重水堆核电站薄壁压力管的水浸超声检测技术

　　CANDU26加压重水反应堆的压力管是重水堆核电站的核心部件,承载重水传输燃料棒束产生的热能,在高温、高压和快中子辐照下运行,设计使用寿命为25 a(年)。如何维护与延长压力管的使用寿命是十分重要的。

　　在秦山三期一号机组首次装料期间,编号为B215,E220,C209,A209和G215的五根压力管由于不锈钢带装具的断裂,部分钢带残留在压力管中。在取出钢带的过程中,五根压力管内表面受到了不同程度的划伤。视频观察发现划伤十分明显,为分析与评价压力管内壁的划伤深度,拟用超声波检测。

　　压力管的材料为Zr22.5Nb合金,规格为长6 360 mm,内径103.4 mm,壁厚4.19 mm;设备运行过程中的入口温度266℃,出口温度310℃,入口压力为11.48 MPa,出口压力为10.48 Mpa。其制作工艺为热状态挤压成型的无缝锆铌合金管,经冷加工制作而成(图1)。经目视检查表明,划伤部位在内表面,基本沿着压力管轴向方向。超声检查必需从管内进行,并采用薄壁水浸超声检查技术。

　　目前国内还没有此类Zr2Nb合金薄壁管超声检测技术资料和使用标准,因此,检测难度很大。

　　1　探头特性和声束聚焦^[1,2]

　　1.1　探头特性

　　针对被检工件的尺寸、形状和材质,专门设计制作了探头,液浸技术保证了耦合稳定。聚焦使声压增强,改善检出微小缺陷的能力。

　　(1)入射角的选择

　　横波检测时探头的入射角必须在第一临界角α_^Ⅰ和第二临界角α_^Ⅱ之间。锆铌合金压力管的纵波声速C_^L2=4 600m/s,横波声速C_^S2=2 300 m/s,水中纵波声速C_^L1=1 480 m/s,故　

　　因此,选择30°左右的入射角对利用二次反射波探测比较理想。

　　(2)探头频率的选择

　　要想获得良好的探测效果,探头频率的选择至关重要。考虑到薄壁压力管,应首选高频探头,如10 MHz(6.25 mm晶片)聚焦和非聚焦探头、15 MHz(6·25 mm晶片)聚焦和非聚焦探头。压力管试样需要发现0.06和0.15 mm的人工划伤缺陷。试验结果表明,10 MHz(6.25 mm晶片)非聚焦探头的灵敏度、分辨率和始脉冲占宽等性能指标效果最好。

　　1.2　声束聚焦

　　构成声束聚焦与发散的前提条件是声束和曲面介质。当声束从第Ⅰ种介质透过曲面到达第Ⅱ种介质时将有四种情况发生:

　　(1)CⅠⅠ

    (2) CⅠ

    (3) CⅠ>CⅡ凹曲面发散

    (4) CⅠ>CⅡ凸曲面聚焦

　　一般情况下,超声波探伤所使用的透声材料为有机玻璃,由于CⅠ>CⅡ,要使声束在水中聚焦,必须选用凸面有机玻璃制作透镜(图2a)。