壓力容器主螺栓渦流檢測本底噪聲來源分析

魯萬乾，劉 聰

（海南核電有限公司，海南昌江 572723）

壓力容器主螺栓渦流檢測本底噪聲來源分析

魯萬乾，劉 聰

（海南核電有限公司，海南昌江 572723）

分析某反應堆壓力器主螺栓不同階段的渦流檢測信號特點及幅值變化趨勢，并根據螺栓加工工藝及噪聲變化趨勢，初步判斷噪聲信號可能與螺栓加工過程留下的殘余應力和局部粗糙度差異有關。

反應堆壓力容器；主螺栓；渦流；噪聲

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.69

0 前言

反應堆壓力容器主螺栓是連接壓力容器筒體和頂蓋的重要核一級部件，根據RSE-M規范要求，核電廠必須在役前及每十年的全面在役檢查期間對反應堆壓力容器主螺栓進行檢查，以確保一回路壓力邊界完整性。主螺栓檢查主要包括渦流（ET）和超聲（UT）檢測，超聲是通過中心孔和端面進行體積檢測，渦流主要對螺紋根部的缺陷進行表面檢測[1]。

某核電廠1#機組役前檢查期間對壓力容器主螺栓進行渦流、超聲及目視（VT）檢測，發現在56根主螺栓中有49根檢測出109處達到記錄標準的渦流信號顯示，其中 35處為目視可見的輕微螺紋齒頂磕傷、磨損等，其余74處渦流信號顯示部位未觀察到可見缺陷。對上述螺栓超聲檢查并未發現缺陷信號。檢測人員判斷這些信號為本底噪聲信號。為進一步查明產生本底噪聲的原因，電廠在1#機組熱態功能試驗后和首次大修期間對上述56根主螺栓進行渦流復檢，并選取了螺栓備件進行退磷前后的渦流對比檢測，以進一步分析渦流噪聲信號的來源。

1 渦流噪聲基本情況

1.1 渦流噪聲信號的變化趨勢

該電廠1#機組主螺栓共實施了3次全面渦流及超聲檢驗，分別是：水壓試驗后的役前檢查、熱態功能試驗后補充檢查和首次大修期間的首次在役檢查，其中役前檢查階段，還對1#機組8根未經使用的備用主螺栓進行了渦流和超聲檢驗，在其中5根主螺栓上檢測出9處達到記錄標準的信號顯示。3次檢測中56根主螺栓超聲檢測均未發現可記錄信號，渦流及補充目視檢測發現可記錄渦流信號數量見表1。

表1 56根主螺栓渦流及目視檢測結果

圖1 部分螺栓3次檢測信號幅值

上述檢測結果表明，噪聲信號數量呈下降趨勢。對大部分螺栓3次檢測的噪聲信號進行對比分析發現，噪聲信號位置基本一致，但信號幅值整體下降明顯。噪聲數量下降的原因在于部分噪聲幅值下降到記錄標準以下。3次檢測信號幅值（渦流檢驗數據對比）變化趨勢如圖1所示。

1.2 渦流噪聲信號的特征

由于渦流檢測采用幅值法對螺紋根部表面及近表面缺陷進行檢測，無法對缺陷進行定性，因此當發現可疑信號時需采用滲透、目視等方法進行復核確認[1]。對目視檢驗未見異常信號，檢驗人員將其判斷為噪聲信號的重要依據之一是信號相位角。根據戴威等人的研究，發現齒頂材料缺損引起的渦流信號相位角與人工傷相位角比較接近[2]。通常，模擬裂紋的人工槽的相位角為90°左右，而噪聲信號的相位角與其相差180°左右。1#機組的主螺栓渦流噪聲信號均具有類似特征。

采用標定螺栓對系統進行標定時，首先將本底噪聲信號調水平，然后將1 mm深人工槽信號設置為10 V，此時3個寬度為0.1 mm深度不同的人工缺陷信號均豎起，相位角在90°左右，表2為隨機選取某次標定螺栓人工槽信號的幅值及相位，圖2分別為其李沙育圖。

表2 標定螺栓人工槽幅值及相位

圖2 標定螺栓3個人工槽信號李沙育圖

人工槽缺陷相位角在90°左右，實際材料缺損型缺陷由于形狀不規則，一般不超過20°～160°的范圍。以12號主螺栓齒頂磨損為例，測得該顯示幅值為7.19 V，相位角為67°，其渦流信號李沙育圖如圖2.3。從幅值角度看，該顯示的幅值＞0.5 mm人工缺陷幅值＜1 mm人工缺陷幅值，從相位角來看，該顯示接近0.5 mm人工缺陷的相位角。結合幅值和相位角分析，該顯示符合點式探頭缺陷的特性，目視檢驗可見齒頂有明顯磨損（圖3），這與戴威等人的研究一致。

圖3 12號主螺栓齒頂磨損李沙育圖及主螺栓齒頂磨損照片

然而噪聲信號相位角與人工傷及齒頂磨損信號相位角差異較大，以38號主螺栓的上部螺紋區為例，其整個上部螺紋區均出現渦流本底噪聲偏大的現象，噪聲信號幅值在5～8 V，相位角在280°～295°。從幅值上看，這些顯示＞0.5 mm人工缺陷信號但＜1 mm 人工缺陷信號，相位與人工缺陷的相差190°左右。圖4為隨機測量3個位置的渦流信號李沙育圖。

圖4 38號主螺栓上部3處隨機噪聲信號的李沙育圖

根據上述相位角差異，結合主螺栓噪聲信號部位目視檢驗和超聲檢驗均未發現異常，可以判斷噪聲信號不是由類似裂紋、磨損等材料缺陷引起。

2 渦流噪聲原因分析

主螺栓檢驗采用單頻渦流檢測技術，檢驗頻率300 kHz，使用的探頭為差分連接的筆式點探頭，并采用幅值分析法判斷缺陷信號是否達到記錄閾值。對于該技術產生渦流噪聲信號的因素主要有兩類。一是金屬材料表面結構不連續或電導率不均勻，造成局部電磁特性發生變化產生噪聲；二是工件表面粗糙導致與渦流探頭的間距變化，從而發生提離效應產生噪聲。其中表面結構不連續主要表現為材料表面裂紋、凹坑、夾雜、氣孔、突起等；表面電導率不均勻主要由于金屬材料成分不均勻(成分偏析等)、晶粒大小不均勻、局部應力分布不均所致[3]。

2.1 表面雜質的影響

理論上螺栓表面的雜質可能導致渦流探頭與螺栓表面之間的距離波動，導致探頭式線圈的提離效應。實際檢查時局部螺紋表面有雜質存在，但并非普遍現象。表面雜質分布隨機，而3次渦流檢查發現的大部分噪聲信號位置基本一致，并不隨機，因此可以排除表面雜質造成噪聲信號的因素。

2.2 磷化層質量

2.2.1 磷化層電導率的影響

磷化層是一種通過化學與電化學反應在金屬表面形成的致密的磷酸鹽保護層，主要給基體金屬提供保護，在一定程度上防止金屬被腐蝕。1#機組主螺栓采用的是錳基磷化工藝，磷化層主要組成為 (Mn,Fe)5H2(PO4)4·4H2O。此類磷酸鹽為無機鹽其電導率約為10-7S/m相對碳鋼（106S/m）非常低，幾乎不導電，因此不同區域磷化層電導率的差異可以忽略不計。

2.2.2 磷化層粗糙度的影響

磷化過程是復雜的電化學反應過程，影響因素較多，磷化工藝不當很可能造成磷化層質量問題，如表面粗糙、附著力不強、結渣等。現場檢查發現部分螺栓的螺紋區存在局部粗糙度差異，這有可能導致提離效應，產生噪聲信號。

為確認磷化層的影響，電廠選取了1根具有典型噪聲信號的螺栓備件作為試件進行退磷、酸洗、重新磷化，并在期間進行渦流及磁粉檢測，其對應螺紋區域渦流檢測信號結果分布如圖5所示。其中，虛線代表1 mm深人工槽對應的信號幅值±5 V，縱坐標為信號幅值V，橫坐標為螺紋區長度。

圖5 試件下部螺紋區渦流信號對比

在試件1，2退磷至重新磷化各階段均實施了磁粉檢測，均未發現缺陷顯示。退磷后渦流噪聲信號幅值略微減小，數量和位置未產生變化；重新磷化后，噪聲信號與退磷前相比變化不大。說明磷化層對該噪聲信號影響不大。

2.3 螺栓母材質量

2.3.1 螺栓表面不連續

主螺栓母材表面不連續表現為表面裂紋、折疊、夾渣等，這些不連續使局部電導率變化，從而形成渦流噪聲信號。但同步進行的超聲檢測并未發現裂紋、氣孔、折疊等可疑信號；此外，此類缺陷在使用過程中不會改變，渦流信號不可能減弱或消失，因此螺栓母材表面不連續的因素可以排除。

2.3.2 螺栓母材表面晶粒大小不均勻

通常相同的金屬材料經過不同的熱處理后晶粒生長情況不同，電導率也會發生變化。因此對于同一個螺栓如果熱處理時溫度場不均勻，就有可能導致局部的表面晶粒大小不均，造成電導率異常，從而引起螺栓渦流檢測時本底噪聲。

1#機組主螺栓材料為40NCDV07.03合金鋼，在役期間環境溫度＜320℃，遠低于熱處理溫度（880℃淬火+620℃回火），晶粒不可能再生長變化，這與噪聲幅值變化趨勢矛盾。因此，母材表面晶粒大小不均不是產生噪聲信號的原因。

2.3.3 表面加工狀態不一致

從役前檢查期間主螺栓備件檢查結果可知，導致產生渦流噪聲信號的原因是在加工制造期間形成的。主螺栓精度和粗糙度要求高，長度超過1600 mm，加工難度非常大。螺紋是三角螺紋，螺紋的大徑、中經、小徑及螺紋牙頂圓角和牙底圓角要求嚴格，螺紋表面粗糙度要求Ra0.8。為保證螺栓與螺母的良好配合，必須保證螺紋精度，螺紋副配合間隙0.122～0.317 mm[4]。主螺栓螺紋采用成型刀片車削加工而成，但在加工過程中不可避免在某些部位存在微量的圓度、粗糙度變化，使得探頭與螺紋表面的距離發生變化。同時，這些部位由于冷作加工硬化等原因使得螺紋表面應力發生變化并對電導率產生影響，導致這些部位可能產生噪聲信號。主螺栓使用過程中螺紋咬合運動，使得表面粗糙度更加趨于一致；螺紋經過拉伸后，前幾圈螺紋承載了大部分載荷[5]，在嚙合部位部分進入塑性[6]，一方面使得材料在形狀上得到一定延展，另一方面也使得應力得到一定程度釋放。這些因素共同作用可能使噪聲信號幅值降低。因此，螺栓加工過程留下的殘余應力和局部粗糙度差異可能產生噪聲信號。

3 結論

電廠1#機組主螺栓役前檢查過程中，發現大量渦流噪聲的信號特征不同于材料缺陷信號，相應部位經目視及超聲檢測也未發現材料缺陷。3次不同階段渦流檢測噪聲信號幅值逐漸減弱的趨勢，也佐證了噪聲信號不可能源自材料缺陷。備件螺栓退磷前后的渦流檢查對比試驗發現，磷化層對噪聲影響不大。由于主螺栓備件也存在噪聲信號，可判斷噪聲信號是在加工制造期間形成。根據對渦流噪聲信號眾多成因的分析排除，結合對主螺栓加工工藝的理論分析，初步判斷噪聲產生的原因與機加工過程中產生的局部表面應力狀態、粗糙度差異有關。

［1］王曉翔，常楠，孫茂榮，張寶軍.反應堆壓力容器主螺栓、主螺母渦流檢測技術［J］.無損探傷，2015,39（1）：25-27.

［2］戴威，王明輝，李術鴻，等.RPV螺栓螺母渦流檢測信號分析［C］.第十屆無損檢測學會年會論文集，561-565.

［3］貝雅耀，林戈，宋濤，等.反應堆壓力容器螺栓螺母渦流檢驗噪聲分析及抑制［J］.無損探傷，2011，35（1）：22-24.

［4］周高斌，羅英，邱天，等.反應堆壓力容器螺栓法蘭連接設計與改進［J］.壓力容器，2014（3）：70-76.

［5］徐思浩，羅娜.高壓容器主螺栓的有限元應力分析［J］.化工設備與管道，2000，37（4）：8-9.

［6］謝世球，李家訓.反應堆壓力容器主螺栓的選材和研究［J］.壓力容器，1989（2）：35-39.

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〔編輯 吳建卿〕