主泵主軸超聲檢驗(yàn)技術(shù)研究

柯濤 丁松 張運(yùn)平 李上平

【摘 要】為保證主泵主軸的運(yùn)行安全，對(duì)主泵主軸的定期無(wú)損檢測(cè)是確保其安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在，因而有針對(duì)性的開(kāi)展主泵主軸超聲檢驗(yàn)技術(shù)研究。通過(guò)分析研究主泵主軸材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)超聲檢驗(yàn)的影響，開(kāi)展探頭角度、頻率、晶片尺寸以及標(biāo)定試塊等檢測(cè)參數(shù)和檢驗(yàn)技術(shù)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行聲場(chǎng)模擬和模擬件檢測(cè)試驗(yàn)，研究開(kāi)發(fā)出了一套有效可靠快捷的主泵主軸超聲檢驗(yàn)技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】主泵主軸；超聲檢驗(yàn)；探頭

中圖分類(lèi)號(hào)： F426.61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dòng)力裝置一回路壓力邊界中的重要設(shè)備之一，是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，它為高溫高壓、具有放射性的冷卻劑在一回路中循環(huán)提供動(dòng)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(jī)通過(guò)短軸聯(lián)接主軸，主軸帶動(dòng)下部葉輪高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆冷卻劑在系統(tǒng)中循環(huán)。經(jīng)驗(yàn)反饋表明，主泵主軸曾因熱疲勞產(chǎn)生裂紋，在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展的現(xiàn)象。

為保證主泵主軸的運(yùn)行安全，有必要通過(guò)無(wú)損檢測(cè)對(duì)其開(kāi)展質(zhì)量檢查和監(jiān)督。因而有針對(duì)性的開(kāi)展主泵主軸超聲檢驗(yàn)技術(shù)研究。通過(guò)分析研究主泵主軸材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)超聲檢驗(yàn)的影響，開(kāi)展探頭角度、頻率、晶片尺寸以及標(biāo)定試塊等檢測(cè)參數(shù)和檢驗(yàn)技術(shù)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行聲場(chǎng)模擬和模擬件檢測(cè)試驗(yàn)，研究出主泵主軸超聲檢驗(yàn)技術(shù)并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢查。

1 主泵主軸介紹

主泵主軸在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)葉輪驅(qū)動(dòng)一回路水循環(huán)的過(guò)程中，將受到高速旋轉(zhuǎn)引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和高溫?zé)釕?yīng)力的影響，容易產(chǎn)生疲勞。在下端鍵槽中上部和熱屏套連接處受應(yīng)力影響尤甚。經(jīng)驗(yàn)反饋表明在鍵槽中上部會(huì)形成周向和軸向兩個(gè)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(zhǎng)2134mm，上下端部各有兩個(gè)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(shí)施檢驗(yàn)時(shí)存在檢查空間限制。詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

2 技術(shù)分析和方案設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)分析

主泵位于核動(dòng)力裝置一回路壓力邊界，所處的位置環(huán)境劑量比較高。另外主軸若完全拆除，回裝及密封存在相當(dāng)大的技術(shù)困難，因此在實(shí)施檢驗(yàn)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(wú)法接近檢查部位進(jìn)行直接檢驗(yàn)。

主泵主軸的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，超聲波在奧氏體不銹鋼中會(huì)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(cè)不到一些顯示信號(hào)。所以要從根本上解決信噪比低的問(wèn)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(xì)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(cè)工藝著手，合理的選用儀器和探頭，優(yōu)化匹配性能，再配以適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法。

主泵主軸較長(zhǎng)的檢測(cè)距離會(huì)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(kuò)散覺(jué)），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(guò)大，會(huì)使探頭的移動(dòng)區(qū)域減小，從而導(dǎo)致檢驗(yàn)范圍不夠；探頭頻率過(guò)高會(huì)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(duì)超聲波檢驗(yàn)的制約。

另外，主泵主軸在結(jié)構(gòu)中存在諸多臺(tái)階和倒角，會(huì)引起復(fù)雜的結(jié)構(gòu)反射回波干擾，導(dǎo)致信號(hào)誤判。為減小誤判率，從主泵主軸側(cè)面進(jìn)行超聲檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用具有較強(qiáng)的抗干擾以及較高的數(shù)模轉(zhuǎn)換率，可同時(shí)實(shí)時(shí)顯示A-scan、B-scan、C-scan和D-scan，并能直觀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)超聲儀。

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 超聲儀

手動(dòng)超聲儀選用數(shù)字型超聲儀器，類(lèi)似如CTS-4020，自動(dòng)超聲儀采用多通道超聲數(shù)據(jù)采集和分析儀器，如Tomoscan-III UT、Z-SCAN UT，與其配套的軟件為T(mén)omoView或UltraVision，主要用于脈沖回波法的多通道超聲數(shù)據(jù)采集和分析，可處理顯示A-scan、B-scan、C-scan和D-scan，可進(jìn)行在線或離線數(shù)據(jù)分析。

2.2.2 探頭參數(shù)設(shè)計(jì)

主泵主軸的材質(zhì)、尺寸和形狀的特殊性給超聲波檢測(cè)帶來(lái)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(huì)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(huì)顯著降低；其二是奧氏體組織的各向異性，會(huì)使超聲波的聲速和傳播方向發(fā)生改變，造成誤判。鑒于這些特點(diǎn)，超聲檢測(cè)技術(shù)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩種試塊，試塊材料均選用與被檢的主泵主軸一致材料。標(biāo)準(zhǔn)試塊主要用用于儀器性能、探頭前沿、角度的測(cè)量；帶有人工缺陷的標(biāo)定試塊（見(jiàn)圖5所示）主要用于探頭靈敏度的標(biāo)定。標(biāo)定試塊的人工缺陷設(shè)計(jì)如下：

●距鍵槽上部40mm，直徑254mm處加工一個(gè)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(zhǎng)度71mm，槽的形狀為兩個(gè)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(gè)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(zhǎng)度91mm，槽的形狀為兩個(gè)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(yàn)靈敏度

對(duì)檢驗(yàn)探頭，利用標(biāo)定試塊上的鍵槽制作TGC曲線，即時(shí)間-增益補(bǔ)償曲線，使標(biāo)定的鍵槽的回波幅值達(dá)到幅度刻度的80%左右，此時(shí)超聲儀的增益值即為基準(zhǔn)靈敏度G0。將基準(zhǔn)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(dá)到40%FSH就應(yīng)記錄，因此檢驗(yàn)靈敏度（或記錄靈敏度）是在掃查靈敏度基礎(chǔ)上增加6dB。

2.2.4 檢驗(yàn)方式

主要采用側(cè)面檢驗(yàn)進(jìn)行實(shí)施，端面檢驗(yàn)作為輔助檢驗(yàn)方式；側(cè)面檢驗(yàn)選用自動(dòng)超聲儀和專(zhuān)用機(jī)械掃查裝置，通過(guò)人工外力推動(dòng)掃查器帶動(dòng)接觸式探頭在主軸上周向和軸向運(yùn)動(dòng)對(duì)下部鍵槽和熱屏套連接處實(shí)施檢驗(yàn)；端面檢驗(yàn)采用接觸式直射波手動(dòng)超聲檢驗(yàn)方式。

3 試驗(yàn)

3.1 CIVA聲場(chǎng)模擬試驗(yàn)

根據(jù)上述的探頭設(shè)計(jì)方案，采用CIVI軟件對(duì)不同波型的探頭進(jìn)行了聲場(chǎng)模擬，模擬聲場(chǎng)分布見(jiàn)圖6、圖7所示。

根據(jù)CIVA軟件對(duì)聲場(chǎng)模擬，比較圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)：78°橫波斜探頭明顯比78°縱波斜探頭聲場(chǎng)強(qiáng)、效果好。從聲學(xué)原理上78°縱波在檢驗(yàn)時(shí)會(huì)伴隨波型轉(zhuǎn)換，與純橫波相比較，同深度處的聲強(qiáng)能量會(huì)降低。所以檢驗(yàn)技術(shù)采用橫波斜探頭。

3.2 模擬件檢測(cè)試驗(yàn)

3.2.1 檢驗(yàn)系統(tǒng)

通過(guò)在主泵主軸上部固定區(qū)域安裝半自動(dòng)掃查器，采用人工外力推動(dòng)掃查器在主軸上進(jìn)行周向和軸向運(yùn)動(dòng)，超聲信號(hào)和掃查器的位置編碼傳遞給多通道自動(dòng)超聲儀，利用專(zhuān)用軟件對(duì)超聲檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析及存儲(chǔ)。具體流程見(jiàn)圖8所示。

3.2.2 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)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(chǎn)的CTS-4020數(shù)字式手動(dòng)超聲波探傷儀在帶有人工缺陷的標(biāo)定試塊上對(duì)鍵槽進(jìn)行掃查。在超聲儀器參數(shù)設(shè)置都相同的狀態(tài)下，配用不同頻率的探頭對(duì)鍵槽處進(jìn)行掃查，1MHz、1.5MHz和2MHz橫波斜探頭都能發(fā)現(xiàn)鍵槽信號(hào)，具體如圖9所示。

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

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)頻率為1MHz的斜探頭靈敏度和信噪比都優(yōu)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(biāo)定試塊上1%、2%的人工缺陷和鍵槽回波信號(hào)。

4 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的研究分析表明，選用多通道自動(dòng)超聲儀器和專(zhuān)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(guò)側(cè)面掃查為主和端面掃查為輔對(duì)主泵主軸下部鍵槽和熱屏套連接處的超聲檢驗(yàn)是十分有效可靠的檢驗(yàn)技術(shù)，能夠檢測(cè)出最小面積當(dāng)量為1%的缺陷信號(hào)。采用上述設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)技術(shù)能夠滿足核電現(xiàn)場(chǎng)主泵主軸超聲檢驗(yàn)的要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2012年4月在國(guó)內(nèi)某核電站D115大修期間，采用研究出的檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)核電站1號(hào)機(jī)組的D1RCP001PO GD95型主泵主軸進(jìn)行了超聲檢驗(yàn)。

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

在主泵主軸上部固定區(qū)域安裝半自動(dòng)掃查裝置，采用人工外力推動(dòng)掃查器在主軸上進(jìn)行周向和軸向運(yùn)動(dòng)，通過(guò) Z-scan自動(dòng)超聲波探傷儀和專(zhuān)用軟件實(shí)施了超聲檢驗(yàn)。主泵主軸鍵槽A/B/C/D-SCAN如圖11所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)和應(yīng)用表面，側(cè)面掃查和端面掃查能夠有效的對(duì)下部鍵槽和熱屏套連接處實(shí)施超聲波檢驗(yàn)；在主泵主軸密封屏蔽環(huán)不完全拆除的狀態(tài)下，機(jī)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(qū)域。研究出的檢驗(yàn)技術(shù)能夠滿足核電站主泵主軸的超聲檢驗(yàn)需求，檢驗(yàn)技術(shù)有效可靠快捷。

【參考文獻(xiàn)】

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