核反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查装置设计研究

周文+辛露+朱良

【摘 要】核反应堆压力容器筒体环焊缝关系着核反应核反应堆压力容器安全运行，为有效避免安全事故的发生，必须对该类焊缝进行无损检测。其他常规无损检测方法相比，超声检测具有检测成本低、速度快、灵敏度高、仪器轻、对现场环境要求低等优点。然而，核容器及体环焊缝的役前和在役检测的工作量巨大，工作环境及其恶劣，要求检测装置需具备结构简单、安装方便、稳定性好等特点。为此，本文提出了一种核反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查装置，其能够按照相关检查规范要求有效的对该处焊缝进行超声检查，减少了放射性射线对人体的照射，提高了检测数据的准确性及可靠性。

【关键词】核反应堆压力容器；环焊缝；超声检查装置

0 引言

筒体环焊缝属于一回路系统无损检测主要对象之一，根据无损检查规范要求，需要对此焊缝进行超声检测，超声波检测具有明显的优势，一方面由于其经济实用、操作简便，在铸件生产厂家中广泛应用；另一方面，由于超声波检测定量定位相对准确、直观，在质量控制过程中应用广泛[1]。

反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查主要受到堆焊层、奥氏体焊缝存在的粗大柱状晶组织以及焊缝附近复杂的几何结构形状等因素的影响。超声波在该焊缝中传播时在奥氏体晶界面发生严重的散射以及波型转换，引起超声波严重衰减，信噪比显著下降。奥氏体晶粒的各向异性引起声束弯曲，造成缺陷定位不准等问题[2]。同时在核电工业的安全运营中，核容器及体环焊缝的役前和在役检测至关重要，其巨大的工作量及其恶劣的工作环境要求检测装置需具备结构简单、安装方便、稳定性好且质量轻等特点[3]。

1 检查对象介绍

核电站压力容器（图1）是核反应堆冷却剂压力边界的核心部件之一，它由法兰环、筒身段、进出水口接管等筒体组合件、顶盖组合件、底封头以及法兰密封结构组成，其中筒体环焊缝是指法兰环与筒身段之间的连接焊缝以及筒身段自身之间的连接焊缝。压力容器结构如下图1所示，不同的堆型，其筒体焊缝数量也不同，一般由上筒体环焊缝和下筒体环缝两条筒体环焊缝两条焊缝组成。

图1 压力容器示意图

1.法兰环；2.上筒体环焊缝；3.筒体；4.下筒体环焊缝；5.底封头

筒体焊缝属于一回路高剂量区，检查时，其容器内充满放射性去离子水，要想对此处焊缝进行超声检查，手动超声难度较大。为提高其超声检查的可靠性和检查效率，本文提出了一种核反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查装置，其能够按照相关检查规范要求有效的对该处焊缝进行超声检查，减少了人体受放射性射线照射，提高了检测数据的准确性及可靠性，为核反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查带来帮助。

2 核反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查装置整体设计

2.1 结构设计

筒体扫查工具安装于压力容器检查设备上，压力容器检查设备安装于压力容器法兰面，此设备有沿压力容器轴向上下升降的升降轴，同时还有一个沿压力容器轴线旋转的旋转轴，筒体扫查工具安装示意如图1所示，筒体扫查分为轴向扫查与周向扫查两种扫查，即筒体扫查轴与旋转轴交替为扫查轴，另一个为步进轴。

核电站核反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查装置主要由直线伸缩部件、底板组件、托盘组件组成，直线伸缩部件由弹簧绳、外套筒、伸缩气缸、径向导轨、内套筒、径向滑块等零部件构成。在径向导轨和径向滑块的限制下，气缸的伸缩可以带动内套筒前后伸缩，底板组件安装于内套筒上，故设备安装过程中，气缸处于收回状态，当设备抵达筒体焊缝附近时，气缸处于伸出状态，此时，探头托盘紧贴压力容器内表面，实现探头在压力容器内表面贴合扫查。

底板组件由滚珠丝杠、螺母座、轴向滑块、轴向导轨 、驱动元件、底板等零部件组成。驱动元件运动可以带动丝杠旋转，同时在轴向导轨和轴向滑块限制下，丝杠旋转可以带动螺母座上下运动，而托盘组件安装于螺母座上，最终实现托盘探头的上下运动。

9.滚珠丝杠；12.轴向滑块；13.轴向导轨；14.螺母座

2.2 整个扫查装置系统介绍

压力容器检查系统包括机械系统、控制系统、超声系统、视频系统等。控制系统、机械系统及超声系统远程控制流程如图5所示，控制电脑控制设备正常运转，最终带动探头托盘满足轴向与周向检查，探头的信号会传给超声仪，最终超声仪的信号会经过网络传输给采集电脑，完成数据采集与分析工作。除了此三套系统外，还有一个视频系统，对整个扫查过程中运动过程进行监控，目的防止探头托盘与障碍物碰撞，视频系统中摄像头通过电缆将图象传给视频控制器，视频控制器再将图象传给监控电脑。筒体扫查装置只是压力容器检查系统的一个运动轴，压力容器检查系统是由多个这样的子系统组成。

图5 远程控制流程

3 主要技术特点

3.1 直线伸缩组件研究

直线伸缩技术由内套筒、外套筒、伸缩气缸、径向导轨、径向滑块等零部件组成，在导轨滑块副的限制下，伸缩气缸伸出与收回能实现底板伸出与收回功能，在扫查过程中，该气缸又具有缓冲作用，保证在扫查过程中托盘始终贴合良好；采用气缸作为执行单元，成功替代传统电机驱动丝杠螺母副的直线运动单元与托盘前端恒力弹簧自缓冲扫查机构，简化了机械结构的同时，减少了自缓冲结构，使得前端托盘组件占用压力容器径向尺寸更小，伸缩臂的伸缩行程变的更大，从而更能满足压力容器内径变化大的堆型。

3.2 出现故障时，直线伸缩组件如何具备出水状态的研究

防意外自动拉回技术由弹簧绳实现，当伸缩气缸出现意外而无法收回时，弹簧绳靠自身弹簧力作用可以将底板拉至收回状态，当设备处于收回状态时，才能具备设备出水条件，当弹簧绳自身弹力与伸缩气缸均无法收回时，可以借助长杆的作用，拉扯两个导向轮间的弹簧绳，使得底板组件在外力的作用下，被外力强行拉至收回状态，使其具备设备出水状态。

3.3 托盘在水下如何实现轴向扫查与周向扫查的研究

由于扫查过程包括轴向和周向两个扫查方向，因此，在一次装夹下，完成一个方向扫查后需要将托盘旋转九十度来实现另一方向扫查，为了减少更换托盘次数，提高扫查效率，减少人体被照射剂量，该装置中设计了旋转气缸可以实现这一功能。选择旋转气缸的原因是简单可靠，且控制方便，气管比电缆也更轻便，利于维护。

3.4 扫查组件研究

扫查组件的运动好坏直接影响其扫查结果，因此，此扫查轴设计时，采用电机作为执行单元，目的是为了记录扫查过程中托盘位置，且能将此位置发送至超声仪，然后由执行单元带动丝杠螺母副工作，在导轨滑块副的限制下，执行单元的正反旋转带动托盘组件沿丝杠轴向上下升降运动，最终保证运动过程匀速可调。

4 检查装置调试及现场应用

检查装置多次在实验大厅和现场完成调试，调试过程中运行平稳，状态良好，模拟扫查过程均能满足现场检查要求。目前已经完成了多次役前及在役检查，通过改变后端伸缩部件的行程，可以满足各种不同直径的压力容器扫查。

5 结语

本文提出了一种核反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查装置，具有防意外自动收回技术、托盘可旋转技术、扫查过程中上下移动技术、直线伸缩技术等技术特点，其能够按照相关检查规范要求有效的对该处焊缝进行超声检查，减少了人体放受射性射线照射，提高了检测数据的准确性及可靠性。为核反应堆压力容器筒体环焊缝超声检查带来帮助。

【参考文献】

[1]曾伟，杨先明，王海涛，等.激光超声技术及其应用[J].无损检测，2013，35（12）：49-51.

[2]王俊涛，王龙，陈姝，张军.反应堆压力容器接管安全端超声检查装置设计研究[J].机械工程师，2015，1：71-73.

[3]苏会.石油钻机钢结构焊缝的无损检测应用研究[D].东北石油大学，2014.

[责任编辑：汤静]