柯涛 丁松 张运平 李上平
【摘 要】为保证主泵主轴的运行安全，对主泵主轴的定期无损检测是确保其安全运行的关键所在，因而有针对性的开展主泵主轴超声检验技术研究。通过分析研究主泵主轴材质、结构以及现场条件对超声检验的影响，开展探头角度、频率、晶片尺寸以及标定试块等检测参数和检验技术的设计，并进行声场模拟和模拟件检测试验，研究开发出了一套有效可靠快捷的主泵主轴超声检验技术。
【关键词】主泵主轴；超声检验；探头
中图分类号： F426.61 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）01-0193-003
【Abstract】Regular nondestructive detection of main pump spindle is the key to ensure its safe operation，so we targeted to carry out ultrasonic inspection technology research on the main pump spindle.By analyzing the influences of material，structure，and site conditions on the ultrasonic inspection，we developed sound field simulation and the simulation test by designing the test parameters and inspection technology，and the test parameters included probe Angle， frequency，chip size and calibration block and so on.The research developed a set of effective，reliable and fast main pump spindle ultrasonic inspection technology.
【Key words】Primary pump spindle；Ultrasonic inspection；Probe
0 前言
主泵是核動力装置一回路压力边界中的重要设备之一，是反应堆冷却剂系统中唯一高速旋转的设备，它为高温高压、具有放射性的冷却剂在一回路中循环提供动力。主轴是主泵的重要部件，主轴位于主泵的中下部，上部电机通过短轴联接主轴，主轴带动下部叶轮高速旋转，驱动反应堆冷却剂在系统中循环。经验反馈表明，主泵主轴曾因热疲劳产生裂纹，在动态应力作用下发生扩展的现象。
为保证主泵主轴的运行安全，有必要通过无损检测对其开展质量检查和监督。因而有针对性的开展主泵主轴超声检验技术研究。通过分析研究主泵主轴材质、结构以及现场条件对超声检验的影响，开展探头角度、频率、晶片尺寸以及标定试块等检测参数和检验技术的设计，并进行声场模拟和模拟件检测试验，研究出主泵主轴超声检验技术并应用于现场检查。
1 主泵主轴介绍
主泵主轴在高速旋转的同时带动叶轮驱动一回路水循环的过程中，将受到高速旋转引起的扭转应力和高温热应力的影响，容易产生疲劳。在下端键槽中上部和热屏套连接处受应力影响尤甚。经验反馈表明在键槽中上部会形成周向和轴向两个方向的疲劳裂纹（如图1所示）。
主泵主轴材料为奥氏体不锈钢（Z6CN Nb 18.11），轴长2134mm，上下端部各有两个沿轴周面成180°分布的键槽，键槽宽度为50mm、深约30mm；考虑到主轴密封及回装等特殊要求，主泵主轴在实施检验时存在检查空间限制。详细结构见图2所示。
2 技术分析和方案设计
2.1 技术分析
主泵位于核动力装置一回路压力边界，所处的位置环境剂量比较高。另外主轴若完全拆除，回装及密封存在相当大的技术困难，因此在实施检验前，主轴只能拆除其三道轴封，但轴封拆除后仍存在空间狭小，无法接近检查部位进行直接检验。
主泵主轴的材质为奥氏体不锈钢，超声波在奥氏体不锈钢中会散射衰减引起林状波，使信噪比下降，信噪比太低，容易引起漏检或误判，甚至探测不到一些显示信号。所以要从根本上解决信噪比低的问题，一方面需要在锻造工艺和热处理上尽可能的使晶粒得到细化和均匀化，减小并使各部位的声衰减趋于一致，另一方面从检测工艺着手，合理的选用仪器和探头，优化匹配性能，再配以适当的检测方法。
主泵主轴较长的检测距离会使超声波穿透能力显著降低，所以要提高超声波探头的能量和声束指向性（即减小扩散觉），一是选用大尺寸晶片提高能量、二是选用高频率探头提高指向性，但是探头尺寸过大，会使探头的移动区域减小，从而导致检验范围不够；探头频率过高会使超声波在材料中的衰减加大。所以必须综合考虑这些因素对超声波检验的制约。
另外，主泵主轴在结构中存在诸多台阶和倒角，会引起复杂的结构反射回波干扰，导致信号误判。为减小误判率，从主泵主轴侧面进行超声检验时应采用具有较强的抗干扰以及较高的数模转换率，可同时实时显示A-scan、B-scan、C-scan和D-scan，并能直观进行数据分析的自动超声仪。
2.2 方案设计
2.2.1 超声仪
手动超声仪选用数字型超声仪器，类似如CTS-4020，自动超声仪采用多通道超声数据采集和分析仪器，如Tomoscan-III UT、Z-SCAN UT，与其配套的软件为TomoView或UltraVision，主要用于脉冲回波法的多通道超声数据采集和分析，可处理显示A-scan、B-scan、C-scan和D-scan，可进行在线或离线数据分析。
2.2.2 探头参数设计
主泵主轴的材质、尺寸和形状的特殊性给超声波检测带来了一定的困难。其一是超声波在奥氏体粗晶组织界面上的散射衰减会引起林状回波，使信噪比下降，再加上尺寸大等原因，超声波穿透能力会显著降低；其二是奧氏体组织的各向异性，会使超声波的声速和传播方向发生改变，造成误判。鉴于这些特点，超声检测技术要考虑较多的因素，这主要包括超声探头角度、探头频率、探头形式、晶片尺寸等。
2.2.3 试块设计
设计两种试块，试块材料均选用与被检的主泵主轴一致材料。标准试块主要用用于仪器性能、探头前沿、角度的测量；带有人工缺陷的标定试块（见图5所示）主要用于探头灵敏度的标定。标定试块的人工缺陷设计如下：
●距键槽上部40mm，直径254mm处加工一个人工缺陷A，其面积为直径254mm处横截面积的1%（即506.45mm2）；槽的宽度为0.2mm，深度10mm，长度71mm，槽的形状为两个直径均为254mm圆形的相交面。
●距键槽上部20mm，直径254mm处加工一个人工缺陷B，其面积为直径254mm处横截面积的2%（即1012.9mm2）；槽的宽度为0.2mm，深度17mm，长度91mm，槽的形状为两个直径均为254mm圆形的相交面。
人工缺陷A、B和键槽在横截面上是相互120°均匀分布。
2.2.3 检验灵敏度
对检验探头，利用标定试块上的键槽制作TGC曲线，即时间-增益补偿曲线，使标定的键槽的回波幅值达到幅度刻度的80%左右，此时超声仪的增益值即为基准灵敏度G0。将基准灵敏度提高6dB作为扫查灵敏度，由于记录灵敏度在扫查灵敏度下幅值达到40%FSH就应记录，因此检验灵敏度（或记录灵敏度）是在扫查灵敏度基础上增加6dB。
2.2.4 检验方式
主要采用侧面检验进行实施，端面检验作为辅助检验方式；侧面检验选用自动超声仪和专用机械扫查装置，通过人工外力推动扫查器带动接触式探头在主轴上周向和轴向运动对下部键槽和热屏套连接处实施检验；端面检验采用接触式直射波手动超声检验方式。
3 试验
3.1 CIVA声场模拟试验
根据上述的探头设计方案，采用CIVI软件对不同波型的探头进行了声场模拟，模拟声场分布见图6、图7所示。
根据CIVA软件对声场模拟，比较图6和图7可以发现：78°横波斜探头明显比78°纵波斜探头声场强、效果好。从声学原理上78°纵波在检验时会伴随波型转换，与纯横波相比较，同深度处的声强能量会降低。所以检验技术采用横波斜探头。
3.2 模拟件检测试验
3.2.1 检验系统
通过在主泵主轴上部固定区域安装半自动扫查器，采用人工外力推动扫查器在主轴上进行周向和轴向运动，超声信号和扫查器的位置编码传递给多通道自动超声仪，利用专用软件对超声检查数据进行采集、分析及存储。具体流程见图8所示。
3.2.2 试验对象
试验对象为刻有人工伤的1：1尺寸的主泵主轴试块，试块材料及尺寸与被检部件一致。
制作了一批不同频率的横波斜探头，使用汕头仪器厂生产的CTS-4020数字式手动超声波探伤仪在带有人工缺陷的标定试块上对键槽进行扫查。在超声仪器参数设置都相同的状态下，配用不同频率的探头对键槽处进行扫查，1MHz、1.5MHz和2MHz横波斜探头都能发现键槽信号，具体如图9所示。
采用自动超声仪和自动扫查装置，带动1MHz的横波斜探头在带有人工缺陷的标定试块对人工缺陷进行扫查采集，1%、2%和3%的缺陷信号都能很好的分辨出来，具体如图10所示。
根据上述试验结果，可以发现频率为1MHz的斜探头灵敏度和信噪比都优于1.5MHz和2MHz的斜探头。1MHz的斜探头能清晰地分辨出灵敏度标定试块上1%、2%的人工缺陷和键槽回波信号。
4 结论
根据试验结果的研究分析表明，选用多通道自动超声仪器和专用扫查装置以及78°/1MHz横波斜探头和0°/2MHz Φ28纵波直探头，通过侧面扫查为主和端面扫查为辅对主泵主轴下部键槽和热屏套连接处的超声检验是十分有效可靠的检验技术，能够检测出最小面积当量为1%的缺陷信号。采用上述设计的检验技术能够满足核电现场主泵主轴超声检验的要求。
5 现场应用
2012年4月在国内某核电站D115大修期间，采用研究出的检验技术对核电站1号机组的D1RCP001PO GD95型主泵主轴进行了超声检验。
主泵主轴端面采用了CTS-4020型数字式超声波探伤仪和0°/2MHz Φ28纵波直探头进行了手动超声波检验。
在主泵主轴上部固定区域安装半自动扫查装置，采用人工外力推动扫查器在主轴上进行周向和轴向运动，通过 Z-scan自动超声波探伤仪和专用软件实施了超声检验。主泵主轴键槽A/B/C/D-SCAN如图11所示。
6 结束语
试验和应用表面，侧面扫查和端面扫查能够有效的对下部键槽和热屏套连接处实施超声波检验；在主泵主轴密封屏蔽环不完全拆除的状态下，机械扫查装置能使探头在主轴表面良好接触耦合并能保证足够的扫查区域。研究出的检验技术能够满足核电站主泵主轴的超声检验需求，检验技术有效可靠快捷。
【参考文献】
[1]李家伟，陈积懋.无损检测手册[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2]郑辉，林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.
