压力容器主螺栓涡流检测本底噪声来源分析

鲁万乾，刘 聪

（海南核电有限公司，海南昌江 572723）

压力容器主螺栓涡流检测本底噪声来源分析

鲁万乾，刘 聪

（海南核电有限公司，海南昌江 572723）

分析某反应堆压力器主螺栓不同阶段的涡流检测信号特点及幅值变化趋势，并根据螺栓加工工艺及噪声变化趋势，初步判断噪声信号可能与螺栓加工过程留下的残余应力和局部粗糙度差异有关。

反应堆压力容器；主螺栓；涡流；噪声

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.09.69

0 前言

反应堆压力容器主螺栓是连接压力容器筒体和顶盖的重要核一级部件，根据RSE-M规范要求，核电厂必须在役前及每十年的全面在役检查期间对反应堆压力容器主螺栓进行检查，以确保一回路压力边界完整性。主螺栓检查主要包括涡流（ET）和超声（UT）检测，超声是通过中心孔和端面进行体积检测，涡流主要对螺纹根部的缺陷进行表面检测[1]。

某核电厂1#机组役前检查期间对压力容器主螺栓进行涡流、超声及目视（VT）检测，发现在56根主螺栓中有49根检测出109处达到记录标准的涡流信号显示，其中 35处为目视可见的轻微螺纹齿顶磕伤、磨损等，其余74处涡流信号显示部位未观察到可见缺陷。对上述螺栓超声检查并未发现缺陷信号。检测人员判断这些信号为本底噪声信号。为进一步查明产生本底噪声的原因，电厂在1#机组热态功能试验后和首次大修期间对上述56根主螺栓进行涡流复检，并选取了螺栓备件进行退磷前后的涡流对比检测，以进一步分析涡流噪声信号的来源。

1 涡流噪声基本情况

1.1 涡流噪声信号的变化趋势

该电厂1#机组主螺栓共实施了3次全面涡流及超声检验，分别是：水压试验后的役前检查、热态功能试验后补充检查和首次大修期间的首次在役检查，其中役前检查阶段，还对1#机组8根未经使用的备用主螺栓进行了涡流和超声检验，在其中5根主螺栓上检测出9处达到记录标准的信号显示。3次检测中56根主螺栓超声检测均未发现可记录信号，涡流及补充目视检测发现可记录涡流信号数量见表1。

表1 56根主螺栓涡流及目视检测结果

图1 部分螺栓3次检测信号幅值

上述检测结果表明，噪声信号数量呈下降趋势。对大部分螺栓3次检测的噪声信号进行对比分析发现，噪声信号位置基本一致，但信号幅值整体下降明显。噪声数量下降的原因在于部分噪声幅值下降到记录标准以下。3次检测信号幅值（涡流检验数据对比）变化趋势如图1所示。

1.2 涡流噪声信号的特征

由于涡流检测采用幅值法对螺纹根部表面及近表面缺陷进行检测，无法对缺陷进行定性，因此当发现可疑信号时需采用渗透、目视等方法进行复核确认[1]。对目视检验未见异常信号，检验人员将其判断为噪声信号的重要依据之一是信号相位角。根据戴威等人的研究，发现齿顶材料缺损引起的涡流信号相位角与人工伤相位角比较接近[2]。通常，模拟裂纹的人工槽的相位角为90°左右，而噪声信号的相位角与其相差180°左右。1#机组的主螺栓涡流噪声信号均具有类似特征。

采用标定螺栓对系统进行标定时，首先将本底噪声信号调水平，然后将1 mm深人工槽信号设置为10 V，此时3个宽度为0.1 mm深度不同的人工缺陷信号均竖起，相位角在90°左右，表2为随机选取某次标定螺栓人工槽信号的幅值及相位，图2分别为其李沙育图。

表2 标定螺栓人工槽幅值及相位

图2 标定螺栓3个人工槽信号李沙育图

人工槽缺陷相位角在90°左右，实际材料缺损型缺陷由于形状不规则，一般不超过20°～160°的范围。以12号主螺栓齿顶磨损为例，测得该显示幅值为7.19 V，相位角为67°，其涡流信号李沙育图如图2.3。从幅值角度看，该显示的幅值＞0.5 mm人工缺陷幅值＜1 mm人工缺陷幅值，从相位角来看，该显示接近0.5 mm人工缺陷的相位角。结合幅值和相位角分析，该显示符合点式探头缺陷的特性，目视检验可见齿顶有明显磨损（图3），这与戴威等人的研究一致。

图3 12号主螺栓齿顶磨损李沙育图及主螺栓齿顶磨损照片

然而噪声信号相位角与人工伤及齿顶磨损信号相位角差异较大，以38号主螺栓的上部螺纹区为例，其整个上部螺纹区均出现涡流本底噪声偏大的现象，噪声信号幅值在5～8 V，相位角在280°～295°。从幅值上看，这些显示＞0.5 mm人工缺陷信号但＜1 mm 人工缺陷信号，相位与人工缺陷的相差190°左右。图4为随机测量3个位置的涡流信号李沙育图。

图4 38号主螺栓上部3处随机噪声信号的李沙育图

根据上述相位角差异，结合主螺栓噪声信号部位目视检验和超声检验均未发现异常，可以判断噪声信号不是由类似裂纹、磨损等材料缺陷引起。

2 涡流噪声原因分析

主螺栓检验采用单频涡流检测技术，检验频率300 kHz，使用的探头为差分连接的笔式点探头，并采用幅值分析法判断缺陷信号是否达到记录阈值。对于该技术产生涡流噪声信号的因素主要有两类。一是金属材料表面结构不连续或电导率不均匀，造成局部电磁特性发生变化产生噪声；二是工件表面粗糙导致与涡流探头的间距变化，从而发生提离效应产生噪声。其中表面结构不连续主要表现为材料表面裂纹、凹坑、夹杂、气孔、突起等；表面电导率不均匀主要由于金属材料成分不均匀(成分偏析等)、晶粒大小不均匀、局部应力分布不均所致[3]。

2.1 表面杂质的影响

理论上螺栓表面的杂质可能导致涡流探头与螺栓表面之间的距离波动，导致探头式线圈的提离效应。实际检查时局部螺纹表面有杂质存在，但并非普遍现象。表面杂质分布随机，而3次涡流检查发现的大部分噪声信号位置基本一致，并不随机，因此可以排除表面杂质造成噪声信号的因素。

2.2 磷化层质量

2.2.1 磷化层电导率的影响

磷化层是一种通过化学与电化学反应在金属表面形成的致密的磷酸盐保护层，主要给基体金属提供保护，在一定程度上防止金属被腐蚀。1#机组主螺栓采用的是锰基磷化工艺，磷化层主要组成为 (Mn,Fe)5H2(PO4)4·4H2O。此类磷酸盐为无机盐其电导率约为10-7S/m相对碳钢（106S/m）非常低，几乎不导电，因此不同区域磷化层电导率的差异可以忽略不计。

2.2.2 磷化层粗糙度的影响

磷化过程是复杂的电化学反应过程，影响因素较多，磷化工艺不当很可能造成磷化层质量问题，如表面粗糙、附着力不强、结渣等。现场检查发现部分螺栓的螺纹区存在局部粗糙度差异，这有可能导致提离效应，产生噪声信号。

为确认磷化层的影响，电厂选取了1根具有典型噪声信号的螺栓备件作为试件进行退磷、酸洗、重新磷化，并在期间进行涡流及磁粉检测，其对应螺纹区域涡流检测信号结果分布如图5所示。其中，虚线代表1 mm深人工槽对应的信号幅值±5 V，纵坐标为信号幅值V，横坐标为螺纹区长度。

图5 试件下部螺纹区涡流信号对比

在试件1，2退磷至重新磷化各阶段均实施了磁粉检测，均未发现缺陷显示。退磷后涡流噪声信号幅值略微减小，数量和位置未产生变化；重新磷化后，噪声信号与退磷前相比变化不大。说明磷化层对该噪声信号影响不大。

2.3 螺栓母材质量

2.3.1 螺栓表面不连续

主螺栓母材表面不连续表现为表面裂纹、折叠、夹渣等，这些不连续使局部电导率变化，从而形成涡流噪声信号。但同步进行的超声检测并未发现裂纹、气孔、折叠等可疑信号；此外，此类缺陷在使用过程中不会改变，涡流信号不可能减弱或消失，因此螺栓母材表面不连续的因素可以排除。

2.3.2 螺栓母材表面晶粒大小不均匀

通常相同的金属材料经过不同的热处理后晶粒生长情况不同，电导率也会发生变化。因此对于同一个螺栓如果热处理时温度场不均匀，就有可能导致局部的表面晶粒大小不均，造成电导率异常，从而引起螺栓涡流检测时本底噪声。

1#机组主螺栓材料为40NCDV07.03合金钢，在役期间环境温度＜320℃，远低于热处理温度（880℃淬火+620℃回火），晶粒不可能再生长变化，这与噪声幅值变化趋势矛盾。因此，母材表面晶粒大小不均不是产生噪声信号的原因。

2.3.3 表面加工状态不一致

从役前检查期间主螺栓备件检查结果可知，导致产生涡流噪声信号的原因是在加工制造期间形成的。主螺栓精度和粗糙度要求高，长度超过1600 mm，加工难度非常大。螺纹是三角螺纹，螺纹的大径、中经、小径及螺纹牙顶圆角和牙底圆角要求严格，螺纹表面粗糙度要求Ra0.8。为保证螺栓与螺母的良好配合，必须保证螺纹精度，螺纹副配合间隙0.122～0.317 mm[4]。主螺栓螺纹采用成型刀片车削加工而成，但在加工过程中不可避免在某些部位存在微量的圆度、粗糙度变化，使得探头与螺纹表面的距离发生变化。同时，这些部位由于冷作加工硬化等原因使得螺纹表面应力发生变化并对电导率产生影响，导致这些部位可能产生噪声信号。主螺栓使用过程中螺纹咬合运动，使得表面粗糙度更加趋于一致；螺纹经过拉伸后，前几圈螺纹承载了大部分载荷[5]，在啮合部位部分进入塑性[6]，一方面使得材料在形状上得到一定延展，另一方面也使得应力得到一定程度释放。这些因素共同作用可能使噪声信号幅值降低。因此，螺栓加工过程留下的残余应力和局部粗糙度差异可能产生噪声信号。

3 结论

电厂1#机组主螺栓役前检查过程中，发现大量涡流噪声的信号特征不同于材料缺陷信号，相应部位经目视及超声检测也未发现材料缺陷。3次不同阶段涡流检测噪声信号幅值逐渐减弱的趋势，也佐证了噪声信号不可能源自材料缺陷。备件螺栓退磷前后的涡流检查对比试验发现，磷化层对噪声影响不大。由于主螺栓备件也存在噪声信号，可判断噪声信号是在加工制造期间形成。根据对涡流噪声信号众多成因的分析排除，结合对主螺栓加工工艺的理论分析，初步判断噪声产生的原因与机加工过程中产生的局部表面应力状态、粗糙度差异有关。

［1］王晓翔，常楠，孙茂荣，张宝军.反应堆压力容器主螺栓、主螺母涡流检测技术［J］.无损探伤，2015,39（1）：25-27.

［2］戴威，王明辉，李术鸿，等.RPV螺栓螺母涡流检测信号分析［C］.第十届无损检测学会年会论文集，561-565.

［3］贝雅耀，林戈，宋涛，等.反应堆压力容器螺栓螺母涡流检验噪声分析及抑制［J］.无损探伤，2011，35（1）：22-24.

［4］周高斌，罗英，邱天，等.反应堆压力容器螺栓法兰连接设计与改进［J］.压力容器，2014（3）：70-76.

［5］徐思浩，罗娜.高压容器主螺栓的有限元应力分析［J］.化工设备与管道，2000，37（4）：8-9.

［6］谢世球，李家训.反应堆压力容器主螺栓的选材和研究［J］.压力容器，1989（2）：35-39.

TH131

B

〔编辑 吴建卿〕