Page 39 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 刘登荣等： 核电堆内构件围板螺栓超声检测优化有限元仿真研究 1149

angle are optimized to achieve the detection goal of 15% of the defect cross-sectional area in different regions. It
provides theoretical guidance for the development of an ultrasonic sensor for baffle bolts of internal components
with high matching and high sensitivity, and for realizing high-precision detection of the sensitive areas of baffle
bolts.
Keywords: Reactor internals; Baffle bolt; Ultrasonic inspection; Simulation optimization

用于围板螺栓不同区域的超声检测方法 [8] 和工艺
0 引言
研究。
堆内构件是核电厂反应堆的核心部件，是指压
1 围板螺栓超声检测有限元数值模拟方法
力容器内除燃料组件及相关部件外的全部结构部
件。其主要用途是支承和定位燃料组件及其相关组 外六角形式的围板螺栓的材料为Z2CND17-12
件、为控制棒提升和下降提供导向、合理分配进入 (奥氏体不锈钢 316)。围板螺栓总长为 67.4 mm，
堆芯的冷却剂流量等。堆内构件由水平的成形板和 在螺栓头部开有止动槽用于安装紧锁杆来与围
竖直的围板装配组成，而围板螺栓是核电堆内构件 板焊接以防止螺栓松动。图 1(a) 为围板螺栓实物，
成形板和围板之间的关键紧固部件。为避免螺栓松 图 1(b) 为螺栓尺寸参数示意图，单位 mm。其中螺
动，螺栓沿对角线开有止动槽，可将螺栓旋紧后焊接 栓经常可能出现缺陷部位即螺栓过渡区、螺杆区和
防松条 [1−2] 。 螺纹区。
堆内构件在高温、高压、高辐照等苛刻环境中 φ24.1
服役，长期运行将导致螺栓降低承受载荷引起退化

失效。围板螺栓主要失效原因有：(1) 随着辐照量 13.6
的增加，螺栓的硬度增加，断裂韧性下降，脆性增 ᣿ບӝ
加；(2) 围板螺栓在长期的辐照和震动环境下会萌 ᛃీӝ
生应力腐蚀裂纹 [3] ，最终导致螺栓断裂脱落。围板 φ13 15.9
螺栓断裂后果有：螺栓的紧固性能失效；围板刚度降 53.8
低，在冷却剂冲击下振动增大；断裂螺栓损害堆内构
ᛃጯӝ
件、燃料组件。可以看出围板螺栓的失效会严重影 5.54
响核电厂的安全运行。国外多个机组已发生围板螺
栓失效而导致事故，其中美国 Indian Point 核电厂 (a) ᛃಟࠄྭ (b) ᛃಟԠ஝ (ӭͯ: mm)
2号机组在2016年停机大修发现共 27.2%螺栓存在 图 1 围板螺栓实物图及参数示意图
缺陷 [4−5] 。因此，围板螺栓的结构完整性是核电厂 Fig. 1 True diagram of the baffle bolt and
所面对的重要问题之一，必须加以重视。 schematic diagram of its parameters
为了避免围板螺栓失效导致核电厂事故的发 1.1 围板螺栓超声检测方法
生，需要在核反应堆运行期间定期对螺栓进行无 针对围板螺栓不同部位可能出现的缺陷 (裂
损检测。螺栓失效形式常发生在螺栓内部且不能 纹)，目前主要采用如图 2 所示的超声波检测方法来
单独分离螺栓进行检测，传统的目视检测 [6] 无法 定位缺陷。由于螺栓结构的复杂性，垂直入射的超
满足检测的需求，其他无损检测方法例如涡流检 声纵波无法有效覆盖螺栓被检测区域，因此需要具
测、磁粉检测等均无法进行有效检测，而超声检测 有一定入射角度的超声纵波对不同区域的缺陷进
是一种可行的体积检测方法 [7] 。然而由于其结构 行检测。围板螺栓顶端面积狭小，为了尽可能保证
的复杂性，现有超声检测方法仍难以对其进行有效 螺栓失效区域的有效检测来获取更高的检测灵敏
检测。在对螺栓进行超声检测之前，需要进一步提 度，常采用中心对称布置的 2 个超声探头进行检测，
高超声检测方法对于围板螺栓内部缺陷的检测能 即单个探头采用的脉冲 -回波(P/E)模式，如图2(b)
力。因此，本研究针对堆内构件外六角围板螺栓典 所示；或者2 个探头采用的一发一收(T/R)模式，如
型缺陷失效形式，通过有限元数值仿真技术开展适 图2(c)所示。