核电站M56螺栓超声检验技术浅谈

周伟

摘 要：本文针对核电站M56螺栓的特殊性，通过试验选择最适合M56螺栓超声检测技术，研究了不同角度不同频率超声探头检测的结果及不可达区。结果表明：仅通过超声检测方法无法实现对M56螺栓检验区域的完全覆盖，必须辅以渗透、目视等其他无损检测方法。

关键词：核电站 超声检测 螺栓

中图分类号：TL4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0004-02

Discussion M56 Dolt Ultrasonic Testing of Nuclear Power Station

Zhou Wei

（CGNPC Inspection Technology Co.，Ltd，Suzhou Jiangsu，215004，China）

Abstract：According to the particularities of nuclear power station M56 bolts， selected the most suitable Ultrasonic Testing Technology for M56 by test， Studied on ultrasonic probe detection results of different frequencies at different angles and unreachable areas. The results showed that： only by ultrasonic detection method can not achieve complete coverage of M56 bolt inspection region， it must be supplemented by penetration， visual and other non-destructive testing methods.

key Words：Nuclear Power Station；Ultrasonic Inspection；Bolt

随着国家大力发展核电站，螺栓成为核电站设备中重要部件，在蒸汽发生器、稳压器等一级部件中被广泛使用。然而在核电站长期运行状况下，螺栓常年处于高温、高压和高辐射环境中，螺栓材料易产生热脆、蠕变、疲劳裂纹以及应力腐蚀等缺陷，而且螺栓在运行过程中受到沿轴面的拉升力，这个力随着设备受力的变化而变化，最终作用的结果使螺纹最薄弱处—齿根部由于应力集中而产生缺陷，这种缺陷一般是与螺栓轴线垂直的横向裂纹[1]，再者在安装过程中由于预紧力过高或者不慎烧伤中心孔等原因，螺栓也易产生裂纹。如果螺栓由于缺陷发生断裂，将会导致重大事故，因而为确保设备安全运行，加强对螺栓的有效检验甚为重要。

通常蒸汽发生器和稳压器采用的螺栓规格为M48，通常采用常规0°探头从螺栓两个端面对光杆区和两端的螺纹区进行检测，能完全覆盖检验区。但在核电站服役的过程中，由于一些特殊原因，如螺栓孔螺纹损坏等导致螺栓孔扩孔而采用M56螺栓。此时采用常规的超声检测方法无法完全覆盖螺栓检验区，所以本文针对M56螺栓采用不同角度不同频率的超声探头进行试验，以寻找一种最佳的超声检验技术，同时确定超声检验不可达区范围，进而对不可达区辅以渗透、目视等其他无损检验方法以确保完全覆盖整个螺栓检验区，达到客观地评价螺栓的质量，从而保证核电站的安全。

1 方法论述

1.1 超声检验基本原理

超声波是一种机械波，传播的必要条件是振源和传播介质。振源发出声波，经过传播介质（即被检物体）传播，再返回传感器，通过接收回波的大小、位置来判断有无缺陷及缺陷的严重程度。[2]

超声检测（Ultrasonic Testing），业内人士简称UT，是工业无损检测（Nondestructive Testing）中应用最广泛、使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。

超声检测分类方式有多种。

（1）按原理分类：超声波脉冲反射法、衍射时差法、穿透法和共振法。

（2）按显示方式分类：A型显示、超声成像显示（B、C、D、S、P型等）。

A型显示的超声波脉冲反射法工作原理：声源产生的脉冲波进入到工件中，超声波在工件中以一定方向和速度向前传播。当遇到两侧声阻抗有差异的界面时（声阻抗存在差异往往是因为材料中某种不连续性造成，如裂纹、气孔、夹渣等）部分声波被反射，检测设备接受和显示：分析声波幅度和位置等信息，评估缺陷是否存在或存在缺陷的大小位置等。

1.2 M56螺栓检验区

如图1所示，M56螺栓检验区为A端M56螺纹区﹑M48螺纹区以及两者之间的光杆区（图中斜线区）。M48螺栓采用10Z10N探头从A﹑B端面即可覆盖整个检验区。而M56螺栓则存在不可达区。

1.3 超声检验试验方案

螺栓检测一般采用将直探头放在螺栓端面上探测，必要时可采用各种角度斜探头加以验证。纵波斜探头一般适用于柔性有中心孔螺栓的本侧探伤，横波斜探头主要用于柔性有中心孔螺栓的对侧[3]。本次超声试验采用A型脉冲反向超声波探伤仪，型号为CTS-4020，探头选用纵波直探头﹑小角度纵波斜探头和横波斜探头。纵波直探头选用10Z10N，小角度纵波斜探头选用4°﹑7°以及8.5°，频率均为5MHz，横波斜探头选用70°89，频率为4MHz。

（1）从A端面采用纵波直探头以及不同小角度纵波斜探头进行试验，确定不可达区以及超声反射信号，不可达区试验数据如表1。

从表1可以看出，从A端面无论采用纵波直探头还是小角度纵波斜探头进行超声检测都无法完全覆盖M56螺纹区，相比较而言采用7°和8.5°探头的不可达区较小，均为9 mm，但7°相对于8.5°在不可达区边缘的声压弱很多，信号反射强度也弱很多。

（2）从M56和M48螺纹区之间的光杆区采用斜探头进行试验。

①通过CAD计算可以看出，要想完全覆盖M56螺纹区，在光杆区采用斜探头的角度应≥69°。

②选用70°4MHz 8ⅹ9横波探头进行仿真，声束方向（如图1）和声场仿真如图（如图2）。

从图（2）可以看出，70°探头虽然可以覆盖M56螺纹区，但由于螺栓中心直径Φ4的中心孔，超声波在中心孔的弧面上发生散射，导致在M56靠近A端面螺纹的声压明显减弱。

之后在参考试块的M56螺纹区制作宽为0.2 mm，深为1 mm的刻槽，选用弧面探头MWB70-4在参考试块上进行实验，发现70°探头对刻槽的反射信号比螺纹反射信号稍高，但很难分辨，不足以清晰的识别缺陷。所以采用光杆区横波斜探头也无法完全覆盖M56螺栓检验区，仍存在不可达区。

2 实验结果

（1）从端面采用小角度斜探头无法完全覆盖M56检验区，相比较而言采用8.5°小角度探头所覆盖的区域最大，信号反射效果最佳。

（2）从光杆区增加大角度斜探头无法覆盖不可达区，且由于螺栓中心孔的干扰，导致声压明显减弱，而螺纹的反射信号也非常明显，导致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺纹反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）针对M56螺栓检测，单独通过超声检验方式无法完全覆盖检验区，必须辅以其他无损检测方法。

3 结论

综上所述，M56螺栓检测方法可以先采用纵波直探头从A﹑B端面进行扫查，再采用8.5°小角度斜探头从A端面对M56螺纹区进行扫查，最后对M56螺纹区不可达区辅以目视和渗透的补充检测。同时超声检测时靠近A端面处M56螺纹反射信号明显减弱，所以辅以目视和渗透补充检测时要对不可达区的范围适当扩大，以防漏检。通过超声、目视和渗透多种无损检测技术综合运用，实现对M56螺栓检验区的完全覆盖，从而保证螺栓的质量，保证核电站的安全。

参考文献

[1] 代利军.超声波检测主螺栓裂纹波与假信号识别[J].无损探伤，2004（8）.

[2] 刘秀丽.超声波检测螺栓头下裂纹的检测概率曲线测定[J].机械强度，2002，24（4）：626-627.

[3] 电力行业电站金属材料标准化技术委员会.DL/T 694-2012高温紧固螺栓超声检验技术导致[M].北京：中国电力出版社，2012.

（2）从M56和M48螺纹区之间的光杆区采用斜探头进行试验。

①通过CAD计算可以看出，要想完全覆盖M56螺纹区，在光杆区采用斜探头的角度应≥69°。

②选用70°4MHz 8ⅹ9横波探头进行仿真，声束方向（如图1）和声场仿真如图（如图2）。

从图（2）可以看出，70°探头虽然可以覆盖M56螺纹区，但由于螺栓中心直径Φ4的中心孔，超声波在中心孔的弧面上发生散射，导致在M56靠近A端面螺纹的声压明显减弱。

之后在参考试块的M56螺纹区制作宽为0.2 mm，深为1 mm的刻槽，选用弧面探头MWB70-4在参考试块上进行实验，发现70°探头对刻槽的反射信号比螺纹反射信号稍高，但很难分辨，不足以清晰的识别缺陷。所以采用光杆区横波斜探头也无法完全覆盖M56螺栓检验区，仍存在不可达区。

2 实验结果

（1）从端面采用小角度斜探头无法完全覆盖M56检验区，相比较而言采用8.5°小角度探头所覆盖的区域最大，信号反射效果最佳。

（2）从光杆区增加大角度斜探头无法覆盖不可达区，且由于螺栓中心孔的干扰，导致声压明显减弱，而螺纹的反射信号也非常明显，导致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺纹反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）针对M56螺栓检测，单独通过超声检验方式无法完全覆盖检验区，必须辅以其他无损检测方法。

3 结论

综上所述，M56螺栓检测方法可以先采用纵波直探头从A﹑B端面进行扫查，再采用8.5°小角度斜探头从A端面对M56螺纹区进行扫查，最后对M56螺纹区不可达区辅以目视和渗透的补充检测。同时超声检测时靠近A端面处M56螺纹反射信号明显减弱，所以辅以目视和渗透补充检测时要对不可达区的范围适当扩大，以防漏检。通过超声、目视和渗透多种无损检测技术综合运用，实现对M56螺栓检验区的完全覆盖，从而保证螺栓的质量，保证核电站的安全。

参考文献

[1] 代利军.超声波检测主螺栓裂纹波与假信号识别[J].无损探伤，2004（8）.

[2] 刘秀丽.超声波检测螺栓头下裂纹的检测概率曲线测定[J].机械强度，2002，24（4）：626-627.

[3] 电力行业电站金属材料标准化技术委员会.DL/T 694-2012高温紧固螺栓超声检验技术导致[M].北京：中国电力出版社，2012.

（2）从M56和M48螺纹区之间的光杆区采用斜探头进行试验。

①通过CAD计算可以看出，要想完全覆盖M56螺纹区，在光杆区采用斜探头的角度应≥69°。

②选用70°4MHz 8ⅹ9横波探头进行仿真，声束方向（如图1）和声场仿真如图（如图2）。

从图（2）可以看出，70°探头虽然可以覆盖M56螺纹区，但由于螺栓中心直径Φ4的中心孔，超声波在中心孔的弧面上发生散射，导致在M56靠近A端面螺纹的声压明显减弱。

之后在参考试块的M56螺纹区制作宽为0.2 mm，深为1 mm的刻槽，选用弧面探头MWB70-4在参考试块上进行实验，发现70°探头对刻槽的反射信号比螺纹反射信号稍高，但很难分辨，不足以清晰的识别缺陷。所以采用光杆区横波斜探头也无法完全覆盖M56螺栓检验区，仍存在不可达区。

2 实验结果

（1）从端面采用小角度斜探头无法完全覆盖M56检验区，相比较而言采用8.5°小角度探头所覆盖的区域最大，信号反射效果最佳。

（2）从光杆区增加大角度斜探头无法覆盖不可达区，且由于螺栓中心孔的干扰，导致声压明显减弱，而螺纹的反射信号也非常明显，导致靠近A端面的缺陷反射波高只是比螺纹反射波稍高，不足以清晰的分辨缺陷。

（3）针对M56螺栓检测，单独通过超声检验方式无法完全覆盖检验区，必须辅以其他无损检测方法。

3 结论

综上所述，M56螺栓检测方法可以先采用纵波直探头从A﹑B端面进行扫查，再采用8.5°小角度斜探头从A端面对M56螺纹区进行扫查，最后对M56螺纹区不可达区辅以目视和渗透的补充检测。同时超声检测时靠近A端面处M56螺纹反射信号明显减弱，所以辅以目视和渗透补充检测时要对不可达区的范围适当扩大，以防漏检。通过超声、目视和渗透多种无损检测技术综合运用，实现对M56螺栓检验区的完全覆盖，从而保证螺栓的质量，保证核电站的安全。

参考文献

[1] 代利军.超声波检测主螺栓裂纹波与假信号识别[J].无损探伤，2004（8）.

[2] 刘秀丽.超声波检测螺栓头下裂纹的检测概率曲线测定[J].机械强度，2002，24（4）：626-627.

[3] 电力行业电站金属材料标准化技术委员会.DL/T 694-2012高温紧固螺栓超声检验技术导致[M].北京：中国电力出版社，2012.