壓水堆核電站水力部件螺栓的磁粉檢測(cè)

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(1.中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215004;2.澳門土木工程實(shí)驗(yàn)室，澳門 999078)

核安全設(shè)備的在役檢查(ISI)歷來是核電工業(yè)國核安全監(jiān)管當(dāng)局以及核電站運(yùn)行業(yè)主所關(guān)注的重點(diǎn)，也是核電站核安全設(shè)備進(jìn)行定期安全評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)來源和重要手段。臺(tái)山核電站引進(jìn)的法國EPR(壓水堆型)核電站為第三代核電技術(shù)，主泵作為重要的水力部件，其水力機(jī)械部分的主泵螺栓需要根據(jù)在役檢查規(guī)范進(jìn)行磁粉檢測(cè)。筆者主要對(duì)EPR第三代核電站主泵螺栓在役檢查時(shí)采用的磁粉檢測(cè)工藝進(jìn)行了探討，制定了分段磁化及線圈剩磁法的磁粉檢測(cè)工藝。

圖1 主泵螺栓結(jié)構(gòu)示意

1 主泵螺栓的結(jié)構(gòu)及磁特性介紹

主泵螺栓結(jié)構(gòu)示意如圖1所示,規(guī)格為M118×1 099 mm,中心有φ19，φ6 mm的小徑孔,分為螺紋區(qū)、過渡區(qū)、光桿區(qū)，且每個(gè)區(qū)域的直徑大小不一樣。

法國核電站規(guī)范RCC-M《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則(2007版)》中規(guī)定的“采購技術(shù)規(guī)范為RCC-M M2312+RCC-M M5140,材料為40NCD7.03 classB”，對(duì)應(yīng)于國內(nèi)材料牌號(hào)為40CrNiMoA。根據(jù)《常用鋼材磁特性曲線速查手冊(cè)》可以查到其磁特性曲線，由磁特性曲線可以看出[1]，其矯頑力為1 200 A·m-1，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.425 T，最大相對(duì)磁導(dǎo)率為693，最大磁導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為1 200 A·m-1，最大磁能積為1.024 kJ·m-3。

2 磁粉檢測(cè)方法選擇

選擇磁粉檢測(cè)方法時(shí)應(yīng)考慮的因素有：① 受檢件的尺寸、外形結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)等；② 使用工況及各部位的應(yīng)力分布；③ 可能產(chǎn)生缺陷的部位和方向等。

根據(jù)以上因素，進(jìn)行如下分析：

(1) 因?yàn)槁菟總€(gè)區(qū)域的直徑大小不一，且工件長度過長，故需分段磁化。可采用的磁化方法有通電法(周向磁化)、線圈法(縱向磁化)、磁軛法(交叉磁化)。由于螺栓表面存在磷化層，磷化層為不導(dǎo)電層，故不能進(jìn)行直接通電法；另外由于中心孔徑直徑過小，故不適用中心導(dǎo)體法。

(2) 根據(jù)使用工況，主泵螺栓主要承受的是沿軸向的應(yīng)力。缺陷方向與螺栓軸向的角度越大，缺陷尖端受到的張力也越大；當(dāng)兩者互相垂直時(shí)，缺陷尖端所受到的張應(yīng)力達(dá)到最大值，缺陷受力時(shí)擴(kuò)展速度最快。所以，主泵螺栓表面區(qū)域存在的橫向缺陷對(duì)螺栓的危害最大。對(duì)于在役檢查，主要檢查其橫向缺陷，故采用縱向磁化方法較易檢出。

(3) 螺栓在鍛壓成型過程中，鋼錠中的氣泡和夾雜等缺陷一般會(huì)沿軸向方向被拉長、變細(xì)，同時(shí)折疊也會(huì)沿著軸線方向分布和延伸。因此，縱向缺陷是主泵螺栓制造過程中產(chǎn)生缺陷的主要類型，若有必要可以使用磁軛法進(jìn)行磁化。筆者主要討論在役過程中產(chǎn)生缺陷的檢查，故此方法不做詳細(xì)討論。

3 主泵螺栓磁粉檢測(cè)工藝

主泵螺栓磁粉檢測(cè)主要使用線圈法進(jìn)行檢測(cè),按照磁粉施加方式不同可分為連續(xù)法和剩磁法。對(duì)于緊固件，例如螺栓螺紋根部的橫向缺陷，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)通常推薦采用線圈磁化剩磁法進(jìn)行檢測(cè)，RCC-M規(guī)范沒有提及剩磁法，美國ASME(美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì))規(guī)范不推薦使用剩磁法。

剩磁法要求工件的矯頑力大于1 kA·m-1，剩磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.8 T。根據(jù)磁特性曲線，主泵螺栓滿足剩磁法的使用條件。若采用連續(xù)法檢測(cè)，螺栓螺紋根部本身相當(dāng)于橫向裂紋，縱向磁化后，螺紋根部吸附磁粉形成的過度背景使缺陷難以被觀察。

3.1 線圈連續(xù)法

若主泵螺栓采用線圈連續(xù)法，其磁化規(guī)范應(yīng)根據(jù)主泵螺栓尺寸和檢測(cè)線圈特性，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其電流大小，并用試塊或者試片進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.4-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第4部分:磁粉檢測(cè)》，得到如下計(jì)算公式(具體公式需根據(jù)工件與線圈橫截面積的比值及放置位置來選擇)。

(1) 低填充因數(shù)線圈，即線圈橫截面積與被檢工件橫截面積之比不小于10，工件偏心放置時(shí)，線圈的安匝數(shù)為

(1)

式中：I為施加在線圈上的磁化電流；N為線圈匝數(shù)；L為工件長度；D為工件直徑或橫截面上最大的尺寸。

工件正中放置于線圈中心時(shí)，線圈的安匝數(shù)為

(2)

式中：R為線圈半徑。

(2) 高填充因數(shù)線圈，即線圈橫截面積與被檢工件橫截面積之比不大于2時(shí)，線圈的安匝數(shù)為

(3)

(3) 中填充因數(shù)線圈，即線圈橫截面積與被檢工件橫截面積之比大于2且小于10時(shí)，線圈的安匝數(shù)為

(4)

式中：Ua為由式(1)或式(2)計(jì)算出的安匝數(shù);Y為填充因數(shù)。

3.2 線圈剩磁法

若主泵螺栓采用剩磁法檢測(cè)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.4-2015的要求，施加在工件表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到14.4 kA·m-1。

此外標(biāo)準(zhǔn)GJB 2028A-2007《磁粉檢測(cè)》中也對(duì)剩磁檢測(cè)的空載線圈中心磁場(chǎng)強(qiáng)度給出了規(guī)定(見表1)。調(diào)節(jié)磁化電流并使用特斯拉計(jì)測(cè)量空載線圈中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)L/D的值使其磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足表1的最低要求。

表1 空載線圈中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度

實(shí)際檢測(cè)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.4-2015的要求，用特斯拉計(jì)測(cè)量螺栓表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并進(jìn)行單位換算，驗(yàn)證磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度。

螺栓每個(gè)區(qū)域的直徑大小不一，且工件長度過長，需分7段進(jìn)行磁化，其分段磁化方法示意如圖2所示。

圖2 螺栓的分段磁化方法示意

3.3 線圈連續(xù)法與線圈剩磁法磁化效果對(duì)比

根據(jù)線圈連續(xù)法與線圈剩磁法磁化規(guī)范對(duì)螺栓試塊的其中1組螺牙部分的人工缺陷(底部螺牙在第2和第3齒之間，長8 mm，寬0.1 mm，深0.3 mm)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)(見圖3)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于螺栓的螺紋區(qū)域，國內(nèi)采用的剩磁法的檢測(cè)結(jié)果是磁痕磁粉堆積更多，且顏色更深，對(duì)比度更高，靈敏度優(yōu)于連續(xù)法(國外核電站檢查規(guī)范RCC-M沒有提及剩磁法，ASME不推薦使用剩磁法)。

對(duì)臺(tái)山EPR三代核電站的近百根主泵螺栓進(jìn)行了磁粉檢測(cè)，結(jié)果表明：采用剩磁法的檢測(cè)效果明顯優(yōu)于連續(xù)法，尤其是螺紋根部。

4 結(jié)語

EPR三代核電站的水力部件主泵螺栓的在役檢查時(shí)，其磁粉檢測(cè)采用線圈法進(jìn)行縱向磁化檢測(cè)橫向缺陷;對(duì)于螺栓的螺紋區(qū)域，采用國內(nèi)的分段線圈剩磁法進(jìn)行磁粉檢測(cè)，效果優(yōu)于國外核電站采用的線圈連續(xù)法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 兵器工業(yè)無損檢測(cè)人員技術(shù)資格鑒定考核委員會(huì).常用鋼材磁特性曲線速查手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.