核電站用起吊三腳架鍛件的磁粉檢測工藝

王樹昌，劉恩凱，施建輝，張大勇

(陽江核電有限公司，陽江 529500)

三代核電一體化堆頂結構(IHP)將堆頂屏蔽、防飛射物裝置和反應堆壓力容器頂蓋起吊裝置設計成不需拆除的一體化結構，在反應堆換料期間既可簡化換料操作，又可以縮短停堆時間，并減小人員所受的放射性劑量，其安全性及經濟性得到了顯著提升。

IHP結構屬于核安全相關物項，設計、制造及檢測按照ASME標準執行。其中，起吊三角架主要由U型夾銷、吊耳、支桿、Y型塊、分度桿等部件組成，其結構如圖1所示。在大修換料期間，可利用三角架組件將壓力容器的頂蓋和一體化堆頂組件一同吊起，其最大載荷量為800 t。按照設計文件要求，需要在機加工后及載荷試驗后分別對各部件進行表面磁粉檢測[1]，以保證現場使用安全。

圖1 IHP起吊三角架組件結構示意

起吊三腳架包括18個關鍵物項，按照外形結構主要分為標準圓柱體型、板式結構和異型件等。各個類型部件3D模型如圖2所示。

圖2 IHP起吊三角架各類型部件3D模型

1 檢測標準及磁粉檢測工藝制定

1.1 檢測標準分析

IHP設計文件中規定，以上物項為核安全相關物項，要求最終機加后及載荷試驗后，應按照 ASTM E 709-1995或 ASTM A 275-1998標準在兩個方向上(互相垂直)進行100 %磁粉檢測，驗收標準為ASME BPVC Ⅲ NF(1998&2000增補)分卷NF-5340。其中驗收要求中作了如下規定。

(1) 零件有任何裂紋或者線性顯示則拒收。

(2) 有任何尺寸大于5 mm的圓形顯示則拒收。

(3) 在一條線上有4個或以上且邊緣相距不大于1.5 mm的圓形顯示則拒收。

(4) 在受評定的顯示區域中最嚴重的位置，任何一個表面積為4 000 mm2(該面積主要尺寸不超過150 mm)的區域內有10個或者10個以上的圓形顯示則拒收。

設計文件規定磁粉檢測工藝參照標準ASTM E 709-1995或ASTM A 275-1998。

其中，ASTM E 709-1995標準適用于焊縫、原材料、鍛件及最終材料等部件的磁粉檢測，基本涵蓋了各項部件的磁粉檢測工藝要求，屬于適用范圍較為寬泛的標準。而ASTM A 275-1998標準主要適用于鋼鍛件的磁粉檢測，專用于鍛件的磁粉檢測工藝要求，該標準僅允許使用直流電或者整流電(全波或半波)作為磁化方式的電流源。

考慮到表面及近表面缺陷檢測的深度以及標準的專項適用性，最終確認三角架組件鍛件以ASTM A 275-1998標準作為檢測技術工藝標準，采用直流或全波/半波整流電進行磁粉檢測。

雖然在ASTM A 275-1998標準中也注明了ASTM E 709-1995標準可用于由鋼鍛件制造的機械部件的現場磁粉檢測。但是在役階段的檢測，受空間、位置及現場實際情況的影響，使用交流磁軛法更為合適。

1.2 檢測工藝制定

起吊三角架的檢測部件結構復雜，尺寸大小不一，并且存在弧面、螺紋和盲孔等難以檢測的部位；同時局部區域存在結構突變，容易形成非相關顯示，影響檢測結果的準確性。按照ASTM A 275-1998標準的要求，僅允許使用直流或全波/半波整流電進行磁化檢測，該標準中規定的檢測方法主要包括磁軛法、觸頭法、直接通電法、線圈法、中心導體法等。

1.2.1 圓柱形結構磁粉檢測工藝

對于標準圓柱結構的檢測，除了016號工件(起吊拉桿，長7 670 mm)以外的所有部件都使用機床進行磁粉檢測(進行縱向、周向磁化，一次性完成所有表面檢測)。根據之前的實際檢測試驗，在電極上安裝固定鎖緊裝置，可以在機床上對工件進行360°旋轉，檢測順序為周向磁化-縱向磁化-退磁[2]。

檢測的各部件結構如圖3～5所示。001號工件為連接器上U型夾銷(見圖3)，選擇周向磁化電流為1 168～4 380 A；縱向磁化電流為2 500～3 500 A；檢測2次(以靈敏度試片為準)。005號工件為下連接銷(見圖4)，選擇周向磁化電流為1 200～4 380 A；縱向磁化電流為2 500～3 500 A；檢測2次(以靈敏度試片為準)。007/018號工件為三角架U型夾銷(見圖5)，選擇周向磁化電流為1 500～2 500 A；縱向磁化電流為3 200～5 000 A;檢測2次(以靈敏度試片為準)。

圖3 連接器上U型夾銷結構示意

圖4 下連接銷結構示意

圖5 三角架U型夾銷結構示意

起吊拉桿(編號016，長7670 mm)的檢測方法分為縱向磁化與周向磁化。檢測軸向缺陷時，使用可移動式小線圈進行分段縱向磁化。磁化電流為1 600～3 600 A，分段次數為26次，磁場強度應滿足靈敏度試片要求。起吊拉桿的縱向磁化檢測方法如圖6所示。

圖6 起吊拉桿(016)縱向磁化檢測示意

檢測軸向缺陷時，也可利用夾鉗夾住工件的兩端，進行軸向通電以周向磁化工件。為了避免接觸處打火燒傷，應清除掉與電極接觸部位的鐵銹、油漆等雜質,且必須在磁化電流斷電時進行夾持或松開操作。磁化電流不應過大，以免產生打火,如果一次性檢測完，那么理論上電流的大小為1 800～3 000 A。為了避免較大電流產生打火現象，應將電流從1 800 A逐漸增大，直至磁場強度滿足靈敏度試片要求。起吊拉桿的周向磁化檢測示意如圖7所示。

圖7 起吊拉桿(016)周向磁化檢測示意

1.2.2 板式結構磁粉檢測工藝

對板式結構的檢測，原則上使用磁軛法、觸頭法。工件直接平放于地面上，翻轉一次就可以完成所有面的檢測。按照ASTM A 275-1998標準，需要使用直流磁軛進行檢測，而觸頭法容易在機加工表面產生火花引起表面缺陷，因此放棄使用觸頭法。

按照ASTM A 275-1998標準,在對IHP起吊三角架鍛件進行直流磁軛法檢測時，發現進行A1靈敏度試片試驗時，無法滿足靈敏度要求。在ASME BPVC V卷-2001第七章T 776.2節中也注明了除了厚度不大于6 mm的工件以外，在相等提升力下，對表面缺陷的檢測使用交流磁軛法優于直流磁軛法。因此，直流磁軛法不能滿足現場檢測的需求。

為了能夠實現板材部件兩個方向的磁粉檢測，最終確定采用線圈法對該部件進行檢查，通過對纏繞在零件上的電纜線通電進行磁化，實現不同方向的缺陷檢測，磁化電流最終以A1靈敏度試片清晰顯示為準。

002號部件連接器端板磁粉檢測時，線圈橫向纏繞的匝數為3匝，電流為3 000～5 000A，縱向纏繞的匝數為2匝，電流為4 0008 000A，板式結構線圈法磁粉檢測方法如圖8所示。

圖8 板式結構線圈法磁粉檢測方法示意

1.2.3 異型結構磁粉檢測工藝

針對于異型件的檢測方法仍為線圈纏繞法，纏繞方向不同，檢測缺陷的方向也不同，檢測缺陷的方向應始終與電纜纏繞的方向一致。不同異型結構線圈法磁粉檢測方法如圖9，10所示。

圖9 異型結構A線圈法磁粉檢測方法示意

圖10 異型結構B線圈法磁粉檢測方法示意

2 檢測設備參數制定

通過對三角架組件結構形式的分析，參照檢測標準及上述檢測工藝要求，總結出該類產品的磁粉檢測設備特性應滿足的要求如下所述。

(1) 該設備主探傷機采用固定式機電分立型結構，主要由直流電源控制柜、直流磁化電源、人機界面操作控制箱、交流磁化裝置、電氣控制系統、磁化及夾持裝置、磁懸液及回收系統、紫外線燈等部件組成。

(2) 該設備由中央處理器對檢測時的磁化電流、充電時間、充電次數、充電間隔、退磁電流等參數進行數字顯示及控制。

(3) 該設備可以實現線圈法、直接通電法磁粉檢測。電纜線圈直徑不小于800 mm，可實現的棒材最大夾持長度為6 m。通過電動或齒輪夾緊方式可以實現工件的固定，并可實現工件的轉動，以360°觀察工件。

(4) 具備磁懸液噴淋裝置。固定式設備磁化電流(直流)為0～12 000 A,移動式設備磁化電流(直流)為0～6 000 A。

3 檢測步驟及注意事項

3.1 檢測準備及過程

3.1.1 工機具準備

準備的工機具包括：CZQ-12000E型和CED-6000A型交直流熒光磁粉探傷機、手電筒、卷尺(或鋼板尺)、紫外線強度輻射照度計、特斯拉計、八腳試塊(磁場指示器)、靈敏度試片、磁懸液濃度測定儀、紫外線防護設備、照度計、便攜式黑光燈等。

設備用途如下。

(1) 照度計。進行熒光磁粉檢測的暗室內，可見光的強度應不大于20 lx。

(2) 紫外線照度計。被檢工件表面的紫外線照度應不低于1 000 uw·mm-2。

(3) 特斯拉計。標準規定(E 709)試件任何一點處的剩磁應不超過0.3 mT。

(4) 八腳試塊(磁場指示器)。其用于測定磁場的強度及方向。

(5) 手電筒。檢測過程中，便于照亮操作平臺，作為臨時性光源。

(6) 磁懸液濃度測定儀。對于熒光磁粉，建議在100 ml中的沉淀物體積為0.1 ml～0.4 ml。

(7) 黑光燈。在黑暗中使缺陷顯示出來，使用前應至少預熱5 min，建議每一班次只開關一次，以免減少黑光燈的使用壽命。

3.1.2 零件準備

被檢零件表面應清潔、干燥、無污染物，特別是與磁極接觸的兩端，需清理干凈，不能存在油漆、鐵銹、氧化皮等雜質。

應提前根據被檢件的幾何形狀及尺寸確定檢測方法并計算檢測數據參數。

應提前了解被檢測工件的具體狀態及外觀情況，考慮工件能否放置于機床上，對工件兩端的結構應作重點考慮。

注意螺紋與電極托盤是否接觸，以防對螺紋造成損傷。

對于零件上的小孔等結構，必須使用有效的遮蓋物(例如橡皮泥)進行覆蓋，防止因接觸磁懸液而對零件造成損傷。

3.1.3 設備準備及操作

檢測前，應先開機試用，使用標準試塊或自然缺陷試塊進行檢定，確保設備處于完好狀態。根據計算好的參數及確定的檢測方法，輸入檢測電流參數并實施檢測。檢查被檢測工件夾持情況是否滿足要求，應確保夾緊力足夠。根據被檢工件的長度，預先設置好兩電極之間的長度及線圈的位置(卷尺測量)[3]。

實際操作中，應將熒光磁懸液向被檢工件噴淋，使其表面獲得足夠的磁懸液，然后在磁化通電開始的同時終止噴淋。直接接觸通電法(軸向通電)的操作要領為使用直流或整流電流進行磁化，并應用磁場指示器來確定磁場強度是否恰當。

線圈法(周向通電)的操作要領為使用直流或整流電流進行磁化。所要求的磁場強度是以零件的長度和外徑為基礎，按照所采用的標準規范進行計算，被檢零件每段長度不應超過線圈零件的直徑，最終是否滿足磁化要求以磁場指示器的顯示為準[4]。

4 結語

通過對技術規格文件及檢驗標準進行研究分析，制定了符合檢測標準的磁粉檢測工藝。受標準工藝要求及實際被檢工件結構尺寸的影響，觸頭法及磁軛法不滿足檢測靈敏度要求，且機加工過程中其表面容易產生火花損傷，因此在該檢測中不允許使用。

針對棒材標準結構件，可使用標準規定的線圈法和直接通電法進行磁粉檢測。針對板材、異型結構件等復雜工件，應采用電纜纏繞的方式實現兩個方向的磁粉檢測。為滿足現場實際檢測需求，實際檢測中使用CZQ-12000E型熒光磁粉探傷機以及CED-6000A型移動式磁粉探傷機。實際應用的結果表明，該套檢測設備可以滿足國產化三代核電IHP起吊三角架設備的磁粉檢測工作，檢測靈敏度滿足標準要求。

該檢測設備的研制及檢測的成功實施，為三代核電IHP設備國產化過程的檢測工作提供了有力的支撐，為后續相關設備的檢測提供了一定參考。