反應堆壓力容器超聲自動標定掃查裝置的設計

， ， ， ，甘軍

(1.三峽大學 機械與動力學院，宜昌 443002；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

隨著我國核電事業的發展，核電設備的無損檢測工作日益繁重。超聲波檢測被廣泛地應用于重要部件的檢測中，按照國家無損檢測的標準，核電無損檢測的相關驗收要求要高于常規工業檢測的，因此對超聲檢測的標定要求十分精確。其中，反應堆壓力容器無損檢測時的超聲探頭標定工作目前為人工手動標定，手動標定的勞動強度較大、效率低、可參考性差。筆者設計了一種超聲自動標定掃查裝置，用于超聲探頭的自動標定，克服了人工標定勞動強度大、效率低，對探頭移動時的壓力、移動方向不穩定等難點。該裝置使標定工作更加準確、方便，超聲檢測標定的精度也得到了較大提高，從而極大地提高了反應堆壓力容器無損檢測的效率和質量。

1 超聲探頭的標定原理及對探頭移動的要求

1.1 超聲探頭的標定原理

圖1 超聲探頭的標定原理示意

超聲探頭的標定原理示意如圖1所示，探頭在標定試塊上移動，晶片發出的聲束經軟件顯示聲波波形。反應堆壓力容器無損檢測中用到不同角度、不同頻率的超聲探頭。在超聲聲束遇到通孔時，波形有明顯變化[1]。超聲波的波形與通孔的位置、大小有關，也與超聲探頭和標定試塊表面的壓力、耦合狀態有關[2]。軟件記錄某一探頭的波形，以此作為基準。在壓力容器的無損檢測時，將某一超聲探頭的波形與該探頭標定時的波形進行對比，便可以知道壓力容器是否有缺陷(若有缺陷，可確定其缺陷的位置和大小)。

1.2 對超聲探頭移動的要求

試塊的上表面為探頭掃查平面，采用接觸法進行超聲波檢測。整個過程需要讓探頭掃查完整個試塊，探頭與試塊表面耦合良好且壓力保持恒定。裝置可調節并實時顯示探頭與試塊表面的壓力。由于不同類型標定試塊的尺寸以及通孔的大小、位置不一樣，用手動操作的方法難以達到上述要求，因此需要使用專門的掃查裝置，按試塊(壓力容器)的材料、通孔位置及大小、超聲波頻率及聲程等參數要求進行標定，以達到最好的標定結果[3-4]。

2 裝置的組成及工作原理

圖2 掃查裝置模型示意

設計的反應堆壓力容器超聲自動標定掃查裝置主要由電機與減速器組合、主動齒輪、從動齒輪、軸承、C型夾具、x向傳動機構、y向傳動機構、探頭夾持器等組成，其結構如圖2所示。為了保證裝置便于運輸攜帶，將C型夾具與傳動機構設計為可拆式連接，不用時可將C型夾具拆開。使用時，C型夾具支撐塊放在試塊表面，然后與C型夾具由螺釘連接，保證了C型夾具豎直方向的定位。C型夾具的內表面與試塊側面貼合，夾板在蝶形螺栓的驅動下頂住試塊的另一表面，裝置整體靠C型夾具夾緊試塊而產生的摩擦力支撐。當裝置固定好后拆掉C型夾支撐板，以防止其妨礙超聲探頭掃查完整個試塊。為了保證探頭掃查行程完全覆蓋試塊的上表面，x向和y向傳動機構的行程都設計為大于試塊尺寸。工作時，伺服電機與減速器組合帶動主動齒輪轉動，從動齒輪與主動輪嚙合傳動，帶動x向傳動機構中絲桿旋轉，從而帶動螺母與滑塊前進。y軸方向的傳動由人手動旋轉y向傳動機構的絲桿實現，x、y向傳動機構均加有編碼器，以確定傳動位置。氣缸通氣后使超聲探頭貼合在試塊表面(氣壓可調)；同樣貼合在試塊表面的壓力傳感器可測出探頭與試塊表面貼合時的壓力。

3 設計要點

在掃查裝置的設計中，除了要滿足前文所述的標定要求外，整個裝置的質量應盡可能小，以便于檢測人員攜帶和安裝。裝置中各零件的材料除了標準件和傳動機構中漸開線齒輪選用304 SST不銹鋼，以及部分銷釘軸承選用9Cr18不銹鋼外，其余均選用6061-T651鋁合金(硬質陽極氧化以抵抗現場硼酸環境下的腐蝕)。

3.1 探頭夾持器

探頭夾持器的結構示意如圖3所示，探頭夾持器的作用是帶動探頭在試塊表面平穩地移動，并施加一定的壓力。由于試塊表面可能是平面也可能是圓弧面，為了保持探頭與試塊表面良好貼合，夾持器中銅套8與擺叉3的轉動副保證了x向的自由度，探頭叉架2與擺叉3的圓弧形的滾轉副保證了y軸方向的自由度。氣缸1在氣壓的作用下伸出氣缸軸，氣缸軸將探頭壓在試塊上表面。超聲波主聲束與標定試塊表面的貼合狀態始終保持一致，兩端導向軸保證了運動的平穩。氣缸的氣壓可調，故壓在探頭表面的壓力可調，選用的氣缸壓力范圍為0～60 N，下端的壓力傳感器將壓力顯示在儀表上。根據超聲探頭接收到的信號波形調整壓力。

圖3 探頭夾持器結構示意

3.2 探頭的傳送機構設計

3.2.1 探頭與試塊表面摩擦力的計算

探頭表面與碳鋼試塊表面的動摩擦因數為0.5，由于探頭夾持器可以由手動導軌滑塊傳動機構支撐，故探頭與試塊表面的壓力可以認為均由氣缸產生，取氣缸最大氣壓6 Pa時的最大正壓力60 N進行計算，運動過程中的最大摩擦力為30 N。

3.2.2 扭矩的計算

自動標定掃查裝置的負載為滑塊、轉接板、手旋導軌滑塊以及探頭夾持器的重力與探頭在試塊表面的摩擦力之和，傳動機構絲桿螺母中的螺母(帶動負載除去摩擦力)的質量為1.7 kg,故傳動機構中的軸向負載為47 N。

選用的導軌滑塊機構中的絲桿螺紋的類型為TR18X24，螺紋的大徑(外螺紋牙頂的直徑)d為18 mm,螺距P為24 mm,材料為聚縮醛樹脂，動摩擦因數u為0.21，螺紋的中徑(溝槽和凸起寬度相等處的直徑)如式(1)所示。

d2=d-0.5P=6

(1)

螺紋升角的正切值如式(2)所示。

tanθ=P/(πd2)=1.27

(2)

絲杠的傳遞效率如式(3)所示。

(3)

負載扭矩T為0.253 1 N·m。

根據要求選擇了Faulhabe直流有刷伺服電機，其直徑為32 mm，轉矩為0.119 N·m ，轉速為5 560 r·min-1。為了提高扭矩與克服負載的轉動慣量，在電機的前端安裝了Faulhaber行星減速器，減速比為14∶1。由于行星減速箱的最大功效為80%，故經過減速器之后的輸出轉矩為1.332 8 N·m(大于需求負載0.253 1 N·m)，轉速為317.71 r·min-1，折算為探頭前進的最大速度為126.8 mm·s-1，符合探頭掃查速度的要求；為了確定探頭掃查的位置，電機后面加有編碼器。

3.3 固定方案

由于試塊上表面離地較高(1 m左右)，并且要求該套裝置能夠頻繁更換，故要求該裝置的質量盡量小、固定方便、拆卸比較容易。在設計時考慮了夾緊機構的可操作性，以及便于更換、攜帶、拆裝安全等因素，設計出了相關的機構，并進行了試驗，確定了夾緊機構的方式及尺寸。

3.4 運動的控制

所選電機的額定電壓為36 V，額定電流為2.4 A，所選編碼器的分辨率為1024×4組脈沖。電機每轉一圈，探頭的前進距離為24 mm，因此控制系統的精度為0.01 mm；選用gaily控制卡。

4 試驗過程及結果分析

4.1 單晶探頭手動標定

選取了規格為45T2 12-1401，0L2 12-1412，45L4 12-1446的單晶探頭在標定試塊IV-M-RV-001上手動移動，并記錄探測到的通孔的位置和超聲信號波峰的大小，確定了探頭合適的增益，并記錄下來(見表1)。

4.2 不同壓力下探頭掃查性能測試

在選取合適的增益之后，用超聲自動標定掃查裝置進行掃查，調節氣缸氣壓,調整探頭與試塊表面的接觸壓力。鑒于壓力過大時,摩擦力過大對探頭的磨損嚴重，故選取壓力在3～21 N之間，記錄在不同的壓力下測得的孔的位置和超聲信號的強度(見表2～4)。

表2 探頭45T2 12-1401在不同壓力下測得的標定通孔的位置及超聲信號的強度

表3 探頭45L4 12-1446在不同壓力下測得的標定通孔的位置及超聲信號的強度

表4 探頭0L2 12-1412在不同壓力下測得的標定通孔的位置及超聲信號的強度

4.3 試驗結果分析

(1) 超聲探頭在常規無損檢測過程要求的壓力下，不同的壓力對超聲標定信號的強弱有一定影響，但是壓力的變化對信號的影響并不顯著，并不是壓力越大信號就越好。

(2) 設計的掃查裝置可以實現超聲探頭的自動標定，在掃查過程中探頭移動比較平穩，且探頭與試塊的接觸壓力可調，超聲信號比較理想，能夠實現對探頭的良好標定。

5 結語

用設計的自動標定掃查裝置，對標定試塊進行了超聲標定試驗，所設計的自動掃查裝置是可行的，具有方便攜帶、功能可靠等特點，達到了超聲自動標定要求的精度，提高了壓力容器無損檢測的可靠性，有效地保證了反應堆壓力容器的質量。