核电站贯穿件超声检测探头架结构设计与分析

谌梁，王振华，陈国栋

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215000)

0 引言

压水堆核电站由核岛、常规岛和配套设施三部分组成。核岛回路是由反应堆、蒸汽发生器、主冷却剂循环泵、稳压器和主管道等设备组成的密闭式高压循环回路[1]，其作用是将反应堆堆芯内核裂变所释放的大量热能导出，传给蒸汽发生器二次侧的给水，使之产生饱和蒸汽送入常规岛的汽轮机做功，带动发电机发电。将饱和蒸汽传送至汽轮机的管道叫做主蒸汽管道(VVP)，做功后将冷却剂传送至蒸汽发生器二次侧的管道叫做主给水管道(ARE)，这两种管道连接在核岛与常规岛之间，贯穿于核岛墙体，所以称为贯穿件。在贯穿件的两端，管道与贯穿件焊接连接，由于管道内承受高压，根据核电站建设和运行要求，需对此贯穿件焊缝进行超声检测，这就是本文研究的对象，压水堆核电站运行原理见图1。

图1 压水堆核电站运行原理

1 管道检测研究现状

自20世纪60年代，欧美国家政府支持管道检测的产学研合作，投入大量人力、物力进行了管道检测技术的开发，已开发出较多种类的管道检测设备，其定位、定量精度均已达到较高水平[2]。管道检测设备主要应用于石油化工行业、长距离输气输水管道、承压管道、城市排水管道[3]。

目前，国内外已有很多机构研究管道超声检测设备，如美国ZETEC公司，法国AREVA公司，日本OLYMPUS公司，国内也有多家无损检测公司进行该方面研究。常见的管道扫查器见图2。该类设备由周向导轨、轴向驱动模块、超声探头架及电缆组成，其探头架占用的径向空间较大。

图2 常见管道超声扫查器

对于如ARE和VVP贯穿件等管道，其径向空间有限，管道结构示意图见图3。该类型管道外侧有罩管，径向空间受限。进行该管道的检测时，要求探头架径向尺寸小，而且需要提供足够的耦合压力，常见的超声扫查器无法进行该管道的超声检测，需设计新型的超声探头架，并分析其耦合压力是否能满足要求。

图3 ARE、VVP管道结构示意图

图4 VVP、ARE贯穿件罩端部空间

VVP管道焊接部分厚度尺寸是36mm，焊缝宽度约为26mm，是U型焊接坡口，如图5所示。ARE焊缝高度是28mm，焊缝宽度约为21mm，U型坡口，如图6所示。

图5 VVP贯穿件焊接坡口图

图6 ARE贯穿件焊接坡口图

2 探头架结构设计

常见的一种探头架见图7，一般包括与扫查器本体的连接口、探头滑动行程模块、提供耦合力的弹簧和安装探头的安装架[4]。此探头架需要管道径向空间较大，弹簧被压缩，产生耦合力，使探头贴紧被检件。

图7 一种常用的超声探头架

针对贯穿件管道检测专门设计了一款扁平式的多连杆探头架，如图8所示。

图8 扁平式多连杆探头架

该探头架主要由多连杆机构、2个气缸、探头安装架和探头组成。扁平式设计可减小探头架径向高度尺寸。

3 探头架静力学分析

可将图8所示探头架简化成以下多连杆机构模型，见图 9。

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图9 探头架简化模型

该机构的自由度分析：杆1、杆2、杆3 为活动构件，杆1和杆2之间为气缸，是移动副，另3处连接为铰接副，Fn为探头与检测面之间的压力。

对机构进行运动自由度分析：n=3；低副数PL=4；无高副，PH=0；自由度F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0 =1，可知该机构具备确定的相对运动，且动力源为气缸；其中气缸缸径为10mm，1个探头架对称布置2个气缸。

对杆3进行受力分析，见图10。

图10 杆3受力分析

以铰接点为中心，对其力矩平衡，有以下关系：

F1×L1=Fn×L2

(1)

其中F1为杆1和杆2之间的力，等于气缸产生的压力

(2)

根据式(1)和式(2)可计算出Fn，并考虑到两个气缸为对称布置。

(3)

根据实测，L1/L2=0.2，其变化范围很小。

由式(3)可知，在气缸型号确定下，给定气缸内部压力P，可得到探头的耦合压力Fn。

4 探头架耦合力实验分析

4.1 影响检测结果的因素

超声探头通过耦合剂与被检工件表面接触，由探头内部的压电晶片发出超声波，通过耦合剂进入工件。超声波在工件内经反射体反射后，在超声仪形成一个反射回波[6]，回波信号幅值代表缺陷大小，回波信号幅值受到3方面影响：1)反射体性质；2)耦合剂性质；3)耦合压力。

反射体性质指反射体的大小、形态和位置方向等；耦合剂性质是指耦合剂的种类、耦合层厚度等；耦合压力指由探头架向探头施加的耦合压力，耦合力不足会导致反射回波偏低，会造成缺陷漏检，耦合力过大容易导致探头磨损加速，所以需选择适当的耦合力。

4.2 实验平台

为保证探头检测到缺陷的信号幅值达到最大，不致缺陷漏检或偏小，需设计一实验平台，测试所需的最小耦合力，实验平台如图11所示。

图11 实验平台设计图

本实验平台将试块浸没于耦合剂中，可以保证探头与试块之间的良好耦合，排除由于耦合差异导致的回波高度差异；只选用试块中的一个反射体，排除由于反射体性质差异导致的回波高度差异。

利用测力计施加耦合压力，从0开始，每次增加1N，依次记录回波高度，直至连续3次记录稳定在最高回波高度。

4.3 实验过程

实验平台实物如图12所示，探头为5Z20N(自重0.5N)，试块为ⅡW试块，耦合剂为水。

图12 实验平台

实验步骤如下：

1) 设置超声仪参数；

2) 校准探头时基；

3) 将试块第一次底面信号调至最高，并将最高回波调至满屏的80%，保持衰减不变；

4) 测力计从0开始，每一步增加1N的压力，记录每一步的回波高度；

5) 将压力-回波高度制成表格，进行分析。

4.4 实验结果

测得数据见表1，表中施加压力0代表探头未与工件接触，回波高度为0；探头放在工件上，自重为0.5N，作为起始测试的耦合压力，之后依次增加1N进行测试。

表1 测试结果

将表1的结果制成曲线如图13所示。

图13 压力-回波高度曲线图

4.5 实验结果分析

从图13可看出，在施加压力0～10N之间，回波高度随压力增加而迅速升高，而在10N～20N之间，压力加倍，但回波高度仅增加16%，在20N以后，回波高度稳定在80%。从上述分析可得出结论，为保证检测结果准确性，对探头施加的耦合力至少为20N。

根据式(3)，在已知Fn=20N、D=10mm前提下，可计算出气缸所需压力P：

(4)

将上述已知参数带入计算式(4)：

计算出P=0.63 MPa，即0.6MPa的气压。

5 结语

针对径向空间狭小的管道需进行超声检测，笔者设计了一款扁平式多连杆探头架。本文对该探头架进行了力学分析，确定了气缸压力与探头耦合力的数学关系；搭建实验平台，对耦合力与反射体回波高度之间的关系进行了研究，得出了需保证得到最大反射回波的耦合压力值；由所需耦合压力及数学关系，计算出气缸所需气压。经现场测试，施加该气压值，可保证缺陷回波信号最高，缺陷不漏检、缺陷尺寸不偏小。