鄒逸鵬,柴玉琨,陽 雷,唐 濤

(中國核動力研究設(shè)計院,四川 成都 610000)

0 引 言

反應(yīng)堆壓力容器(RPV)是反應(yīng)堆的心臟,它在運(yùn)行中承受著高溫、高壓、高輻射的交變復(fù)雜應(yīng)力和腐蝕的影響,故其質(zhì)量對于保障回路系統(tǒng)的完整性至關(guān)重要。

筆者提出了一種新型壓力容器超聲波相控陣檢查系統(tǒng)。為確保超聲檢驗(yàn)工藝滿足各型反應(yīng)堆各部件的檢查要求,依據(jù)反應(yīng)堆的設(shè)計圖,利用CIVA仿真軟件,對被檢區(qū)域進(jìn)行了超聲檢測仿真。限于篇幅,僅列出對奧氏體不銹鋼反應(yīng)堆壓力容器筒體對接焊縫的仿真過程和結(jié)果。仿真結(jié)果為超聲檢測工藝的設(shè)計和優(yōu)化提供了參考。

1 超聲檢驗(yàn)工藝模擬仿真設(shè)置

CIVA仿真軟件是由法國原子能機(jī)構(gòu)(CEA)開發(fā)的一款用于無損檢驗(yàn)的專業(yè)仿真平臺,具有仿真、成像和分析等功能,能夠用來設(shè)計或優(yōu)化檢驗(yàn)工藝,可以預(yù)測實(shí)際的檢驗(yàn)?zāi)芰?。其超聲仿真支持不同探頭、工件和缺陷,并適用于多種檢驗(yàn)方法,包括脈沖回波、串列、TOFD和相控陣。

此次仿真主要用到超聲的兩個模塊:Beam computation(聲場計算)和Defect response(缺陷響應(yīng))。該軟件提供了大量的信號處理方法,包括一些常規(guī)的以及很多尖端的處理方法[1-4]。

在核反應(yīng)堆關(guān)鍵部件中,裂紋是最可能發(fā)生的一種缺陷形式且是最危險的缺陷形式,故仿真時重點(diǎn)考慮的缺陷類型為裂紋。對于不同的檢查部件,裂紋埋藏的位置也有所區(qū)別,若在對筒體區(qū)域進(jìn)行仿真時,裂紋埋藏的位置為焊縫內(nèi)外表面和中部;在對安全端焊縫進(jìn)行仿真時,裂紋埋藏的位置也為焊縫內(nèi)外表面和中部;在對接管-筒體焊縫進(jìn)行仿真時,裂紋埋藏的位置為焊縫熔合線附近;在對法蘭面上螺栓孔螺紋進(jìn)行仿真時,裂紋埋藏的位置為螺紋齒根部位。使用矩形缺陷(Rectangular defect)來模擬裂紋,缺陷尺寸可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試要求進(jìn)行設(shè)置。

2 壓力容器超聲檢查技術(shù)介紹

壓力容器自動檢查系統(tǒng)如圖1所示,該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,可根據(jù)實(shí)際需求更換機(jī)械臂前端的視頻和超聲檢查模塊;系統(tǒng)中可升降的立柱及三個具備伸縮、旋轉(zhuǎn)和擺動功能的機(jī)械臂組合互補(bǔ),具有極大的運(yùn)動自由度,可實(shí)現(xiàn)靈活全面的路徑規(guī)劃;系統(tǒng)還能適應(yīng)不同規(guī)格尺寸的反應(yīng)堆壓力容器在役檢查,具備從壓力容器內(nèi)壁和外壁實(shí)施檢查的功能。

圖1 新型壓力容器超聲檢查系統(tǒng) 圖2 相控陣超聲檢測

一般壓力容器的材質(zhì)為低合金鋼,往往采用常規(guī)超聲檢則技術(shù)。而對于某些材質(zhì)為奧氏體不銹鋼的特殊壓力容器,常規(guī)超聲檢測技術(shù)并不理想,需要采用相控陣超聲檢測技術(shù)。

常規(guī)超聲檢測成像只是一維A掃信號(幅值時間),奧氏體不銹鋼的粗大柱狀晶粒結(jié)構(gòu)會使得超聲波在傳播過程中產(chǎn)生較大的衰減和散射,造成聲束和衰減的各向異性以及聲束的偏轉(zhuǎn),引起較高的本底噪聲而使得信噪比大幅度下降。因此采用常規(guī)手動超聲進(jìn)行檢查時,容易出現(xiàn)漏報誤報[5-6]。

相控陣超聲檢測技術(shù)因其對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)工件的適應(yīng)性強(qiáng)、對缺陷定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相控陣超聲檢則技術(shù)利用相控陣技術(shù)和計算機(jī)軟件來控制超聲波,結(jié)合不同掃查方法,聲束可大面積覆蓋被測體,得到直觀的可記錄圖像結(jié)果。其檢測效率、缺陷檢出率、定位定里精度等方面都比常規(guī)超聲更優(yōu)秀。

相控陣超聲探頭對試塊的檢測過程如圖2所示。

進(jìn)行測試研究的試塊是參考某大型核電站反應(yīng)堆壓力容器筒體環(huán)焊縫及堆焊層的焊接工藝制作的,內(nèi)部埋藏有若干類型人工缺陷。再結(jié)合文中的模擬仿真,可以驗(yàn)證該超聲采集系統(tǒng)具備現(xiàn)場檢則的能力。

3 奧氏體不銹鋼筒體對接焊縫檢測仿真

3.1 檢驗(yàn)對象

奧氏體不銹鋼筒體對接焊縫包括環(huán)焊縫和縱焊縫兩種,焊縫設(shè)計厚度 50～70 mm,檢驗(yàn)范圍為焊縫及焊縫兩側(cè)1/2T范圍內(nèi)熱影響區(qū),包括整個厚度范圍,焊縫和母材為308L和309L不銹鋼材質(zhì),縱波聲速為5 750 m/s、橫波聲速為 3 150 m/s。

仿真時近似為各向同性材料,檢驗(yàn)對象焊縫示意圖如圖3所示。

圖3 奧氏體不銹鋼筒體對接焊縫示意圖

3.2 檢查工藝

奧氏體不銹鋼焊縫組織多為粗大柱狀晶體,超聲波傳播時在晶界發(fā)生散射以及波形轉(zhuǎn)換,會引起聲波衰減、信噪比和靈敏度下降。

因此,為增加特定檢查區(qū)域的檢測靈敏度,將被檢焊縫區(qū)域分為近外表面區(qū)域和內(nèi)表面區(qū)域兩個部分,分區(qū)域覆蓋被檢焊縫,兩區(qū)域有部分重疊。相應(yīng)的聲場仿真聚焦法則也分為上下兩層,以覆蓋特定的檢查區(qū)域。

利用CIVA2016,選擇了如表1所列參數(shù)的雙晶面陣相控陣探頭進(jìn)行了檢查,相控陣檢查工藝采用上下兩層聚焦法則,具體設(shè)置如表2所列。

表1 相控陣超聲探頭參數(shù)統(tǒng)計表

表2 檢查工藝參數(shù)統(tǒng)計表

3.3 聲場仿真

將工件模型、探頭參數(shù)和檢測工藝等參數(shù)輸入CIVA仿真軟件中,可以得到工件中聲場能量的分布情況。

(1) 自然聲場(無聚焦法則)

聚焦法則選擇激發(fā)探頭的全部晶片,不設(shè)置延遲法則,自然聚焦,扇掃角度范圍縱波45°～60°,一發(fā)一收模式,全激發(fā)自然聚焦的扇掃聲場和主聲束角度45°的聲場如圖4、5所示。

圖4 扇掃自然聲場(45°～60°L)示意圖

圖5 主聲束自然聲場(45°L)示意圖

全激發(fā)自然聚焦主聲束角度45°的聲場的聲壓極大值在深度處83 mm,-6dB聲壓覆蓋深度范圍約為44～187 mm,-6dB聲束焦柱寬度16.2 mm,焦柱長度約為198.7 mm。

(2) 上層聚焦法則聲場(0～15 mm)

上層聚焦法則選擇激發(fā)部分探頭的晶片(16×2),采用深度聚焦FD10,目標(biāo)檢查區(qū)域深度范圍0～15 mm,扇掃角度范圍縱波45°～60°,一發(fā)一收模式,全激發(fā)自然聚焦的扇掃聲場和主聲束角度45°的聲場如圖6、7所示。

圖6 上層聚焦法則扇掃聲場(45°～60°L)示意圖

圖7 上層聚焦法則主聲束聲場(45°L)示意圖

全激發(fā)自然聚焦主聲束角度45°的聲場的聲壓極大值在深度處9 mm,-6dB聲壓覆蓋深度范圍約為2.5～20.7 mm,-6dB聲束焦柱寬度5.1 mm,焦柱長度約為22.6 mm。

(3) 下層聚焦法則聲場(15～50 mm)

下層聚焦法則選擇激發(fā)探頭的全部晶片,采用深度聚焦FD35,目標(biāo)檢查區(qū)域深度范圍15～50 mm,扇掃角度范圍縱波45°～60°,一發(fā)一收模式,全激發(fā)自然聚焦扇掃聲場和主聲束角度45°聲場如圖8、9所示。

圖8 下層聚焦法則扇掃聲場(45°～60°L)示意圖

圖9 下層聚焦法則主聲束聲場(45°L)示意圖

全激發(fā)自然聚焦主聲束角度45°的聲場的聲壓極大值在深度處33 mm,-6dB聲壓覆蓋深度范圍約為18.5～52 mm,-6dB聲束焦柱寬度5.8 mm,焦柱長度約為40.7 mm。

小結(jié):相控陣探頭的上層聚焦法則-6dB覆蓋深度范圍為2.5～20.7 mm,下層聚焦法則-6dB聲壓覆蓋深度范圍為18.5～52 mm,上下兩層聚焦法則能有效覆蓋整個焊縫厚度區(qū)域,并且部分檢查區(qū)域重合,能達(dá)到理想的聚焦檢查效果。

3.4 檢測能力仿真

實(shí)際焊接和無損檢測過程中發(fā)現(xiàn),缺陷多為側(cè)壁未融合,裂紋、夾雜和氣孔等。按照ASME 規(guī)范第Ⅺ卷附錄Ⅷ中要求可知, 試塊的設(shè)計缺陷應(yīng)為機(jī)械疲勞裂紋和穿晶應(yīng)力腐蝕裂紋或熱疲勞裂紋,至少75%的裂紋應(yīng)為穿晶裂紋或熱疲勞裂紋。所以,檢測能力的仿真研究為危害性最大的裂紋類平面性缺陷。

此次仿真采用矩形缺陷(Rectangular defect)模擬裂紋缺陷,主要研究缺陷對所選檢測工藝的響應(yīng)并對該探頭和檢查工藝的檢測能力進(jìn)行仿真評估。參考ASEM標(biāo)準(zhǔn)中筒體對接焊縫的缺陷尺寸測試標(biāo)準(zhǔn),選擇最小可接受的表面缺陷(4.5 mm×15 mm)和埋藏缺陷(9 mm×15 mm)進(jìn)行評估,裂紋埋藏深度距表面的距離分別為30 mm、40 mm和50 mm。

此次仿真以焊縫中Φ4.8×70 mm的橫孔為基準(zhǔn)靈敏度,橫孔深度為與裂紋深度相同。分別使用對應(yīng)法則掃查對應(yīng)深度的Φ4.8橫孔,仿真計算獲得A掃回波為100%滿屏?xí)r的幅值,并以此定義為探頭掃查時的0dB,制作DAC曲線。

表面缺陷的仿真結(jié)果示意圖如圖10所示,詳結(jié)果如表3所列。埋藏缺陷的仿真結(jié)果如圖11所示(僅展示最深缺陷圖),詳細(xì)結(jié)果如表4所列。

表3 表面缺陷響應(yīng)結(jié)果

表4 埋藏缺陷響應(yīng)結(jié)果

圖10 表面缺陷響應(yīng)仿真

圖11 埋藏缺陷響應(yīng)仿真(深度65.5 mm)示意圖

小結(jié):針對表面缺陷和不同深度埋藏缺陷的缺陷回波響應(yīng)進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明,裂紋類缺陷的反射回波均大于記錄標(biāo)準(zhǔn)(DAC-12.0dB),且信噪比滿足要求,均能有效檢出。

4 仿真結(jié)果分析

聲場仿真和缺陷響應(yīng)仿真的結(jié)果匯總?cè)绫?、6所列。

表5 聲場仿真結(jié)果匯總表

表6 缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果匯總表

聲場仿真結(jié)果表明:所選擇的相控陣探頭及其所設(shè)置的聚焦法則能有效覆蓋整個焊縫厚度區(qū)域,并且部分檢查區(qū)域重合,能達(dá)到理想的聚焦檢查效果,滿足檢查的基本要求。

缺陷響應(yīng)仿真結(jié)果表明:表面缺陷和不同深度埋藏缺陷的缺陷響應(yīng)反射回波均大于記錄標(biāo)準(zhǔn)(DAC-12.0dB),且信噪比滿足要求,均能有效檢出,能達(dá)到理想的檢查效果,滿足檢查的基本要求。

在進(jìn)行仿真計算時,未考慮工件表面的耦合狀況、工件的結(jié)構(gòu)噪聲、工件表面粗糙度、楔塊磨損等因素的影響,且聲速測量結(jié)果存在一定誤差。因此,超聲仿真結(jié)果與實(shí)際檢測結(jié)果存在一定的誤差,但這不影響根據(jù)超聲仿真結(jié)果來優(yōu)化超聲檢測工藝或設(shè)計超聲檢測工藝。

5 結(jié) 語

文中使用CIVA2016軟件對奧氏體不銹鋼反應(yīng)堆筒體的超聲檢測過程進(jìn)行了仿真研究,聲場仿真和缺陷響應(yīng)仿真的結(jié)果證明選用的超聲檢驗(yàn)技術(shù)滿足檢查的要求。模擬仿真有助于超聲檢測工藝的設(shè)計和優(yōu)化,并對提高反應(yīng)堆壓力容器現(xiàn)場檢測可靠性具有非常重要的意義。