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(gòu)成核燃料組件的關(guān)鍵材料，主要用于制造核燃料各類零部件及結(jié)構(gòu)件，其質(zhì)量與核電安全運(yùn)行息息相關(guān)。在所有探傷方法中，超聲探傷是保證不銹鋼棒材質(zhì)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(dòng)化超聲探傷設(shè)備KT-1000的基礎(chǔ)上建立了不銹鋼棒材自動(dòng)超聲探傷方法。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法滿足要求，能夠用于實(shí)際檢驗(yàn)。

關(guān)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(zhì)量與核燃料組件安全運(yùn)行息息相關(guān)。在核燃料管棒原材料制造過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生，分布在棒材內(nèi)部或外表面。這些缺陷的存在將對(duì)棒材的正常使用造成極大的危害，當(dāng)這些缺陷的尺寸達(dá)到一定的限值時(shí)，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，制成的燃料棒泄漏或非正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)將大大增加[1]。

目前，各規(guī)格的不銹鋼棒材仍然采用較為傳統(tǒng)的A型超聲探傷儀進(jìn)行手動(dòng)超聲探傷。第一，該探傷方式完全手動(dòng)探傷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;第二，探傷過(guò)程中人為主觀因素影響較大，探傷質(zhì)量與探傷人員經(jīng)驗(yàn)和注意力等相關(guān);第三，探傷過(guò)程中無(wú)法生成并保存超聲帶狀圖，無(wú)法對(duì)探傷質(zhì)量進(jìn)行追蹤;第四，A型探傷儀探傷穩(wěn)定性較差，探傷靈敏度也不高。針對(duì)上述核燃料用不銹鋼棒材超聲探傷現(xiàn)階段的問(wèn)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(dòng)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(hào)為0Cr18Ni10Ti和0Cr17Ni4Cu4Nb。不銹鋼棒材超聲波探傷通過(guò)縱波直射的方式進(jìn)行。根據(jù)棒徑不同，不銹鋼棒材標(biāo)準(zhǔn)傷為不同直徑的平底孔。為改進(jìn)現(xiàn)有不銹鋼超聲探傷方法，我公司引進(jìn)了KT-1000XL棒材超聲探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用水浸超聲探傷的方式，通過(guò)滾輪帶動(dòng)不銹鋼棒周向旋轉(zhuǎn)，超聲探頭以步進(jìn)方式沿不銹鋼棒軸向方向運(yùn)動(dòng)，即棒材旋轉(zhuǎn)一周360°，探頭步進(jìn)一次。探頭每次步進(jìn)距離必須小于超聲探頭聲束直徑，從而實(shí)現(xiàn)棒材100%超聲C掃描探傷[2]。

2.2技術(shù)要求與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

在本次研究中根據(jù)超聲系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)置，對(duì)比樣棒應(yīng)當(dāng)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(dāng)增加了不同深度的平底孔進(jìn)行試驗(yàn)。為驗(yàn)證對(duì)不銹鋼棒材近表面缺陷的檢出能力，增加了對(duì)近表面埋深1mm的平底孔的探傷研究。通過(guò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備性能的分析，不銹鋼棒超聲探傷技術(shù)要求內(nèi)容見表1。

2.3參數(shù)選擇

2.3.1探頭的選擇

KT-1000XL超聲探傷系統(tǒng)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(lái)探傷大棒徑的不銹鋼棒，25M聚焦探頭用來(lái)探傷近表面1～5mm的缺陷。因此根據(jù)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(shí)采用10M直探頭進(jìn)行探傷，另外可根據(jù)需要附加25M聚焦探頭對(duì)近表面區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于棒徑10mm的鋼棒則直接使用25M聚焦探頭進(jìn)行探傷。

2.3.2旋轉(zhuǎn)速度的選擇

考慮到探傷效率的問(wèn)題，另外結(jié)合設(shè)備本身只允許轉(zhuǎn)速最高到360o/s，對(duì)設(shè)備在各轉(zhuǎn)速下的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的速度分別設(shè)置為360o/s和270o/s、180o/s，在測(cè)試φ40mm的不銹鋼棒材時(shí)發(fā)現(xiàn)360o/s和270o/s的轉(zhuǎn)速過(guò)快，容易導(dǎo)致帶狀圖異常且速度過(guò)快容易給探傷時(shí)帶來(lái)抖動(dòng)，造成帶狀圖的異常。另外90o/s的轉(zhuǎn)速太慢效率太低，所以將轉(zhuǎn)速選擇在180o/s。

2.3.3步進(jìn)速度的選擇

步進(jìn)速度的選擇要保證聲束對(duì)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(shè)備配套的超聲探頭未提供聲束長(zhǎng)度等探頭參數(shù)，現(xiàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10062的方法，對(duì)10M和25M探頭的聲束長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試。

2.3.3.1探頭聲束長(zhǎng)度的測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《超聲探傷用探頭性能測(cè)試方法》（JB/T 10062），調(diào)節(jié)探頭沿中心線對(duì)準(zhǔn)Ф4mm的球靶，調(diào)節(jié)設(shè)備的XYZ軸方向，使探頭探測(cè)到鋼球的反射波回波最高，然后沿X方向朝左移動(dòng)探傷到幅值降低2dB的點(diǎn)W-1，朝右移動(dòng)找到幅值降低2dB的點(diǎn)W-2，W-1和W-2為距離設(shè)備“O”點(diǎn)的位置，W-1 和W-2點(diǎn)之間的距離即為探頭-2dB的長(zhǎng)度，測(cè)試3次取最劣值，根據(jù)測(cè)試結(jié)果：10M直探頭的-2dB聲束長(zhǎng)度為1.1mm，25M聚焦探頭的-2dB聲場(chǎng)長(zhǎng)度為0.5mm。-2dB聲束長(zhǎng)度測(cè)試圖見圖1。

圖1 -2dB超聲聲束長(zhǎng)度測(cè)試圖

2.3.3.2步進(jìn)速度的選擇

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

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

式中：Y為重疊率;n為步進(jìn)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(shù)據(jù)影響探頭重復(fù)頻率。由于探頭聲束長(zhǎng)度和寬度方向一致，兩種探頭使用時(shí)周向采樣間隔選擇≤0.2mm，此時(shí)周向重疊率滿足≥25%的要求。

2.3.5重復(fù)頻率的選擇

系統(tǒng)探傷重復(fù)頻率根據(jù)棒材直徑和周向采樣間隔自動(dòng)計(jì)算得到，不需人為設(shè)定。

3工藝試驗(yàn)

在選擇好工藝參數(shù)后，為選擇的工藝參數(shù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，以證明方法滿足要求，需要用10M和25M探頭對(duì)不同棒徑相應(yīng)埋深平底孔的不銹鋼棒材進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

3.1信噪比試驗(yàn)

以標(biāo)準(zhǔn)棒不同埋深標(biāo)準(zhǔn)傷進(jìn)行信噪比試驗(yàn)。將標(biāo)準(zhǔn)棒浸入水槽中，使標(biāo)準(zhǔn)傷回波幅度最大。分別調(diào)整各通道的增益，使標(biāo)準(zhǔn)傷信號(hào)幅度達(dá)到80%F.S.H，記下當(dāng)時(shí)的增益值;移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)棒至無(wú)傷的棒段，調(diào)整增益使本底噪聲達(dá)到80%F.S.H，再記下此時(shí)的增益值，兩次增益值的差值即為各通道信噪比，系統(tǒng)信噪比測(cè)試結(jié)果如下。

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

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

根據(jù)信噪比試驗(yàn)結(jié)果：10M直探頭在探傷40mm和50mm的不銹鋼棒時(shí)對(duì)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(shí)對(duì)于近表面各埋深的平底孔有著良好的信噪比。

3.2穩(wěn)定性試驗(yàn)及漏報(bào)率試驗(yàn)

3.2.1 Ф40mm不銹鋼棒穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)信噪比測(cè)試結(jié)果：需要對(duì)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(shè)置轉(zhuǎn)速為180o/s，由于需要使用25M聚焦探頭，所以步進(jìn)速度只能選擇0.3mm，周向掃查間隔設(shè)置為0.1mm。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒連續(xù)4h進(jìn)行探傷，探傷對(duì)比試塊中平底孔回波幅度的波動(dòng)情況。4小時(shí)探傷穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果：在25M聚焦探頭和10M直探頭組合的情況下，對(duì)Ф40mm不銹鋼棒進(jìn)行探傷極差最大為1.58dB，不大于2dB滿足穩(wěn)定性試驗(yàn)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(huì)去除棒材表面），可以只選擇10M直探頭進(jìn)行探傷，此時(shí)轉(zhuǎn)速為180o/s，步進(jìn)速度選擇0.6mm，周向掃查間隔設(shè)置為0.1mm。4小時(shí)探傷穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果：10M直探頭探傷的情況下，對(duì)Ф40mm不銹鋼棒進(jìn)行探傷極差最大為0.55dB，不大于2dB滿足穩(wěn)定性試驗(yàn)要求。

3.2.2Ф40mm不銹鋼棒標(biāo)準(zhǔn)傷漏報(bào)率試驗(yàn)

根據(jù)探傷穩(wěn)定性的結(jié)果，對(duì)探傷增加增益1dB（補(bǔ)償增益根據(jù)穩(wěn)定性試驗(yàn)最大值確定，要求補(bǔ)償增益后標(biāo)準(zhǔn)傷不得低于標(biāo)準(zhǔn)傷標(biāo)定值），對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行連續(xù)4h的漏報(bào)率試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)控各深度的平底孔回波幅值不得低于標(biāo)準(zhǔn)傷標(biāo)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(bào)率試驗(yàn)結(jié)果：25M聚焦探頭通道4小時(shí)漏報(bào)率試驗(yàn)最小值為87%F.S.H，10M探頭通道4小時(shí)漏報(bào)率試驗(yàn)最小值為100%F.S.H;單獨(dú)使用10M直探頭的漏報(bào)率試驗(yàn)結(jié)果：10M探頭通道4小時(shí)漏報(bào)率試驗(yàn)最小值為94%F.S.H。

由上述結(jié)果可知在25M聚焦探頭和10M直探頭組合探傷的情況下各標(biāo)準(zhǔn)傷沒有出現(xiàn)低于80%的情況，10M直探頭單獨(dú)探傷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)傷也沒有低于80%的情況，因此兩種組合在各自的探傷參數(shù)下探傷的漏報(bào)率試驗(yàn)滿足漏報(bào)率試驗(yàn)要求[4]。

3.2.3Ф10mm不銹鋼棒的穩(wěn)定性試驗(yàn)及漏報(bào)率試驗(yàn)

Ф10mm不銹鋼棒超聲探傷只需要使用25M聚焦探頭探傷，設(shè)置轉(zhuǎn)速為180o/s，步進(jìn)速度選擇0.3mm，周向掃查間隔設(shè)置為0.09mm。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒連續(xù)4h進(jìn)行探傷，統(tǒng)計(jì)探標(biāo)準(zhǔn)棒平底孔回波幅度的波動(dòng)情況。4h探傷穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果：25M聚焦探頭探傷的情況下，對(duì)Ф10mm不銹鋼棒進(jìn)行探傷極差最大為1.7dB，滿足不大于2dB穩(wěn)定性試驗(yàn)要求。

根據(jù)探傷穩(wěn)定性的結(jié)果，對(duì)探傷補(bǔ)償增益2dB，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行連續(xù)4h的漏報(bào)率試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)控各深度的平底孔回波幅值不得低于80%F.S.H。漏報(bào)率試驗(yàn)結(jié)果：25M聚焦探頭探傷的情況下各標(biāo)準(zhǔn)傷最低為98%F.S.H，沒有出現(xiàn)低于80%F.S.H的情況，因此25M聚焦探頭在轉(zhuǎn)速180o/s，步進(jìn)0.3mm，周向采樣間隔為0.09的參數(shù)設(shè)置探傷滿足漏報(bào)率試驗(yàn)要求。

3.2.4Ф50mm不銹鋼棒的穩(wěn)定性試驗(yàn)及漏報(bào)率試驗(yàn)

Ф50mm不銹鋼棒只需選擇10M直探頭進(jìn)行探傷，探傷的參數(shù)為轉(zhuǎn)速為180o/s，步進(jìn)速度選擇0.6mm，周向掃查間隔設(shè)置為0.1mm。4小時(shí)探傷穩(wěn)定性試驗(yàn)的結(jié)果：10M直探頭探傷的情況下，對(duì)Ф50mm不銹鋼棒進(jìn)行探傷極差最大為0.33dB，不大于2dB滿足穩(wěn)定性試驗(yàn)要求[5]。

根據(jù)探傷穩(wěn)定性的結(jié)果，對(duì)探傷增加增益1dB，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行連續(xù)4h的漏報(bào)率試驗(yàn)。10M直探頭探傷的漏報(bào)率試驗(yàn)結(jié)果：Ф50mm不銹鋼棒探傷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)傷最低為98% F.S.H，沒有低于80%F.S.H的情況，探傷參數(shù)設(shè)置滿足漏報(bào)率試驗(yàn)要求。

3.3盲區(qū)試驗(yàn)

使用Ф10mm×200mm的參考樣棒上距離端部20mm的盲區(qū)孔測(cè)試設(shè)備的盲區(qū)邊界。設(shè)定棒材的旋轉(zhuǎn)速度為180o/s，步進(jìn)0.3mm/次時(shí)對(duì)人工標(biāo)準(zhǔn)傷3次正反向的探傷，參考試塊的盲區(qū)孔均能被探傷和記錄，即滿足兩端不可探盲區(qū)≤30mm的要求[6]。

4 結(jié)論

使用KT-1000XL棒材超聲波探傷系統(tǒng)，能夠?qū)Ω饕?guī)格和牌號(hào)的不銹鋼棒材進(jìn)行有效超聲探傷，經(jīng)上述分析試驗(yàn)，得出以下結(jié)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(biāo)準(zhǔn)傷時(shí)，該設(shè)備能夠有效的檢出，且穩(wěn)定性、信噪比、漏檢漏報(bào)率均能夠滿足要求，性能良好。

（2）該設(shè)備可使用25M高頻探頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)棒材近表面的1～5mm缺陷進(jìn)行有效探傷。

（3）不銹鋼棒超聲波的自動(dòng)探傷工藝參數(shù)見表2、表3.

該工藝參數(shù)能夠滿足不銹鋼棒的超聲自動(dòng)探傷穩(wěn)定性、信噪比、盲區(qū)、漏報(bào)率的要求，能夠用于不銹鋼棒材的超聲波探傷。Ф10～Ф50mm其他規(guī)格的不銹鋼棒材超聲探傷參照以上工藝參數(shù)執(zhí)行。

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