提高壓水堆核燃料用不銹鋼棒材超聲探傷可靠性方法研究

馬代雄

摘要：壓水堆核燃料用不銹鋼棒材是構成核燃料組件的關鍵材料，主要用于制造核燃料各類零部件及結構件，其質量與核電安全運行息息相關。在所有探傷方法中，超聲探傷是保證不銹鋼棒材質量最主要的探傷方法。為提高壓水堆核燃料用不銹鋼棒材超聲探傷可靠性，中核建中公司在自動化超聲探傷設備KT-1000的基礎上建立了不銹鋼棒材自動超聲探傷方法。經試驗驗證，該方法滿足要求，能夠用于實際檢驗。

關鍵詞：不銹鋼棒材超聲C掃描探傷 可靠性 方法

1引言

核燃料棒材原材料質量與核燃料組件安全運行息息相關。在核燃料管棒原材料制造過程中，可能存在的缺陷有裂紋、夾雜、壓坑、分層、劃傷等缺陷，這些缺陷大多是在擠壓、軋制過程中產生，分布在棒材內部或外表面。這些缺陷的存在將對棒材的正常使用造成極大的危害，當這些缺陷的尺寸達到一定的限值時，如不及時發現，制成的燃料棒泄漏或非正常運行的風險將大大增加[1]。

目前，各規格的不銹鋼棒材仍然采用較為傳統的A型超聲探傷儀進行手動超聲探傷。第一，該探傷方式完全手動探傷，無法實現自動化;第二，探傷過程中人為主觀因素影響較大，探傷質量與探傷人員經驗和注意力等相關;第三，探傷過程中無法生成并保存超聲帶狀圖，無法對探傷質量進行追蹤;第四，A型探傷儀探傷穩定性較差，探傷靈敏度也不高。針對上述核燃料用不銹鋼棒材超聲探傷現階段的問題，提高其方法可靠性研究顯得尤為迫切。

2不銹鋼棒材自動超聲探傷方法研究

2.1探傷原理

制造壓水堆核燃料使用的不銹鋼棒材均在Ф10mm～Ф50mm之間，牌號為0Cr18Ni10Ti和0Cr17Ni4Cu4Nb。不銹鋼棒材超聲波探傷通過縱波直射的方式進行。根據棒徑不同，不銹鋼棒材標準傷為不同直徑的平底孔。為改進現有不銹鋼超聲探傷方法，我公司引進了KT-1000XL棒材超聲探傷系統。該系統采用水浸超聲探傷的方式，通過滾輪帶動不銹鋼棒周向旋轉，超聲探頭以步進方式沿不銹鋼棒軸向方向運動，即棒材旋轉一周360°，探頭步進一次。探頭每次步進距離必須小于超聲探頭聲束直徑，從而實現棒材100%超聲C掃描探傷[2]。

2.2技術要求與相關標準分析

在本次研究中根據超聲系統探傷能力，為提高探傷精度，更好保證探傷可靠性，φ40mm的0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）不銹鋼棒的平底孔標準上縮小為0.4mm（以下都以φ40mm不銹鋼棒代替），φ10mm的0Cr18Ni10Ti不銹鋼的不銹鋼棒棒的平底孔縮小為φ0.4mm（以下都以φ10mm不銹鋼棒代替），φ50mm的不銹鋼棒的平底孔縮小為φ0.8mm（以下都以φ50mm不銹鋼棒代替）。參照GB/T 4162《鍛軋鋼棒超聲探傷方法》的平底孔的設置，對比樣棒應當具有1/2棒徑埋深和1/4棒徑埋深或與其等效的3/4的埋深的平底孔，此外研究中適當增加了不同深度的平底孔進行試驗。為驗證對不銹鋼棒材近表面缺陷的檢出能力，增加了對近表面埋深1mm的平底孔的探傷研究。通過技術標準和設備性能的分析，不銹鋼棒超聲探傷技術要求內容見表1。

2.3參數選擇

2.3.1探頭的選擇

KT-1000XL超聲探傷系統主要配備10M直探頭、25M聚焦探頭用于不銹鋼棒材超聲探傷，其中10M的直探頭主要用來探傷大棒徑的不銹鋼棒，25M聚焦探頭用來探傷近表面1～5mm的缺陷。因此根據探頭能力及不銹鋼棒材使用條件，在探傷大直徑不銹鋼棒材時采用10M直探頭進行探傷，另外可根據需要附加25M聚焦探頭對近表面區域進行監控。對于棒徑10mm的鋼棒則直接使用25M聚焦探頭進行探傷。

2.3.2旋轉速度的選擇

考慮到探傷效率的問題，另外結合設備本身只允許轉速最高到360o/s，對設備在各轉速下的狀態進行測試，測試的速度分別設置為360o/s和270o/s、180o/s，在測試φ40mm的不銹鋼棒材時發現360o/s和270o/s的轉速過快，容易導致帶狀圖異常且速度過快容易給探傷時帶來抖動，造成帶狀圖的異常。另外90o/s的轉速太慢效率太低，所以將轉速選擇在180o/s。

2.3.3步進速度的選擇

步進速度的選擇要保證聲束對棒材100%覆蓋并有一定的重疊率，一般該重疊率不能低于25%，由于該設備配套的超聲探頭未提供聲束長度等探頭參數，現根據標準JB/T 10062的方法，對10M和25M探頭的聲束長度進行測試。

2.3.3.1探頭聲束長度的測試

根據標準《超聲探傷用探頭性能測試方法》（JB/T 10062），調節探頭沿中心線對準Ф4mm的球靶，調節設備的XYZ軸方向，使探頭探測到鋼球的反射波回波最高，然后沿X方向朝左移動探傷到幅值降低2dB的點W-1，朝右移動找到幅值降低2dB的點W-2，W-1和W-2為距離設備“O”點的位置，W-1 和W-2點之間的距離即為探頭-2dB的長度，測試3次取最劣值，根據測試結果：10M直探頭的-2dB聲束長度為1.1mm，25M聚焦探頭的-2dB聲場長度為0.5mm。-2dB聲束長度測試圖見圖1。

圖1 -2dB超聲聲束長度測試圖

2.3.3.2步進速度的選擇

根據探頭-2dB長度測試結果10M直探頭在X軸方向-2dB長度為1.1mm，25M探頭在X軸方向-2dB長度為0.5mm。是探傷重疊率剛好為25%時，計算可得10M直探頭的步進距離為0.825mm，25M聚焦探頭的步進距離為0.375mm，在選擇步進距離小于此值時重疊率將滿足不低于25%的要求。10M直探頭探傷時的步進距離選擇為0.6mm，此時探傷重疊率為45%。25M探頭探傷時的步進距離選擇為0.3mm，此時的重疊率為40%。重疊率的計算公式見公式（1）。

Y=（1-n/d）×100%???????????????????????????????? （1）

式中：Y為重疊率;n為步進距離;d為探頭聲速有效直徑（mm）。

2.3.4周向采樣間隔的選擇

周向采樣間隔選擇要使探傷周向重疊≥25%，該數據影響探頭重復頻率。由于探頭聲束長度和寬度方向一致，兩種探頭使用時周向采樣間隔選擇≤0.2mm，此時周向重疊率滿足≥25%的要求。

2.3.5重復頻率的選擇

系統探傷重復頻率根據棒材直徑和周向采樣間隔自動計算得到，不需人為設定。

3工藝試驗

在選擇好工藝參數后，為選擇的工藝參數進行工藝試驗驗證，以證明方法滿足要求，需要用10M和25M探頭對不同棒徑相應埋深平底孔的不銹鋼棒材進行工藝試驗。

3.1信噪比試驗

以標準棒不同埋深標準傷進行信噪比試驗。將標準棒浸入水槽中，使標準傷回波幅度最大。分別調整各通道的增益，使標準傷信號幅度達到80%F.S.H，記下當時的增益值;移動標準棒至無傷的棒段，調整增益使本底噪聲達到80%F.S.H，再記下此時的增益值，兩次增益值的差值即為各通道信噪比，系統信噪比測試結果如下。

（1）10M探頭信噪比試驗結果：φ40mm不銹鋼棒20mm埋深平底孔信噪比測試為20.5dB;φ40mm不銹鋼棒15mm埋深平底孔信噪比測試為23dB;φ40mm不銹鋼棒10mm埋深平底孔信噪比測試為26.5dB;φ40mm不銹鋼棒5mm埋深平底孔信噪比測試為28dB;φ50mm不銹鋼棒12.5mm埋深平底孔信噪比測試為34.5dB;φ50mm不銹鋼棒25mm埋深平底孔信噪比測試為27.5dB;

（2）25M探頭信噪比試驗結果：φ40mm不銹鋼棒5mm埋深平底孔信噪比測試為20.5dB;φ40mm不銹鋼棒1mm埋深平底孔信噪比測試為12.5dB;φ10mm不銹鋼棒5mm埋深平底孔信噪比測試為17dB;φ10mm不銹鋼棒2.5mm埋深平底孔信噪比測試為24.5dB;φ10mm不銹鋼棒10mm埋深平底孔信噪比測試為19dB。

根據信噪比試驗結果：10M直探頭在探傷40mm和50mm的不銹鋼棒時對于非近表面的平底孔有著良好的信噪比。25M聚焦探頭在探傷10mm和40mm棒徑的不銹鋼棒時對于近表面各埋深的平底孔有著良好的信噪比。

3.2穩定性試驗及漏報率試驗

3.2.1 Ф40mm不銹鋼棒穩定性試驗

根據信噪比測試結果：需要對不銹鋼棒材近表面1～5mm探傷情況下，需要使用10M直探頭和25M聚焦探頭組合探傷。設置轉速為180o/s，由于需要使用25M聚焦探頭，所以步進速度只能選擇0.3mm，周向掃查間隔設置為0.1mm。對標準棒連續4h進行探傷，探傷對比試塊中平底孔回波幅度的波動情況。4小時探傷穩定性試驗的結果：在25M聚焦探頭和10M直探頭組合的情況下，對Ф40mm不銹鋼棒進行探傷極差最大為1.58dB，不大于2dB滿足穩定性試驗要求[3]。

一般情況下，考慮到探傷效率及大直徑不銹鋼棒材使用條件（大棒徑棒材使用前會去除棒材表面），可以只選擇10M直探頭進行探傷，此時轉速為180o/s，步進速度選擇0.6mm，周向掃查間隔設置為0.1mm。4小時探傷穩定性試驗的結果：10M直探頭探傷的情況下，對Ф40mm不銹鋼棒進行探傷極差最大為0.55dB，不大于2dB滿足穩定性試驗要求。

3.2.2Ф40mm不銹鋼棒標準傷漏報率試驗

根據探傷穩定性的結果，對探傷增加增益1dB（補償增益根據穩定性試驗最大值確定，要求補償增益后標準傷不得低于標準傷標定值），對標準棒進行連續4h的漏報率試驗，試驗過程中監控各深度的平底孔回波幅值不得低于標準傷標定值80%F.S.H（滿屏高度）。25M聚焦探頭和10M直探頭組合探傷的漏報率試驗結果：25M聚焦探頭通道4小時漏報率試驗最小值為87%F.S.H，10M探頭通道4小時漏報率試驗最小值為100%F.S.H;單獨使用10M直探頭的漏報率試驗結果：10M探頭通道4小時漏報率試驗最小值為94%F.S.H。

由上述結果可知在25M聚焦探頭和10M直探頭組合探傷的情況下各標準傷沒有出現低于80%的情況，10M直探頭單獨探傷時標準傷也沒有低于80%的情況，因此兩種組合在各自的探傷參數下探傷的漏報率試驗滿足漏報率試驗要求[4]。

3.2.3Ф10mm不銹鋼棒的穩定性試驗及漏報率試驗

Ф10mm不銹鋼棒超聲探傷只需要使用25M聚焦探頭探傷，設置轉速為180o/s，步進速度選擇0.3mm，周向掃查間隔設置為0.09mm。對標準棒連續4h進行探傷，統計探標準棒平底孔回波幅度的波動情況。4h探傷穩定性試驗結果：25M聚焦探頭探傷的情況下，對Ф10mm不銹鋼棒進行探傷極差最大為1.7dB，滿足不大于2dB穩定性試驗要求。

根據探傷穩定性的結果，對探傷補償增益2dB，對標準棒進行連續4h的漏報率試驗，試驗過程中監控各深度的平底孔回波幅值不得低于80%F.S.H。漏報率試驗結果：25M聚焦探頭探傷的情況下各標準傷最低為98%F.S.H，沒有出現低于80%F.S.H的情況，因此25M聚焦探頭在轉速180o/s，步進0.3mm，周向采樣間隔為0.09的參數設置探傷滿足漏報率試驗要求。

3.2.4Ф50mm不銹鋼棒的穩定性試驗及漏報率試驗

Ф50mm不銹鋼棒只需選擇10M直探頭進行探傷，探傷的參數為轉速為180o/s，步進速度選擇0.6mm，周向掃查間隔設置為0.1mm。4小時探傷穩定性試驗的結果：10M直探頭探傷的情況下，對Ф50mm不銹鋼棒進行探傷極差最大為0.33dB，不大于2dB滿足穩定性試驗要求[5]。

根據探傷穩定性的結果，對探傷增加增益1dB，對標準棒進行連續4h的漏報率試驗。10M直探頭探傷的漏報率試驗結果：Ф50mm不銹鋼棒探傷時標準傷最低為98% F.S.H，沒有低于80%F.S.H的情況，探傷參數設置滿足漏報率試驗要求。

3.3盲區試驗

使用Ф10mm×200mm的參考樣棒上距離端部20mm的盲區孔測試設備的盲區邊界。設定棒材的旋轉速度為180o/s，步進0.3mm/次時對人工標準傷3次正反向的探傷，參考試塊的盲區孔均能被探傷和記錄，即滿足兩端不可探盲區≤30mm的要求[6]。

4 結論

使用KT-1000XL棒材超聲波探傷系統，能夠對各規格和牌號的不銹鋼棒材進行有效超聲探傷，經上述分析試驗，得出以下結論.

（1）φ10mm和φ40mm不銹鋼棒使用φ0.4mm平底孔，φ50mm不銹鋼棒使用φ0.8mm平底孔作為標準傷時，該設備能夠有效的檢出，且穩定性、信噪比、漏檢漏報率均能夠滿足要求，性能良好。

（2）該設備可使用25M高頻探頭可實現對棒材近表面的1～5mm缺陷進行有效探傷。

（3）不銹鋼棒超聲波的自動探傷工藝參數見表2、表3.

該工藝參數能夠滿足不銹鋼棒的超聲自動探傷穩定性、信噪比、盲區、漏報率的要求，能夠用于不銹鋼棒材的超聲波探傷。Ф10～Ф50mm其他規格的不銹鋼棒材超聲探傷參照以上工藝參數執行。

參考文獻

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