反应堆压力容器高压紧固件磁粉检测技术

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摘 要：反应堆压力容器高压紧固件作为核设备的重要部件，RCCM标准要求役前及在役进行超声波检测或者磁粉检测。该检测是个多系统配合的过程，它必须依赖专用超声波检查系统、磁粉探伤检测设备等统一协作才能完成。本文主要介绍了反应堆压力容器高压紧固件磁粉检测部位、检测方法、检测仪器以及灵敏度试片的选用及测试。

关键词：高压紧固件 磁粉检测 磁轭法

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0097-02

1 磁粉检测技术概述

反应堆压力容器是核电厂和核动力装置中最重要的设备，其质量保证是核电设备和核动力装置正常安全运行的关键。反应堆压力容器紧固件是连接压力容器壳体和顶盖的重要部件见图1，为防止核放射物质的外溢、保障反应堆压力容器正常工作有着十分重要的作用。在核电厂和核动力装置的检验规范和大纲中，对反应堆压力容器紧固件提出了无损检测的强制性要求，并指定分别在投入前和运行一定时间内对紧固件实施役前检查和在役检查。铁磁性材料工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变 而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。

核反应堆压力容器的磁粉检测技术是一个比较复杂的检测技术。该技术必须综合考虑不同检测对象的特征和检测实施方式来制定磁粉检测技术。检查技术具体体现在磁化设备的选择、磁化方式、探头和灵敏度试片的选择、应用实施、磁痕的判断和分析等方面。在综合考虑这些因素的情况下，形成有效的核反应堆压力容器磁粉检测技术。采用该检测技术，在对核反应堆压力容器的检测中取得了很好的应用。

2 反应堆压力容器高压紧固件磁粉检测技术

磁粉检测反应堆压力容器高压紧固件需重两方面做起：第一方面是重易于观察识别缺陷入手；第二方面是重提高检测能力抓起。

要达到易于观察识别缺陷的目的，首先是需要合适的工作观察环境，即要有足够的光照度，一般光源强度要保证>1000lex，光源强度可以用照度计测量，以适宜为主，不是越亮越好，有助于更好的发现缺陷；其次是增强比对、色差，易于分辨发现细小的缺陷，针对紧固件滚丝部位表面形状复杂，多凹槽和凸起，选用性能不错的反差增强剂配合黑色的磁选液能取得极好效果。

提高检测能力要重以下几处来控制，一是选用合理的灵敏度试片；二是正确选用合理的磁粉设备、磁化方法，对某些磁化设备来讲甚至必须控制合理的磁化区域，才能最大限度的检出细小的缺陷。一般轴类零件最好的磁粉检测方法是直接通电法，因为它简单高效，且灵敏度高比较适合大批量的轴类紧固件，但是对反应堆压力容器高压紧固件来说，由于它比起一般民用紧固件来说，往往尺寸巨大，重量偏重，不易于夹头夹持见图1，且越大的紧固件，根据周向磁化规范，其磁化电流根据工件直径有关，对于某些直径巨大的反应堆压力容器紧固件来说，所需达到要求的电流值是惊人的，很少有这种设备满足要求，所以磁轭法是最好的选择，下面重点介绍的磁化方法和磁化设备都是建立在以磁轭法为前提的基础上。磁轭法检测大型的反应堆压力容器高压紧固件必须选用合适的磁化探头，对于表面形状复杂，多齿纹的紧固件来说，只能选用角焊缝探头，且合理的控制角焊缝探头的磁极间距，对能否很好的检测出工件缺陷起着关键作用。便携式电磁轭，一般做成活动关节，磁极间距一般控制在75～200 mm为宜，但最终不得小于75 mm。因为磁极附近25 mm范围内，磁通密度过大会产生过度背景有可能掩盖相关显示。反之，磁极间距也不是越大越好，在总磁通量一定的情况下，工件表面的磁场强度随着两极间距的增大而减小，所以磁极间距不能太大，检测的有效区域为两级区域连线两侧。

为了更好地检测出紧固件的缺陷需要求被检工件表面不得有油脂、铁锈、氧化皮或其他粘附磁粉的物质。表面的不规则状态不得影响检测结果的正确性和完整性，否则应作适当的修理。如打磨，则打磨后被检工件的表面粗糙度Ra≤25μm。如果被检工件表面残留有涂层，当涂层厚度均与不超过0.05 mm，且不影响检测结果时，经合同各方同意，可以带涂层进行检测。因为交流电具有趋附效应，因此对表面缺陷有较高的灵敏度。ASME也特别强调了除了厚度≤6 mm的材料之外，在相等的提升力条件下，对表面缺陷的检测使用交流磁轭法。

由于磁粉检测方法本身所固有的特性，使得检测可靠性受一些因素的影响，检测人员还需注意以下几点。

（1）螺栓表面清洁程度，紧固件主要受力部位在螺纹处，而螺栓在安装到设备上时该处需涂抹防咬剂，未清洗干净并残留在螺纹细牙中的防咬剂可能遮盖潜在的缺陷，导致漏检。因此受采用此检测方法时，加强紧固件的清洁工作非常必要。如使用超声波清洗，务必最后用干净无污染的清洗液冲洗一次。未清洗干净的油污等杂物，在紫外灯下呈现灰色，可与清洗干净的螺栓对比区分。

（2）磁化方法的选择，一般设备厂家推荐使用连续法，但在实际检测中，连续法并不适用于对螺栓螺纹部分的检测。相比之下，剩磁法用更显著的效果。连续法使得假磁痕过多地堆积在螺牙和凹槽中，这样反而掩盖了真正的微小裂纹的显示。而采用剩磁法，非相关显示较少，裂纹显示很明显。将磁痕擦掉后再浇筑磁悬液，磁痕再次显现，并且更清晰。实际证明，剩磁法比连续法检测螺栓更有效。

（3）结果的观察，磁粉检测时对裂纹的最终判断仍然是依靠肉眼完成见图2，检测结果受个人主观判断影响；因此，检测人员应注意休息，避免眼睛过度疲劳；另外，采用荧光磁粉检测时，对螺纹的观察角度也有很大影响；最好是从俯视和仰视两个角度各看一遍，避免在观察时视线被螺栓的凸出部位遮挡，使隐藏在螺纹凹槽内的裂纹被漏检。

（4）根据紧固件的使用条件分析。紧固件主要承受拉应力。在正常荷载状态下，没有缺陷的紧固件一般不会发生损坏，只有在严重过载或紧固件存在腐蚀、裂纹的情况下才会发生断裂。历史数据分析表明由于腐蚀而导致紧固件失效的情况非常少，而有约五成以上的紧固件属于疲劳失效。由于疲劳使紧固件在螺栓根部、螺纹根部或螺帽与螺栓结合处产生疲劳裂纹，最终使紧固件在使用过程中失效。尤其是螺帽与螺栓配合的第一圈螺纹处，因为载荷的传递是通过螺纹来进行，前面几圈的螺纹承载受力大部分荷载，第一圈螺纹承受的载荷要远大于其他螺纹，如果这里存在缺陷，如裂纹，就很容易造成紧固件的失效。

3 检测设备和相关耗材选用原则

3.1 灵敏度试片选用原则

一般选用A型试片，A型标准试片分为A1、A2；A1为退火材料制成，A2为不作热处理的冷轧材料制成。A1型灵敏度试片主要用于零部件的磁粉探伤，在检查中，对几何形状复杂，不同材质的工作，可以正确地选择磁化规范，并可检查探伤设备，磁粉和磁悬液的性能，在磁粉探伤操作过程中，可以避免漏检，并对显示缺陷的磁场强度有所估量。其特点在于磁粉显示，图象直观，使用简便。对各类零件所有方向的磁场，尤其检查形状复杂的零件时，表现其独特的优点。

3.2 灵敏度试片贴片及使用原则

螺栓非螺纹位置 螺纹部分与非螺纹部分是同一材质用于作灵敏度试验是合适的试片使用前，用柔软纸或纱布轻轻地把试片表面的油渍擦去，再用胶带纸紧密地贴在工件上，保证试片与被检面接触良好，试片用后请涂防锈油，试片有锈蚀、褶折或磁特性发生改变时不得继续使用。

3.3 磁悬液选用原则

一般选用罐装磁悬液，其浓度为厂家定点配置，比较均匀，且携带方便，一般分为黑油和黑水磁悬液两种，黑油磁悬液比起黑水磁悬液对于机械加工件可以起到防锈作用，所以首选黑油磁悬液，但对于不易用油或引起易燃易爆地方处建议用黑水磁悬液。

3.4 反差增强剂选用原则

为增强检测效果，合理使用反差增强剂可以增加对比度，取得良好的检测效果，对于表面形状复杂的紧固件滚丝部位，适量应用反差增强剂，效果十分明显。

3.5 磁化设备选用原则

反应堆压力容器高压紧固件有相当一部分是大直径螺栓，其份量很重，普通固定式磁化设备难以对其检测，所以一般选用磁轭法进行检测，磁轭法设备主要是磁轭探头提升力的选择，当使用磁轭最大间距时，对于交流磁轭探头一般选择≥45 N提升力，直流磁轭探头一般选择≥181 N提升力。

4 结语

被检的紧固件往往数量庞大，通常无序号区分。建议对紧固件按批号进行区分，这样做有利于监控其质量，要重视注意目视检查，并报废外观上有缺陷的紧固件，这些缺陷本身就是一个疲劳源，容易形成应力集中并最终导致疲劳断裂。对于一些非铁磁性紧固件材料的表面检测，可以考虑用渗透或者涡流检测，相比磁粉检测的方便快捷，渗透检测对操作者的经验要求很高。前期对试件表面工作处理麻烦，但显示缺陷直观明确，检测效率低，涡流检测适用性强，但检测时受干扰因素太多，需制备对比试样，受工件尺寸限制较大，灵活性不够，实际操作麻烦。此外注意收集平时检测中发现的有典型裂纹的紧固件，作为一般的参考试件，有助于对磁粉探伤设备进行综合性能校验。

参考文献

[1] 雷雨.航空器机轮轮毂连接螺的磁粉检测[J].无损检测，2007，29（3）：163-167.

[2] 美国ASME规范[M].V卷.2004.