壓力容器相控陣超聲檢查工藝模擬仿真*

鄒逸鵬,柴玉琨,陽 雷,唐 濤

(中國核動力研究設計院,四川 成都 610000)

0 引 言

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

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

1 超聲檢驗工藝模擬仿真設置

CIVA仿真軟件是由法國原子能機構(CEA)開發的一款用于無損檢驗的專業仿真平臺,具有仿真、成像和分析等功能,能夠用來設計或優化檢驗工藝,可以預測實際的檢驗能力。其超聲仿真支持不同探頭、工件和缺陷,并適用于多種檢驗方法,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)。該軟件提供了大量的信號處理方法,包括一些常規的以及很多尖端的處理方法[1-4]。

在核反應堆關鍵部件中,裂紋是最可能發生的一種缺陷形式且是最危險的缺陷形式,故仿真時重點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別,若在對筒體區域進行仿真時,裂紋埋藏的位置為焊縫內外表面和中部;在對安全端焊縫進行仿真時,裂紋埋藏的位置也為焊縫內外表面和中部;在對接管-筒體焊縫進行仿真時,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,缺陷尺寸可根據標準測試要求進行設置。

2 壓力容器超聲檢查技術介紹

壓力容器自動檢查系統如圖1所示,該系統采用模塊化設計,可根據實際需求更換機械臂前端的視頻和超聲檢查模塊;系統中可升降的立柱及三個具備伸縮、旋轉和擺動功能的機械臂組合互補,具有極大的運動自由度,可實現靈活全面的路徑規劃;系統還能適應不同規格尺寸的反應堆壓力容器在役檢查,具備從壓力容器內壁和外壁實施檢查的功能。

圖1 新型壓力容器超聲檢查系統 圖2 相控陣超聲檢測

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

常規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構會使得超聲波在傳播過程中產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,引起較高的本底噪聲而使得信噪比大幅度下降。因此采用常規手動超聲進行檢查時,容易出現漏報誤報[5-6]。

相控陣超聲檢測技術因其對于復雜結構工件的適應性強、對缺陷定位準確等優點而在工業制造領域得到了廣泛應用。相控陣超聲檢則技術利用相控陣技術和計算機軟件來控制超聲波,結合不同掃查方法,聲束可大面積覆蓋被測體,得到直觀的可記錄圖像結果。其檢測效率、缺陷檢出率、定位定里精度等方面都比常規超聲更優秀。

相控陣超聲探頭對試塊的檢測過程如圖2所示。

進行測試研究的試塊是參考某大型核電站反應堆壓力容器筒體環焊縫及堆焊層的焊接工藝制作的,內部埋藏有若干類型人工缺陷。再結合文中的模擬仿真,可以驗證該超聲采集系統具備現場檢則的能力。

3 奧氏體不銹鋼筒體對接焊縫檢測仿真

3.1 檢驗對象

奧氏體不銹鋼筒體對接焊縫包括環焊縫和縱焊縫兩種,焊縫設計厚度 50～70 mm,檢驗范圍為焊縫及焊縫兩側1/2T范圍內熱影響區,包括整個厚度范圍,焊縫和母材為308L和309L不銹鋼材質,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生散射以及波形轉換,會引起聲波衰減、信噪比和靈敏度下降。

因此,為增加特定檢查區域的檢測靈敏度,將被檢焊縫區域分為近外表面區域和內表面區域兩個部分,分區域覆蓋被檢焊縫,兩區域有部分重疊。相應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域。

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

表1 相控陣超聲探頭參數統計表

表2 檢查工藝參數統計表

3.3 聲場仿真

將工件模型、探頭參數和檢測工藝等參數輸入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)

聚焦法則選擇激發探頭的全部晶片,不設置延遲法則,自然聚焦,扇掃角度范圍縱波45°～60°,一發一收模式,全激發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部分探頭的晶片(16×2),采用深度聚焦FD10,目標檢查區域深度范圍0～15 mm,扇掃角度范圍縱波45°～60°,一發一收模式,全激發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探頭的全部晶片,采用深度聚焦FD35,目標檢查區域深度范圍15～50 mm,扇掃角度范圍縱波45°～60°,一發一收模式,全激發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: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域,并且部分檢查區域重合,能達到理想的聚焦檢查效果。

3.4 檢測能力仿真

實際焊接和無損檢測過程中發現,缺陷多為側壁未融合,裂紋、夾雜和氣孔等。按照ASME 規范第Ⅺ卷附錄Ⅷ中要求可知, 試塊的設計缺陷應為機械疲勞裂紋和穿晶應力腐蝕裂紋或熱疲勞裂紋,至少75%的裂紋應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并對該探頭和檢查工藝的檢測能力進行仿真評估。參考ASEM標準中筒體對接焊縫的缺陷尺寸測試標準,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的橫孔為基準靈敏度,橫孔深度為與裂紋深度相同。分別使用對應法則掃查對應深度的Φ4.8橫孔,仿真計算獲得A掃回波為100%滿屏時的幅值,并以此定義為探頭掃查時的0dB,制作DAC曲線。

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

表3 表面缺陷響應結果

表4 埋藏缺陷響應結果

圖10 表面缺陷響應仿真

圖11 埋藏缺陷響應仿真(深度65.5 mm)示意圖

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

4 仿真結果分析

聲場仿真和缺陷響應仿真的結果匯總如表5、6所列。

表5 聲場仿真結果匯總表

表6 缺陷響應仿真結果匯總表

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

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

在進行仿真計算時,未考慮工件表面的耦合狀況、工件的結構噪聲、工件表面粗糙度、楔塊磨損等因素的影響,且聲速測量結果存在一定誤差。因此,超聲仿真結果與實際檢測結果存在一定的誤差,但這不影響根據超聲仿真結果來優化超聲檢測工藝或設計超聲檢測工藝。

5 結 語

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