科创中国

百万千瓦级核电站核岛超大承压结构、一回路主管道、核I级泵阀、反应堆控制棒驱动结构等核级装备的关键零部件，采用精密光整加工、精密焊接、精密轧制等先进加工工艺制造，满足高温高压高放射性条件下60年超长使役的承压耐辐照、耐热抗腐蚀、隔磁抗冲击等高性能需求。表界面完整性的定量定域定式表征、测试和分析是核环境服役零部件高性能制造的核心环节，不仅能够揭示高性能形成的本质特征和变化规律，也是制造体系闭环控制和质量管理的主动保障。表界面完整性主要包括零部件的表界面形貌、成分、微观结构等参数。核环境服役零部件的表界面完整性的无损检测，表面/亚表面、界面，以及非均质介质和各向异性等几何与材料的耦合约束作用，造成了表界面完整性无损检测的不适定问题，表界面完整性的无法精准测量制约了高性能精密制造技术的可靠应用。美、德、日等国的表界面完整性无损检测理论研究集中在常规的全域优化及数值求解，针对性和适用性明显不足，且支撑的检测技术严格保密，我国则沿用射线结合分层渗透或常规超声检测的标准，精确度和可靠性均受限。因此，核环境服役零部件的表界面完整性无损检测是国内外核电装备制造亟待解决的技术难题。本项目在国家、部委和企业项目资助下，经10年研究，在创新发展的无损检测新原理指导下，发明了渗透、超声、压电、涡流等无损检测新方法，研制出系列检测新装备。主要成果包括：　　1.提出了核环境服役零部件表界面完整性的特征信号量正则化的无损检测原理，实现了高性能精密制造零部件的无损检测理论的源头创新。建立了渗透、涡流、超声、压电无损检测信号激励对零部件材料体特性和预设的表界面完整性的特征响应原理模型，发明了非均质介质或各向异性材料基体与零部件表界面所具有的特征检测信号量的非一致响应辨识方法，揭示了将表界面完整性无损检测的不适定问题转化为基于特征信号量的适定问题的正则化原理，为核电零部件精密光整加工、精密焊接、精密轧制的表界面完整性无损检测技术与装备研发提供理论支撑。　　2.发明了核I级泵阀复杂型面精密光整加工的表面异质成分渗透与涡流复合检测技术与装备。针对核I级奥氏体不锈钢泵阀精密光整加工复杂型面的异质成分污染非均质介质特点，建立了奥氏体不锈钢表面铁污染和异相马氏体分数的渗透与涡流响应复合检测原理模型，发明了铁污染的渗透反应显像色度非一致响应辨识方法和异相的涡流相位角非一致响应辨识方法，开发了不锈钢表面铁污染邻菲罗啉显色渗透膜检测和异相污染涡流检测设备，实现了不锈钢核电零部件光整加工表面异质成分的渗透与涡流复合无损检测，保证了具有复杂型面的核I级不锈钢泵阀的精密光整制造。　　3.发明了核岛厚壁粗晶超大承压结构零部件精密焊接的界面低维缺陷超声检测技术与装备。针对核反应堆冷却剂管道精密焊接界面粗晶组织各向异性特点，建立了各向异性晶粒组织中预设低维缺陷的超声检测原理模型，发明了基于EBSD图谱的粗晶材料FDTD超声检测仿真分析方法，提出了具有非一致分布特征的各向异性基体组织与缺陷的超声信号相位辨识方法，发明了基于相位相干成像的核电站主回路管道焊缝质量的相控阵超声检测装备，实现了核岛厚壁粗晶承压结构件精密焊接界面缺陷的超声无损检测，保证核反应堆冷却剂管道等核岛超大承压结构零部件的精密焊接制造。　　4.发明了核反应堆控制棒驱动机构隔磁片精密轧制成形表面微观结构的压电阻抗检测技术与装备。针对核反应堆控制棒驱动机构隔磁片精密轧制成形环形薄片结构各向异性特点，建立了不同尺度预设低维缺陷的表面微观结构压电阻抗谱响应原理模型，发明了高灵敏度的高激励电压压电阻抗测试方法，提出了具有非一致性机制的基体组织与缺陷尺度的压电检测结构高阶振型辨识方法，发明了轧制环形薄片核电零部件表面微损伤的压电无损检测系统，保证了核反应堆控制棒驱动机构隔磁片的精密轧制成形制造。　　研究成果在我国福清、红沿河、阳江、荣成等多座大型先进核电站应用，保证了核电站重大装备国产化和自主化。研发的表界面完整性无损检测技术与装备已成为提升我国高性能核电零部件精密制造品质的核心保证技术，为我国大型核电站高端装备高性能零部件的研制生产做出重要贡献，经济效益和社会效益显著。