主泵主軸超聲檢驗技術研究

柯濤 丁松 張運平 李上平

【摘 要】為保證主泵主軸的運行安全，對主泵主軸的定期無損檢測是確保其安全運行的關鍵所在，因而有針對性的開展主泵主軸超聲檢驗技術研究。通過分析研究主泵主軸材質、結構以及現場條件對超聲檢驗的影響，開展探頭角度、頻率、晶片尺寸以及標定試塊等檢測參數和檢驗技術的設計，并進行聲場模擬和模擬件檢測試驗，研究開發出了一套有效可靠快捷的主泵主軸超聲檢驗技術。

【關鍵詞】主泵主軸；超聲檢驗；探頭

中圖分類號： F426.61 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0193-003

【Abstract】Regular nondestructive detection of main pump spindle is the key to ensure its safe operation，so we targeted to carry out ultrasonic inspection technology research on the main pump spindle.By analyzing the influences of material，structure，and site conditions on the ultrasonic inspection，we developed sound field simulation and the simulation test by designing the test parameters and inspection technology，and the test parameters included probe Angle， frequency，chip size and calibration block and so on.The research developed a set of effective，reliable and fast main pump spindle ultrasonic inspection technology.

【Key words】Primary pump spindle；Ultrasonic inspection；Probe

0 前言

主泵是核動力裝置一回路壓力邊界中的重要設備之一，是反應堆冷卻劑系統中唯一高速旋轉的設備，它為高溫高壓、具有放射性的冷卻劑在一回路中循環提供動力。主軸是主泵的重要部件，主軸位于主泵的中下部，上部電機通過短軸聯接主軸，主軸帶動下部葉輪高速旋轉，驅動反應堆冷卻劑在系統中循環。經驗反饋表明，主泵主軸曾因熱疲勞產生裂紋，在動態應力作用下發生擴展的現象。

為保證主泵主軸的運行安全，有必要通過無損檢測對其開展質量檢查和監督。因而有針對性的開展主泵主軸超聲檢驗技術研究。通過分析研究主泵主軸材質、結構以及現場條件對超聲檢驗的影響，開展探頭角度、頻率、晶片尺寸以及標定試塊等檢測參數和檢驗技術的設計，并進行聲場模擬和模擬件檢測試驗，研究出主泵主軸超聲檢驗技術并應用于現場檢查。

1 主泵主軸介紹

主泵主軸在高速旋轉的同時帶動葉輪驅動一回路水循環的過程中，將受到高速旋轉引起的扭轉應力和高溫熱應力的影響，容易產生疲勞。在下端鍵槽中上部和熱屏套連接處受應力影響尤甚。經驗反饋表明在鍵槽中上部會形成周向和軸向兩個方向的疲勞裂紋（如圖1所示）。

主泵主軸材料為奧氏體不銹鋼（Z6CN Nb 18.11），軸長2134mm，上下端部各有兩個沿軸周面成180°分布的鍵槽，鍵槽寬度為50mm、深約30mm；考慮到主軸密封及回裝等特殊要求，主泵主軸在實施檢驗時存在檢查空間限制。詳細結構見圖2所示。

2 技術分析和方案設計

2.1 技術分析

主泵位于核動力裝置一回路壓力邊界，所處的位置環境劑量比較高。另外主軸若完全拆除，回裝及密封存在相當大的技術困難，因此在實施檢驗前，主軸只能拆除其三道軸封，但軸封拆除后仍存在空間狹小，無法接近檢查部位進行直接檢驗。

主泵主軸的材質為奧氏體不銹鋼，超聲波在奧氏體不銹鋼中會散射衰減引起林狀波，使信噪比下降，信噪比太低，容易引起漏檢或誤判，甚至探測不到一些顯示信號。所以要從根本上解決信噪比低的問題，一方面需要在鍛造工藝和熱處理上盡可能的使晶粒得到細化和均勻化，減小并使各部位的聲衰減趨于一致，另一方面從檢測工藝著手，合理的選用儀器和探頭，優化匹配性能，再配以適當的檢測方法。

主泵主軸較長的檢測距離會使超聲波穿透能力顯著降低，所以要提高超聲波探頭的能量和聲束指向性（即減小擴散覺），一是選用大尺寸晶片提高能量、二是選用高頻率探頭提高指向性，但是探頭尺寸過大，會使探頭的移動區域減小，從而導致檢驗范圍不夠；探頭頻率過高會使超聲波在材料中的衰減加大。所以必須綜合考慮這些因素對超聲波檢驗的制約。

另外，主泵主軸在結構中存在諸多臺階和倒角，會引起復雜的結構反射回波干擾，導致信號誤判。為減小誤判率，從主泵主軸側面進行超聲檢驗時應采用具有較強的抗干擾以及較高的數模轉換率，可同時實時顯示A-scan、B-scan、C-scan和D-scan，并能直觀進行數據分析的自動超聲儀。

2.2 方案設計

2.2.1 超聲儀

手動超聲儀選用數字型超聲儀器，類似如CTS-4020，自動超聲儀采用多通道超聲數據采集和分析儀器，如Tomoscan-III UT、Z-SCAN UT，與其配套的軟件為TomoView或UltraVision，主要用于脈沖回波法的多通道超聲數據采集和分析，可處理顯示A-scan、B-scan、C-scan和D-scan，可進行在線或離線數據分析。

2.2.2 探頭參數設計

主泵主軸的材質、尺寸和形狀的特殊性給超聲波檢測帶來了一定的困難。其一是超聲波在奧氏體粗晶組織界面上的散射衰減會引起林狀回波，使信噪比下降，再加上尺寸大等原因，超聲波穿透能力會顯著降低；其二是奧氏體組織的各向異性，會使超聲波的聲速和傳播方向發生改變，造成誤判。鑒于這些特點，超聲檢測技術要考慮較多的因素，這主要包括超聲探頭角度、探頭頻率、探頭形式、晶片尺寸等。

2.2.3 試塊設計

設計兩種試塊，試塊材料均選用與被檢的主泵主軸一致材料。標準試塊主要用用于儀器性能、探頭前沿、角度的測量；帶有人工缺陷的標定試塊（見圖5所示）主要用于探頭靈敏度的標定。標定試塊的人工缺陷設計如下：

●距鍵槽上部40mm，直徑254mm處加工一個人工缺陷A，其面積為直徑254mm處橫截面積的1%（即506.45mm2）；槽的寬度為0.2mm，深度10mm，長度71mm，槽的形狀為兩個直徑均為254mm圓形的相交面。

●距鍵槽上部20mm，直徑254mm處加工一個人工缺陷B，其面積為直徑254mm處橫截面積的2%（即1012.9mm2）；槽的寬度為0.2mm，深度17mm，長度91mm，槽的形狀為兩個直徑均為254mm圓形的相交面。

人工缺陷A、B和鍵槽在橫截面上是相互120°均勻分布。

2.2.3 檢驗靈敏度

對檢驗探頭，利用標定試塊上的鍵槽制作TGC曲線，即時間-增益補償曲線，使標定的鍵槽的回波幅值達到幅度刻度的80%左右，此時超聲儀的增益值即為基準靈敏度G0。將基準靈敏度提高6dB作為掃查靈敏度，由于記錄靈敏度在掃查靈敏度下幅值達到40%FSH就應記錄，因此檢驗靈敏度（或記錄靈敏度）是在掃查靈敏度基礎上增加6dB。

2.2.4 檢驗方式

主要采用側面檢驗進行實施，端面檢驗作為輔助檢驗方式；側面檢驗選用自動超聲儀和專用機械掃查裝置，通過人工外力推動掃查器帶動接觸式探頭在主軸上周向和軸向運動對下部鍵槽和熱屏套連接處實施檢驗；端面檢驗采用接觸式直射波手動超聲檢驗方式。

3 試驗

3.1 CIVA聲場模擬試驗

根據上述的探頭設計方案，采用CIVI軟件對不同波型的探頭進行了聲場模擬，模擬聲場分布見圖6、圖7所示。

根據CIVA軟件對聲場模擬，比較圖6和圖7可以發現：78°橫波斜探頭明顯比78°縱波斜探頭聲場強、效果好。從聲學原理上78°縱波在檢驗時會伴隨波型轉換，與純橫波相比較，同深度處的聲強能量會降低。所以檢驗技術采用橫波斜探頭。

3.2 模擬件檢測試驗

3.2.1 檢驗系統

通過在主泵主軸上部固定區域安裝半自動掃查器，采用人工外力推動掃查器在主軸上進行周向和軸向運動，超聲信號和掃查器的位置編碼傳遞給多通道自動超聲儀，利用專用軟件對超聲檢查數據進行采集、分析及存儲。具體流程見圖8所示。

3.2.2 試驗對象

試驗對象為刻有人工傷的1：1尺寸的主泵主軸試塊，試塊材料及尺寸與被檢部件一致。

制作了一批不同頻率的橫波斜探頭，使用汕頭儀器廠生產的CTS-4020數字式手動超聲波探傷儀在帶有人工缺陷的標定試塊上對鍵槽進行掃查。在超聲儀器參數設置都相同的狀態下，配用不同頻率的探頭對鍵槽處進行掃查，1MHz、1.5MHz和2MHz橫波斜探頭都能發現鍵槽信號，具體如圖9所示。

采用自動超聲儀和自動掃查裝置，帶動1MHz的橫波斜探頭在帶有人工缺陷的標定試塊對人工缺陷進行掃查采集，1%、2%和3%的缺陷信號都能很好的分辨出來，具體如圖10所示。

根據上述試驗結果，可以發現頻率為1MHz的斜探頭靈敏度和信噪比都優于1.5MHz和2MHz的斜探頭。1MHz的斜探頭能清晰地分辨出靈敏度標定試塊上1%、2%的人工缺陷和鍵槽回波信號。

4 結論

根據試驗結果的研究分析表明，選用多通道自動超聲儀器和專用掃查裝置以及78°/1MHz橫波斜探頭和0°/2MHz Φ28縱波直探頭，通過側面掃查為主和端面掃查為輔對主泵主軸下部鍵槽和熱屏套連接處的超聲檢驗是十分有效可靠的檢驗技術，能夠檢測出最小面積當量為1%的缺陷信號。采用上述設計的檢驗技術能夠滿足核電現場主泵主軸超聲檢驗的要求。

5 現場應用

2012年4月在國內某核電站D115大修期間，采用研究出的檢驗技術對核電站1號機組的D1RCP001PO GD95型主泵主軸進行了超聲檢驗。

主泵主軸端面采用了CTS-4020型數字式超聲波探傷儀和0°/2MHz Φ28縱波直探頭進行了手動超聲波檢驗。

在主泵主軸上部固定區域安裝半自動掃查裝置，采用人工外力推動掃查器在主軸上進行周向和軸向運動，通過 Z-scan自動超聲波探傷儀和專用軟件實施了超聲檢驗。主泵主軸鍵槽A/B/C/D-SCAN如圖11所示。

6 結束語

試驗和應用表面，側面掃查和端面掃查能夠有效的對下部鍵槽和熱屏套連接處實施超聲波檢驗；在主泵主軸密封屏蔽環不完全拆除的狀態下，機械掃查裝置能使探頭在主軸表面良好接觸耦合并能保證足夠的掃查區域。研究出的檢驗技術能夠滿足核電站主泵主軸的超聲檢驗需求，檢驗技術有效可靠快捷。

【參考文獻】

[1]李家偉，陳積懋.無損檢測手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]鄭輝，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.