一種用于核反應(yīng)堆壓力容器遠(yuǎn)程水下自動(dòng)超聲檢測的相控陣探頭設(shè)計(jì)

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(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司, 武漢 430223)

核動(dòng)力裝置中最為核心和關(guān)鍵的就是反應(yīng)堆壓力容器，其完整性對(duì)于核安全是至關(guān)重要的。隨著核電站運(yùn)行時(shí)間的延長，金屬材料和焊縫的性能會(huì)逐漸降低，而在金屬內(nèi)部產(chǎn)生不連續(xù)性，所以定期對(duì)反應(yīng)堆壓力容器進(jìn)行無損檢測是十分必要的，檢測能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫中產(chǎn)生的危險(xiǎn)性缺陷，并進(jìn)行處理，從而維護(hù)和保障核電設(shè)施的安全。

反應(yīng)堆壓力容器是核電站反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的重要部位，主要用來包容和固定壓水堆的堆芯和堆內(nèi)構(gòu)件。反應(yīng)堆壓力容器由法蘭環(huán)、上筒體、下筒體和底封頭組成，如圖1所示。反應(yīng)堆壓力容器環(huán)焊縫的母材和焊接材料均為低合金鋼，焊縫的直徑一般大于3 000 mm，焊縫厚度范圍一般為150～300 mm，內(nèi)表面不銹鋼堆焊層厚度一般為4～9 mm。在核電廠和核動(dòng)力裝置的檢驗(yàn)規(guī)范和大綱中，都對(duì)反應(yīng)堆壓力容器環(huán)焊縫提出了超聲檢測的強(qiáng)制性要求。反應(yīng)堆壓力容器處于高輻射的水下環(huán)境，因此必須采用遠(yuǎn)程水下自動(dòng)超聲檢測來提高工作效率，縮短作業(yè)時(shí)間，減少檢驗(yàn)人員受輻照劑量。因此，非常有必要設(shè)計(jì)開發(fā)專用的相控陣探頭，將相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用于核反應(yīng)堆壓力容器的遠(yuǎn)程水下自動(dòng)超聲檢測中，發(fā)揮相控陣檢測技術(shù)的優(yōu)勢，使檢測具有更高的直觀性和可靠性。

圖1 反應(yīng)堆壓力容器結(jié)構(gòu)組成與焊縫位置示意

1 檢測現(xiàn)狀和困難

隨著復(fù)合壓電晶片材料、脈沖信號(hào)控制以及信號(hào)處理分析技術(shù)的不斷發(fā)展，相控陣超聲技術(shù)以其優(yōu)越的性能越來越受到人們的重視。該技術(shù)通過控制相控陣探頭上每個(gè)獨(dú)立細(xì)小晶片的激發(fā)和接收時(shí)序，在不同的時(shí)間內(nèi)相繼激發(fā)陣列探頭中的各個(gè)單元，各個(gè)晶片激發(fā)的波有先后，這些波的疊加就形成了新的波前，因此可以將超聲波的波前聚焦并控制到一個(gè)特定的方向，以不同角度輻射超聲波束，實(shí)現(xiàn)不同的聲波特性[1]。

一個(gè)相控陣探頭可以代替多個(gè)傳統(tǒng)的超聲探頭，提高了掃查過程的穩(wěn)定性和檢測效率[2]，比常規(guī)探頭自動(dòng)超聲檢測更具優(yōu)勢，靈活性更強(qiáng)，成為了目前超聲檢測技術(shù)的發(fā)展方向[3]。相控陣檢測技術(shù)近些年也開始逐步在國內(nèi)一些特種設(shè)備和核電設(shè)備的手動(dòng)超聲檢測領(lǐng)域得到應(yīng)用[4-5]，但并未廣泛應(yīng)用于核電自動(dòng)超聲檢測領(lǐng)域，特別是核反應(yīng)堆壓力容器的相控陣超聲檢測應(yīng)用幾乎為空白。

目前，將相控陣探頭應(yīng)用于核反應(yīng)堆壓力容器的遠(yuǎn)程水下自動(dòng)超聲檢測，存在如下技術(shù)困難：

(1) 在售的工業(yè)用相控陣探頭產(chǎn)品中，相控陣探頭與其電纜以及接頭(接儀器端)為整體式設(shè)計(jì)，探頭損壞時(shí)，必須將探頭和電纜一起更換，而無法在不更換電纜條件下實(shí)現(xiàn)放射性環(huán)境中相控陣探頭的快速水下更換。

(2) 在售的工業(yè)用相控陣探頭產(chǎn)品中，由于考慮信號(hào)傳輸衰減原因，其探頭電纜長度≤20 m，無法滿足核反應(yīng)堆壓力容器遠(yuǎn)程自動(dòng)超聲檢測電纜長度至少40 m的要求。

(3) 在售的工業(yè)用相控陣探頭產(chǎn)品中大部分為楔塊外置分離式，檢測時(shí)是將楔塊轉(zhuǎn)配至探頭上的。楔塊材料為有機(jī)玻璃，在無保護(hù)的狀態(tài)下易被磨損，影響檢測結(jié)果，無法滿足核反應(yīng)堆壓力容器自動(dòng)超聲檢測對(duì)探頭耐磨性和耐輻照性的要求。

(4) 反應(yīng)堆壓力容器環(huán)焊縫壁厚大，超聲檢測難度大，對(duì)探頭參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性要求高。

2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)核電站核反應(yīng)堆壓力容器所處的特殊環(huán)境，針對(duì)核反應(yīng)堆壓力容器遠(yuǎn)程水下自動(dòng)超聲檢測的特殊要求，針對(duì)文中提到的技術(shù)困難，為設(shè)計(jì)出能夠滿足核反應(yīng)堆壓力容器遠(yuǎn)程水下自動(dòng)超聲檢測的專用相控陣探頭，提出以下技術(shù)方案：

(1) 采用楔塊內(nèi)置式整體探頭結(jié)構(gòu)；

(2) 采用電纜分段式連接方式；

(3) 采用屏蔽線共接的接頭與電纜接線方式；

(4) 結(jié)合檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和相控陣探頭參數(shù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)相控陣探頭的具體參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)施

3.1 探頭結(jié)構(gòu)

探頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路為：① 探頭結(jié)構(gòu)應(yīng)整體化；② 探頭楔塊不易磨損；③ 探頭抗干擾耐輻照。因此采用探頭晶片與楔塊固化為整體，楔塊內(nèi)置式的整體結(jié)構(gòu)，以及采用不銹鋼材料的外殼裝配，外殼壁厚不小于1 mm，外殼邊沿圓弧倒角，如圖2所示。

圖2 探頭外殼與結(jié)構(gòu)組成示意

圖3 探頭電纜型式

3.2 電纜形式

探頭電纜形式的設(shè)計(jì)思路為：① 實(shí)現(xiàn)探頭的快速水下更換；② 保證信號(hào)能夠長距離傳輸；③ 減少衰減以保證檢測靈敏度。因此設(shè)計(jì)的相控陣探頭電纜采用分段式連接的型式，中間采用專用水下接頭進(jìn)行轉(zhuǎn)接，如圖3所示。兩部分電纜長度分別為：電纜A長度不小于38 m，電纜B長度為2 m，即總長度不小于40 m，如圖4所示。采用20芯同軸集束電纜形式替代分散電纜形式，如圖5所示，每根電纜芯線直徑不小于0.2 mm，可以有效減少衰減。

圖4 探頭電纜結(jié)構(gòu)示意

圖5 探頭電纜形式

3.3 電纜接線方式

探頭電纜接線方式的設(shè)計(jì)思路為：① 電纜屏蔽線有良好的接地性；② 長電纜具有良好的抗干擾性；③ 接頭針芯數(shù)少，體積小巧，便于安裝和轉(zhuǎn)接。

圖6 超聲電纜接線方式

通過試驗(yàn)比較，水下轉(zhuǎn)接接頭與超聲同軸電纜之間的連接設(shè)計(jì)為屏蔽線共接的接線方式(見圖6)，即主電纜中每根同軸電纜的芯線分別與水下接頭的插針(或針座)一一對(duì)應(yīng)連接，主電纜中每根同軸電纜的屏蔽線合并后與水下接頭的一根插針(或針座)連接。

3.4 探頭參數(shù)

(1) 相控陣探頭頻率

探頭頻率越低，聲波波長越長，在晶片寬度一定的情況下聲束偏轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)，即探頭可控角度范圍越大。頻率越高，聲波波長越短，能提高缺陷檢測靈敏度[6]。綜合考慮，選取相控陣探頭頻率為2 MHz。

(2) 相控陣探頭晶片數(shù)量

為保證相控陣探頭有足夠的聲束偏轉(zhuǎn)能力，能夠在被檢對(duì)象中產(chǎn)生45°～60°橫波，相控陣探頭的晶片數(shù)量應(yīng)足夠多。同時(shí)，考慮到探頭整體尺寸不宜太大，探頭外殼尺寸應(yīng)不大于40 mm為宜，因此選取相控陣探頭晶片數(shù)量為20片。

(3) 相控陣探頭晶片中心距

相控陣探頭兩個(gè)相鄰晶片間的中心距p會(huì)影響到聲束柵瓣，p值過大會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的聲束柵瓣現(xiàn)象，柵瓣出現(xiàn)的相位角為θlobe=±λ/p(λ為楔塊中聲波波長)，如圖7所示。一般要求P<λ(λ=1.17 mm)，故設(shè)計(jì)相控陣探頭兩個(gè)相鄰晶片間的中心距p=1.0 mm。

圖7 p值對(duì)聲束柵瓣的影響

(4) 相控陣探頭楔塊角度

已知楔塊聲速v1=2 330 m·s-1，鋼中橫波聲速v2=3 230 m·s-1，設(shè)計(jì)相控陣探頭聲束無偏轉(zhuǎn)時(shí)，聲波在鋼中入射角θ2=52.5°，根據(jù)超聲波折射定律sinθ1/sinθ2=v1/v2[2](其中θ1為探頭楔塊角度)，計(jì)算得出θ1=34.9°，如圖8所示。

圖8 探頭的楔塊角度示意

4 探頭效果

設(shè)計(jì)的專用相控陣探頭通過測試和實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到了如下的檢測性能與效果：

(1) 探頭采用楔塊內(nèi)置式整體結(jié)構(gòu)，外殼材料為不銹鋼，保護(hù)了探頭楔塊(不易受磨損)，提高了探頭的耐磨性和耐輻照性，同時(shí)保證了探頭結(jié)構(gòu)的整體性。

(2) 相控陣探頭電纜的分段式結(jié)構(gòu)，可在不更換電纜條件下，實(shí)現(xiàn)放射性環(huán)境中相控陣探頭的快速水下更換。

(3) 電纜總長度能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程超聲檢測，且保證了超聲信號(hào)經(jīng)過長距離傳輸后仍有足夠的靈敏度。在相同信號(hào)傳輸距離的條件下進(jìn)行測試后證明，該方式下相控陣探頭長距離信號(hào)傳輸靈敏度余量大于常規(guī)探頭長距離信號(hào)傳輸靈敏度余量至少6 dB，滿足遠(yuǎn)程自動(dòng)超聲檢測的需求。

(4) 水下轉(zhuǎn)接接頭與超聲同軸電纜之間的連接采用屏蔽線共接的接線方式，等效于增加了屏蔽線線徑，提高了超聲電纜的抗干擾性，同時(shí)減小了水下轉(zhuǎn)接接頭針芯數(shù)和接頭直徑，便于轉(zhuǎn)接頭的安裝和轉(zhuǎn)接操作。

(5) 對(duì)設(shè)計(jì)的相控陣探頭進(jìn)行聲場模擬測試，其聲場指標(biāo)正常，主瓣波角度正常，無明顯柵瓣波，測試結(jié)果達(dá)到了遠(yuǎn)程水下自動(dòng)超聲檢測的需求，測試結(jié)果如圖9所示。

(6) 對(duì)設(shè)計(jì)的相控陣探頭進(jìn)行性能實(shí)測試驗(yàn)，探頭能夠激發(fā)所要求角度的聲束，試塊中反射體回波信號(hào)正常，測試結(jié)果達(dá)到了遠(yuǎn)程水下自動(dòng)超聲檢測的需求。

圖9 相控陣探頭聲場模擬測試結(jié)果

5 結(jié)語

通過技術(shù)原理分析與試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了特殊的專用相控陣探頭，解決了放射性水下環(huán)境中使用相控陣探頭進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)超聲檢測的技術(shù)難題，為實(shí)現(xiàn)將相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用于核反應(yīng)堆壓力容器的自動(dòng)檢測打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

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