CN105810258B - 一种用于压水堆燃料组件超声检查的探头及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核电站役前及在役检查技术领域，具体涉及一种用于压水堆燃料组件超声检查的探头及其制造工艺。该探头包括探头支架、超声探头单体；探头支架包括基板、引线槽、插座安装座及探头安装孔，基板上开有引线槽、探头安装孔，基板上通过螺钉与插座安装座连接；探头支架可同时安装两个超声探头单体；超声探头单体安装在探头安装孔中，超声探头单体的引出电缆通过引线槽与插座安装座连接；超声探头单体包括间隔设置的两个超声探头单体单元，每个超声探头单体单元从前到后依次包括探头晶片、隔声材料、背衬填充物、背反射抑制层，晶片上下设置有导线。使用该工艺制造出的探头的高度尺寸可以控制在1.2mm以内，确保探头可以安全接近燃料棒。

Description

一种用于压水堆燃料组件超声检查的探头及其制造工艺
技术领域
本发明属于核电站役前及在役检查以及其它无损检测技术领域，具体涉及一种用于压水堆燃料组件超声检查的探头及其制造工艺。
背景技术
压水堆燃料组件是由燃料棒和骨架组成，燃料棒被支撑并夹紧在骨架内，呈规则性排列。其中燃料棒包壳的作用为保证燃料棒的机械强度，同时包容核燃料及其裂变产物，构成了强反射性裂变产物与外界环境之间的第一道屏障。在反应堆运行期间，由于燃料棒长期处于高温、高辐照工况下，燃料芯块的辐照肿胀可能引起包壳蠕变导致包壳破损，造成强反射性裂变产物发生泄漏。已服役的燃料组件一般先通过对放射性元素的辍吸进行初步筛查，对于筛查出的破损或疑似破损的燃料组件，则一般采用超声技术查找具体的破损燃料棒。
包壳完整的核燃料组件中，其包壳内壁与燃料芯块的间隙中充满氦气。而当燃料包壳破损后，在高温、高压的运行条件下，一回路的水将通过燃料棒的破损位置渗入至包壳内。因此，可通过检测燃料棒包壳内填充介质的变化，即包壳内是否存水，来判断燃料棒的完整性。其基本原理为：当声波在尺寸受到限制的管材中传播时，其结果是可产生沿着管材的方向传播的各种类型的板波。而当燃料棒因破损而致内部渗水时，其作用在棒内壁上的水载为超声能量的泄漏提供了一个通路，即板波因不断向水中泄漏能量而造成自身能量的衰减。燃料棒破损超声检验就是基于分析超声波在沿棒壁传播的衰减情况来判断燃料棒内是否存水，进而判断燃料棒是否存在破损。压水堆燃料组件的燃料棒规则排列，其棒间距为1.3mm～2mm之间。检查时，超声探头需从棒间接近所有的燃料棒。即要求超声探头的高度尺寸必须小于燃料棒间距。检查示意图见图1。常规超声探头的高度至少为10mm，而为实现此部件的检查，探头的高度尺寸必须控制在1.2mm以内，以确保探头可以安全接近燃料棒。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于压水堆燃料组件超声检查的探头及其制造工艺，使用该工艺制造出的探头的高度尺寸可以控制在1.2mm以内，以确保探头可以安全接近燃料棒。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种用于压水堆燃料组件超声检查的探头，包括探头支架、超声探头单体；探头支架包括基板、引线槽、插座安装座及探头安装孔，基板上开有引线槽、探头安装孔，基板上通过螺钉与插座安装座连接；探头支架可同时安装两个超声探头单体；超声探头单体安装在探头安装孔中，超声探头单体的引出电缆通过引线槽与插座安装座连接；超声探头单体包括间隔设置的两个超声探头单体单元，每个超声探头单体单元从前到后依次包括探头晶片、隔声材料、背衬填充物、背反射抑制层，晶片上下设置有导线。
所述晶片为复合压电材料所制，5MHZ频率的晶片厚度为0.59mm。
所述导线通过导电胶水与晶片固定，导线线径为0.2mm。
所述隔声材料采用木屑材料，横向布置于两晶片之间。
所述背衬填充物采用环氧树脂和钨粉混合加热而成，背衬填充高度不高于基板表面。
所述背反射抑制层采用铝箔或铜箔材料，粘接在探头支架的基板上，铝箔或铜箔厚度不大于0.05mm。
一种用于压水堆燃料组件超声检查的探头的制造工艺，包括如下步骤：选择厚度在1.1～1.15mm间的基板，在其上加工引线槽、探头安装孔；选择厚度为0.59mm的复合压电材料制作晶片，尺寸控制在2×6mm～3×6mm之间；从晶片上下引出导线，用导电胶水将二者固定，导线线径为0.2mm；待导电胶水完全固化后，再安置晶片至探头支架上的探头安装孔中；将环氧树脂和钨粉混合加热制成背衬填充物，安装在晶片背面，在70℃环境下，烘干3～4小时；在两晶片间开槽，放置隔声材料；背反射抑制层采用铝箔或铜箔，并在干燥状态下粘接至基板上，铝箔或铜箔的厚度小于0.05mm；从晶片上下引出导线通过引线槽连接到插座安装座上，在引线槽和插座安装座处灌胶；分别采用完好的燃料棒样管和破损样管，以水浸方式测试探头信号，比较两种样管信号的幅值差异，差值在10dB以上可以验收。
本发明所取得的有益效果为：
本发明在保证该探头检测性能的同时，合理选材和布局探头的各组成部分，并制订特殊的探头制造工艺，最终控制该探头高度尺寸，满足检查要求。超声探头支架设计为薄片型，厚度控制在1.15mm，探头支架长度为150～250mm。对于现阶段所有压水堆的各型燃料组件，探头支架均可携带探头无阻碍通过燃料棒间隙；超声探头的整体厚度控制在1.2mm，并通过吸声材料的粘性固定在探头夹具安装孔上，与探头夹具形成一体；通过对比试验，可明显分辨出完好燃料棒与破损燃料棒的信号差异，幅值相差约10dB。
附图说明
图1为燃料组件超声检查示意图；
图2为探头支架结构示意图；
图3为探头内部结构示意图；
图4为探头制造工艺流程图；
图中：1、探头支架；2、超声探头单体；3、燃料棒；4、基板；5、引线槽；6、座安装座；7、探头安装孔；8、晶片；9、导线；10、隔声材料；11、背衬填充物；12、背反射抑制层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图2、图3所示，本发明所述用于压水堆燃料组件超声检查的探头包括探头支架1、超声探头单体2；探头支架1包括基板4、引线槽5、插座安装座6及探头安装孔7，基板4上开有引线槽5、探头安装孔7，基板4上通过螺钉与插座安装座6连接；探头支架1可同时安装两个超声探头单体2。超声探头单体2安装在探头安装孔7中，超声探头单体2的引出电缆通过引线槽5与插座安装座6连接，再通过外部电缆与超声仪连接。
超声探头单体2包括间隔设置的两个超声探头单体单元，每个超声探头单体单元从前到后依次包括探头晶片8、隔声材料10、背衬填充物11、背反射抑制层12，晶片8上下设置有导线9；
所述晶片8为复合压电材料所制，以尽可能降低晶片横向振动带来的干扰波，根据晶片厚度的计算公式：d＝λ/2，可得5MHZ频率的探头晶片厚度为0.59mm；所述导线9从晶片8上下引出，用导电胶水将导线9与晶片8固定，导线9线径为0.2mm；所述隔声材料10采用木屑材料，横向布置于两晶片8之间，避免反射晶片的声波直接从探头内部传至接收晶片；所述背衬填充物11采用环氧树脂和钨粉混合加热而成，用于吸收超声探头单体单元内部的声波，也用于晶片与探头支架1的相对固定，背衬填充高度不得高于基板4表面；所述背反射抑制层12采用铝箔或铜箔材料，并粘接在探头支架1的基板4面上，铝箔或铜箔厚度不得大于0.05mm。因空气的声阻抗近似为零，可利用抑制层与背衬之间形成的空气层，抑制晶片8的背反射，降低超声干扰。
如图4所示，本发明所述用于压水堆燃料组件超声检查的探头制造工艺包括如下步骤：探头支架1的基板4厚度控制在1.1～1.15mm间；基板4上加工引线槽5、探头安装孔7；选择厚度为0.59mm的复合压电材料制作晶片8，尺寸控制在2×6mm～3×6mm之间；从晶片8上下引出导线9，用导电胶水将导线9与晶片8固定，导线9线径为0.2mm；待导电胶水完全固化后，再安置晶片8至探头支架1上的探头安装孔7中；将环氧树脂和钨粉混合加热制成背衬填充物11，安装在晶片8背面，在70℃环境下，烘干3～4小时；在两晶片8间开槽，放置隔声材料10；背反射抑制层12采用铝箔或铜箔，并在干燥状态下粘接至探头支架1的基板4上，铝箔或铜箔的厚度应小于0.05mm；将晶片8上下引出导线9通过引线槽5连接到插座安装座6上，在引线槽5和插座安装座6处灌胶，用于固化封装探头、接头及电缆；分别采用完好的燃料棒样管和破损样管，以水浸方式测试探头信号，比较两种样管信号的幅值差异，差值在10dB以上可以验收。该探头的性能参数应能满足燃料组件超声检查要求，可明显分辨出完好燃料棒与破损燃料棒的信号差异。
本发明安装到自动检查系统上，由自动检查系统将探头组件定位到受检燃料组件上的燃料棒之间的间隙间，驱动探头组件插入燃料棒之间的间隙中，在此期间启动超声波检测，采集检测数据，根据数据分析得到的结果即可判断出产生破损的燃料单棒，结合自动检查系统的精确定位，得出破损的燃料单棒位置。每次插入过程每组探头组件可检测一列燃料单棒的破损情况。

Claims (6)

1.一种用于压水堆燃料组件超声检查的探头，其特征在于：包括探头支架(1)、超声探头单体(2)；探头支架(1)包括基板(4)、引线槽(5)、插座安装座(6)及探头安装孔(7)，基板(4)上开有引线槽(5)、探头安装孔(7)，基板(4)上通过螺钉与插座安装座(6)连接；探头支架(1)可同时安装两个超声探头单体(2)；超声探头单体(2)安装在探头安装孔(7)中，超声探头单体(2)的引出电缆通过引线槽(5)与插座安装座(6)连接；超声探头单体(2)包括间隔设置的两个超声探头单体单元，每个超声探头单体单元从前到后依次包括探头晶片(8)、隔声材料(10)、背衬填充物(11)、背反射抑制层(12)，晶片(8)上下设置有导线(9)；所述背反射抑制层(12)采用铝箔或铜箔材料，粘接在探头支架(1)的基板(4)上，铝箔或铜箔厚度不大于0.05mm。
2.根据权利要求1所述的用于压水堆燃料组件超声检查的探头，其特征在于：所述晶片(8)为复合压电材料所制，5MHZ频率的晶片(8)厚度为0.59mm。
3.根据权利要求1所述的用于压水堆燃料组件超声检查的探头，其特征在于：所述导线(9)通过导电胶水与晶片(8)固定，导线(9)线径为0.2mm。
4.根据权利要求1所述的用于压水堆燃料组件超声检查的探头，其特征在于：所述隔声材料(10)采用木屑材料，横向布置于两晶片(8)之间。
5.根据权利要求1所述的用于压水堆燃料组件超声检查的探头，其特征在于：所述背衬填充物(11)采用环氧树脂和钨粉混合加热而成，背衬填充高度不高于基板(4)表面。
6.一种如权利要求1所述的用于压水堆燃料组件超声检查的探头的制造工艺，其特征在于：包括如下步骤：选择厚度在1.1～1.15mm间的基板(4)，在其上加工引线槽(5)、探头安装孔(7)；选择厚度为0.59mm的复合压电材料制作晶片(8)，尺寸控制在2×6mm～3×6mm之间；从晶片(8)上下引出导线(9)，用导电胶水将二者固定，导线(9)线径为0.2mm；待导电胶水完全固化后，再安置晶片(8)至探头支架(1)上的探头安装孔(7)中；将环氧树脂和钨粉混合加热制成背衬填充物(11)，安装在晶片(8)背面，在70℃环境下，烘干3～4小时；在两晶片(8)间开槽，放置隔声材料(10)；背反射抑制层(12)采用铝箔或铜箔，并在干燥状态下粘接至基板(4)上，铝箔或铜箔的厚度小于0.05mm；从晶片(8)上下引出导线(9)通过引线槽(5)连接到插座安装座(6)上，在引线槽(5)和插座安装座(6)处灌胶；分别采用完好的燃料棒样管和破损样管，以水浸方式测试探头信号，比较两种样管信号的幅值差异，差值在10dB以上可以验收。
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