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(1.中广核检测技术有限公司，苏州 215004;2.澳门土木工程实验室，澳门 999078)

核安全设备的在役检查(ISI)历来是核电工业国核安全监管当局以及核电站运行业主所关注的重点，也是核电站核安全设备进行定期安全评价的数据来源和重要手段。台山核电站引进的法国EPR(压水堆型)核电站为第三代核电技术，主泵作为重要的水力部件，其水力机械部分的主泵螺栓需要根据在役检查规范进行磁粉检测。笔者主要对EPR第三代核电站主泵螺栓在役检查时采用的磁粉检测工艺进行了探讨，制定了分段磁化及线圈剩磁法的磁粉检测工艺。

图1 主泵螺栓结构示意

1 主泵螺栓的结构及磁特性介绍

主泵螺栓结构示意如图1所示,规格为M118×1 099 mm,中心有φ19，φ6 mm的小径孔,分为螺纹区、过渡区、光杆区，且每个区域的直径大小不一样。

法国核电站规范RCC-M《压水堆核岛机械设备设计和建造规则(2007版)》中规定的“采购技术规范为RCC-M M2312+RCC-M M5140,材料为40NCD7.03 classB”，对应于国内材料牌号为40CrNiMoA。根据《常用钢材磁特性曲线速查手册》可以查到其磁特性曲线，由磁特性曲线可以看出[1]，其矫顽力为1 200 A·m-1，剩磁感应强度为1.425 T，最大相对磁导率为693，最大磁导率对应的磁场强度为1 200 A·m-1，最大磁能积为1.024 kJ·m-3。

2 磁粉检测方法选择

选择磁粉检测方法时应考虑的因素有：① 受检件的尺寸、外形结构、表面状态等；② 使用工况及各部位的应力分布；③ 可能产生缺陷的部位和方向等。

根据以上因素，进行如下分析：

(1) 因为螺栓每个区域的直径大小不一，且工件长度过长，故需分段磁化。可采用的磁化方法有通电法(周向磁化)、线圈法(纵向磁化)、磁轭法(交叉磁化)。由于螺栓表面存在磷化层，磷化层为不导电层，故不能进行直接通电法；另外由于中心孔径直径过小，故不适用中心导体法。

(2) 根据使用工况，主泵螺栓主要承受的是沿轴向的应力。缺陷方向与螺栓轴向的角度越大，缺陷尖端受到的张力也越大；当两者互相垂直时，缺陷尖端所受到的张应力达到最大值，缺陷受力时扩展速度最快。所以，主泵螺栓表面区域存在的横向缺陷对螺栓的危害最大。对于在役检查，主要检查其横向缺陷，故采用纵向磁化方法较易检出。

(3) 螺栓在锻压成型过程中，钢锭中的气泡和夹杂等缺陷一般会沿轴向方向被拉长、变细，同时折叠也会沿着轴线方向分布和延伸。因此，纵向缺陷是主泵螺栓制造过程中产生缺陷的主要类型，若有必要可以使用磁轭法进行磁化。笔者主要讨论在役过程中产生缺陷的检查，故此方法不做详细讨论。

3 主泵螺栓磁粉检测工艺

主泵螺栓磁粉检测主要使用线圈法进行检测,按照磁粉施加方式不同可分为连续法和剩磁法。对于紧固件，例如螺栓螺纹根部的横向缺陷，国内标准通常推荐采用线圈磁化剩磁法进行检测，RCC-M规范没有提及剩磁法，美国ASME(美国机械工程师学会)规范不推荐使用剩磁法。

剩磁法要求工件的矫顽力大于1 kA·m-1，剩磁感应强度大于0.8 T。根据磁特性曲线，主泵螺栓满足剩磁法的使用条件。若采用连续法检测，螺栓螺纹根部本身相当于横向裂纹，纵向磁化后，螺纹根部吸附磁粉形成的过度背景使缺陷难以被观察。

3.1 线圈连续法

若主泵螺栓采用线圈连续法，其磁化规范应根据主泵螺栓尺寸和检测线圈特性，用经验公式计算其电流大小，并用试块或者试片进行验证。根据标准NB/T 47013.4-2015《承压设备无损检测 第4部分:磁粉检测》，得到如下计算公式(具体公式需根据工件与线圈横截面积的比值及放置位置来选择)。

(1) 低填充因数线圈，即线圈横截面积与被检工件横截面积之比不小于10，工件偏心放置时，线圈的安匝数为

(1)

式中：I为施加在线圈上的磁化电流；N为线圈匝数；L为工件长度；D为工件直径或横截面上最大的尺寸。

工件正中放置于线圈中心时，线圈的安匝数为

(2)

式中：R为线圈半径。

(2) 高填充因数线圈，即线圈横截面积与被检工件横截面积之比不大于2时，线圈的安匝数为

(3)

(3) 中填充因数线圈，即线圈横截面积与被检工件横截面积之比大于2且小于10时，线圈的安匝数为

(4)

式中：Ua为由式(1)或式(2)计算出的安匝数;Y为填充因数。

3.2 线圈剩磁法

若主泵螺栓采用剩磁法检测，根据标准NB/T 47013.4-2015的要求，施加在工件表面的磁场强度应达到14.4 kA·m-1。

此外标准GJB 2028A-2007《磁粉检测》中也对剩磁检测的空载线圈中心磁场强度给出了规定(见表1)。调节磁化电流并使用特斯拉计测量空载线圈中心的磁场强度，根据L/D的值使其磁场强度满足表1的最低要求。

表1 空载线圈中心的磁场强度

实际检测时采用标准NB/T 47013.4-2015的要求，用特斯拉计测量螺栓表面的磁感应强度，并进行单位换算，验证磁化磁场强度。

螺栓每个区域的直径大小不一，且工件长度过长，需分7段进行磁化，其分段磁化方法示意如图2所示。

图2 螺栓的分段磁化方法示意

3.3 线圈连续法与线圈剩磁法磁化效果对比

根据线圈连续法与线圈剩磁法磁化规范对螺栓试块的其中1组螺牙部分的人工缺陷(底部螺牙在第2和第3齿之间，长8 mm，宽0.1 mm，深0.3 mm)进行对比试验(见图3)，发现对于螺栓的螺纹区域，国内采用的剩磁法的检测结果是磁痕磁粉堆积更多，且颜色更深，对比度更高，灵敏度优于连续法(国外核电站检查规范RCC-M没有提及剩磁法，ASME不推荐使用剩磁法)。

对台山EPR三代核电站的近百根主泵螺栓进行了磁粉检测，结果表明：采用剩磁法的检测效果明显优于连续法，尤其是螺纹根部。

4 结语

EPR三代核电站的水力部件主泵螺栓的在役检查时，其磁粉检测采用线圈法进行纵向磁化检测横向缺陷;对于螺栓的螺纹区域，采用国内的分段线圈剩磁法进行磁粉检测，效果优于国外核电站采用的线圈连续法。

参考文献：

[1] 兵器工业无损检测人员技术资格鉴定考核委员会.常用钢材磁特性曲线速查手册[M].北京：机械工业出版社，2003.