋結構不同于國內現有堆型，其反應堆壓力容器沒有設計底部貫穿件，所有的測量通道均布置在頂蓋上，頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫是該關鍵設備上的薄弱環節，相應規范也將其納入強制必檢項目，檢查實施方式及檢查質量都受到業主及監管機構高度重視。

壓力容器頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫共8條，在頂蓋周圍均勻分布，其壁厚為33.4mm，外徑？準187.5mm，儀表測量管外表面與下筒體內表面間最小尺寸為115.8mm。其模型如圖1所示：1.儀表測量管接管；2.異種金屬焊縫；3.儀表測量管。頂蓋上除了有儀表測量管外，還有其它很多附屬設備分布于周圍，焊縫所處位置空間狹小，其模型如圖2所示：1.頂蓋2.門孔3.儀表測量管4.下筒體5.擋流板6.CRDM管；頂蓋區域屬于高劑量區，對在該區域進行檢查設備安裝、操作人員有較大影響。

目前比較成熟的異種金屬焊縫超聲自動檢查技術主要是針對壓力容器進水口、出水口接管焊縫，而儀表測量管異種金屬焊縫直徑小、壁厚薄，雖然二者材質相近，但結構尺寸以及周圍環境存在巨大差異，使得壓力容器進水口、出水口接管異種金屬焊縫超聲自動檢驗技術在此不能適用。因此，必須針對儀表測量管異種金屬焊縫開發專用的檢查設備及超聲檢驗技術。

2 頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫超聲自動檢查裝置總體設計

2.1 檢查裝置機械結構設計

圖3所示為頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫超聲自動檢查檢測示意圖，它包括軸向定位組件，周向運動組件、軸向運動組件及耦合劑儲存組件等四個部分，其中軸向定位組件安裝于儀表測量管頂端后，保證軸向、周向運動組件在儀表測量管軸向每次安裝位置一致，周向定位桿將周向運動組件周向限位，軸向運動組件固定在周向運動上，周向運動旋轉，帶動軸向運動整體旋轉，從而帶動探頭整體旋轉。

周向運動組件由導軌滾輪副限制其余五個自由度，在電機驅動下，只能繞導軌旋轉，其定位采用兩個固定夾定心，此兩個固定夾呈120°角度分布，在與兩固定夾分別成120°的位置，設計有一快速夾緊機構，使其安裝過程中能實現快速安裝，準確定位。軸向運動組件螺紋連接在周向運動組件運動載體上，在周向運動電機帶動下，軸向運動組件整體繞儀表測量管旋轉。兩個運動軸的相互配合，可以實現儀表測量管異種金屬焊縫的軸向與周向自動掃查。

2.2 檢查裝置系統說明

壓力容器頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫超聲自動檢查裝置包括機械系統、控制系統和超聲系統等三個方面內容研究，其檢查設備研究框圖如圖4所示：

3 技術難點及解決方法

3.1 技術難點

1）儀表測量管周圍空間狹小，安裝及檢測受到下筒體、頂蓋、擋流板、CRDM管等部件的限制（如圖2）；

2）軸向與周向定位準確、可靠，同時，保證安裝時間盡量少，設備輕便；

3）耦合劑收集困難。

3.2 解決方法

3.2.1 儀表測量管周圍空間狹小，障礙物多的解決方法

針對周圍空間狹小，障礙物多特點，儀表測量管異種金屬焊縫超聲自動檢查裝置設計時，合理選用和布置傳動方式，控制軸向運動組件和周向運動組件各零部件尺寸，每個尺寸都經過準確計算，建立其三維模型，確保每個環節準確，最終保證其三維模型與實物一致，確保裝置研發成功。

3.2.2 周向、軸向準備定位、快速安裝解決方法

為了實現快速安裝，保證人體在設備安裝過程中被照射劑量盡量低，軸向定位組件、周向運動組件、耦合劑收集組件均設計由兩半組成，一端由合頁把兩部分連接好，另一端靠快速夾鉗將兩部分快速夾緊，使其連接后成一個整圈。軸向定位組件中有三根定位桿與周向運動組件中三個定位塊相連，能保證軸向尺寸每次安裝一致，周向定位采用周向定位桿與最近的一根CRDM管相切，周向定位桿固定于周向運動組件上，該方法能保證裝置每次安裝于儀表測量管后，與儀表測量管周向角度一致。

3.2.3 耦合劑收集困難解決方法

在檢查裝置的下部擺放一個專用裝置進行耦合劑收集，此裝置底部一側與下筒體上表面支撐面貼合，設計時保證此裝置與儀表測量管聯接件采用橡膠材質，快速夾鉗夾緊的同時，保證橡膠與儀表測量管緊密貼合，從而實現掃查過程中順著儀表測量管外壁往下流的耦合劑進行收集，為了保證耦合劑形成一個閉合回路，在此耦合劑收集裝置下部開有兩個引流孔，然后通過水管引至專用耦合劑儲存裝置。

4 結語

本文提出了一種能夠實現同時進行儀表測量管周向和軸向焊縫檢查功能的頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫超聲自動檢查裝置，詳述了頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫超聲自動檢查的結構特征，詳述了周向往復掃查、軸向往復掃查、周向定位與軸向定位的實現方法。保證了監測數據的準確性與可靠性，減少了人體受放射性射線的照射，為頂蓋儀表測量管異種金屬焊縫的超聲檢查帶來幫助。

【參考文獻】

[1]馮小平，楊峰，李亞維，等.鑄件的超聲波檢測分析[J].熱加工工藝，2015，41（3）：79-80.

[2]袁建中.異種金屬焊縫表面和近表面超聲爬波檢測技術[J].中國核工業，2010（6）：147-150.

[3]雒里柯.異種金屬焊縫常規超聲檢測應注意的幾個問題[J].無損探傷，2013，37（6）：32-33.

[4]楊芷，楊茂.無損檢測技術及工業應用綜述[J].金屬世界，2013（5）：22-25.

[責任編輯：楊玉潔]