以增強檢測可靠性的核電站關鍵部件超聲仿真技術的研究及應用

1、技術研究總結(jié)報告一 項目背景核電以其清潔、經(jīng)濟、高效等特點，成為了中國解決能源問題的必由之路；國家2007年核電中長期發(fā)展規(guī)劃制訂了2020年前核電總裝機4000萬千瓦的目標，而目前已建成和在建的核電站已達到3600萬千瓦；新形勢下眾多核電站安全、可靠運行對核電站役前和在役檢查提出了更高的要求；作為核電站設備（尤其是關鍵設備）檢驗與監(jiān)控重要手段的超聲檢測，因其快捷、方便的特點越來越受到核電和無損檢測行業(yè)的重視；但從長期檢驗的實際效果來看，需要進一步增強超聲檢測的可靠度，從而提高實際缺陷判斷的準確性。因此，針對核電站關鍵部件的在役檢查實際，研究核電站設備超聲仿真技術成為了增強超聲檢測可靠性的一條

2、重要途徑。通過超聲仿真可以提高對超聲檢測過程的理解，有助于對檢測結(jié)果的分析和解釋；通過超聲仿真，可以依據(jù)被檢部件的特點對超聲檢測方法進行設計和優(yōu)化，從而確定某個檢測方法的適用性和局限性；通過超聲仿真，可以實現(xiàn)檢測人員在計算機上的訓練和評估，操作人員可根據(jù)在役檢查部件特點，通過實際超聲檢測儀器及樣本來評價自身的熟練程度，大大增強了檢測有效性，提高現(xiàn)場在役檢查時的檢測可靠性，縮短在役檢查時在核環(huán)境中的檢測時間，這也符合核電站輻射防護的ALARA原則。蘇州熱工研究院有限公司為了增強超聲檢測的可靠性，提高國內(nèi)核電設備安全、可靠運行的水平，聯(lián)合武漢大學，在中國廣東核電集團有限公司的大力支持，研究了“以增

3、強檢測可靠性的核電站關鍵部件超聲仿真技術的研究及應用”項目。通過對該項目的研究，建立了基于瑞利積分和Pencil法的聲場計算模型和基于Kirchhoff、GTD和Born近似理論的超聲場與缺陷相互作用理論模型；構(gòu)建了適用于核電站關鍵部件的超聲仿真環(huán)境，可以模擬核電站關鍵部件超聲檢測過程；對嶺澳二期核電站3號機組反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器超聲檢測進行了現(xiàn)有檢測工藝的可靠性分析，對嶺澳二期核電站3號機組主給水流量控制系統(tǒng)（ARE）與輔助給水系統(tǒng)（ASG）接管焊縫的超聲檢測工藝進行優(yōu)化，提高了超聲檢測的可靠性；將可靠性分析引入核電站在役檢查，基于統(tǒng)計理論建立了可靠性分析的數(shù)學模型，全面而系統(tǒng)的提出了

4、一套定量評定檢測結(jié)果、增強檢測可靠性的方法，并討論了該方法在現(xiàn)場檢測工藝定量評定及優(yōu)化，自動化檢測系統(tǒng)性能驗證及檢測人員技能鑒定等方面的應用。二 研究方法本項目的研究方法和技術路線為：1、對現(xiàn)有的國內(nèi)外超聲仿真技術進行調(diào)研，開展超聲波傳播規(guī)律研究，并建立超聲場計算模型、超聲場與缺陷相互作用理論模型；2、制作含預制缺陷的碳鋼、不銹鋼試板以及核電站關鍵部件的模擬體，并進行超聲仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比；3、建立核電站關鍵部件的CAD圖庫以及超聲檢查仿真動畫；4、建立針對核電站不同結(jié)構(gòu)部件的超聲仿真環(huán)境，模擬關鍵部件實際超聲檢測的過程；5、將超聲仿真平臺應用到核電站關鍵部件的實際檢測中，對現(xiàn)有檢測工藝

5、進行優(yōu)化；6、利用超聲仿真技術，對核電站關鍵部件的現(xiàn)有檢測工藝進行可靠性分析，進行自動超聲檢測可靠性分析及人員可靠性分析。三 研究內(nèi)容及結(jié)果本項目主要的研究內(nèi)容及結(jié)果有以下幾點：1、超聲仿真技術調(diào)研二十世紀八十年代以來，計算機技術在我國超聲檢測中得到了廣泛的應用，主要集中在超聲信號的采集、量化、處理以及超聲成像系統(tǒng)和自動超聲探傷系統(tǒng)的研制上。二十世紀九十年代以來浙江大學開發(fā)出了無損檢測工藝制定專家系統(tǒng)CAPPNDT，冶金部壓力容器檢測站研制了無損檢測專用軟件NDTS；但以超聲聲學理論和電磁理論為基礎的、基于半解析計算聲場模型的軟件建模技術研究和軟件開發(fā)中計算機仿真技術研究，國內(nèi)目前處于相對空白

6、，國內(nèi)在超聲波檢測過程模擬、軟件開發(fā)和仿真的研究基本沒有開展。相比于國內(nèi)，國外超聲仿真技術的發(fā)展則十分迅速，國外超聲檢測模擬和仿真的研究一方面集中在以解析方法為主開發(fā)工業(yè)應用的軟件系統(tǒng)，進行超聲波檢測工藝及可行性、可靠性分析，以降低檢測成本，提高效率；另一方面是采用數(shù)值方法進行模擬和仿真，針對現(xiàn)代工業(yè)廣泛使用的各向異性材料和特殊結(jié)構(gòu)件進行超聲檢測研究，以提高檢測精度，拓寬超聲波檢測的應用范圍。代表性的仿真軟件主要包括法國原子能委員會開發(fā)的CIVA、加拿大UTEX科學儀器公司開發(fā)的Imagine3D、瑞典無損檢測模擬中心開發(fā)的simSUNDT、美國電力研究院開發(fā)的Virtual NDE和美國愛荷

7、華州立大學開發(fā)的UTSIM等軟件。這些軟件采用了不同的計算模型，其應用范圍也不盡相同但各有特色，開發(fā)者們希望所開發(fā)的軟件能夠應用在盡可能多的工業(yè)環(huán)境中。針對核電站關鍵部件的在役檢查實際，通過仿真可以提高對超聲檢測過程的理解，有助于對檢測結(jié)果的分析和解釋。此外，仿真在核工業(yè)檢測中的一個重要應用是用于評價檢驗方法的能力驗證和資質(zhì)認證。操作人員可根據(jù)在役檢查部件特點，通過實際超聲檢測儀器及試樣來評價自身的熟練程度，大大增強了檢測有效性，提高現(xiàn)場在役檢查時的檢測可靠性，縮短在役檢查時在核環(huán)境中的檢測時間。經(jīng)過一年多的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前尚無此方向的研究開發(fā)，國外也只有少數(shù)研究機構(gòu)及學者對核電站主要系統(tǒng)超

8、聲仿真技術進行了研究，所以開展研究針對我國核電站特點的超聲仿真技術非常有必要。2、超聲場計算模型為了研究超聲場在工件中的傳播規(guī)律，本項目從超聲束從探頭發(fā)射和在工件中的傳播路徑出發(fā)，基于瑞利積分和Pencil法，建立聲場計算模型，模擬任意探頭在不同介質(zhì)中的發(fā)射聲場。 任意探頭發(fā)射的超聲聲束進入工件都會首先進入耦合介質(zhì)，然后穿過耦合介質(zhì)與工件的界面進入工件內(nèi)部。本項目建立了各個部分的聲場模型，以matlab為計算平臺，基于解析算法，將發(fā)射源離散后用計算機來求解發(fā)射聲場，并對不同情況分別進行編程。利用建立起來的聲場計算模型對各種核電站在役檢測常用探頭（如接觸式探頭、水浸聚焦探頭、雙晶探頭等）的發(fā)射聲

9、場進行計算，直接得到計算區(qū)域中任意點的相對聲壓值，并用顏色表示各點相對聲壓的大小，實現(xiàn)了各種探頭發(fā)射聲場的數(shù)字化和可視化。各種探頭的發(fā)射聲場見下列各圖：圖2.1 各向同性介質(zhì)中接觸式直探頭（中心頻率2MHz，晶片尺寸8×8mm）的發(fā)射聲場圖2.2 各向同性介質(zhì)中15°縱波斜探頭（中心頻率2MHz，晶片尺寸8×8mm）的發(fā)射聲場圖2.3 各向異性介質(zhì)中接觸式直探頭（中心頻率2MHz，晶片尺寸8×8mm）的發(fā)射聲場圖2.4 非聚焦的水浸探頭在耦合介質(zhì)中和工件中的縱波發(fā)射聲場圖2.5 雙晶探頭的發(fā)射聲場3、超聲場與缺陷相互作用理論模型在超聲仿真技術中對超聲場與

10、缺陷的相互作用進行模擬是最為關鍵的步驟。針對不同的缺陷類型，超聲仿真需要使用不同的模型理論。例如：使用基爾霍夫（Kirchhoff）近似理論可以模擬超聲場和裂紋、體積缺陷等類型缺陷的相互作用；使用幾何衍射理論（GTD）可以模擬超聲場和平直裂紋類缺陷的相互作用；使用波恩（Born）近似可以模擬超聲場和固體夾雜物類缺陷的相互作用。本項目根據(jù)缺陷類型分別研究了超聲場和各類缺陷的相互作用。3.1 基于基爾霍夫近似的缺陷回波模型Kirchhoff近似即是在粗糙表面上任意一點利用切平面代替曲面，并把求出的切平面上的總場代入遠場區(qū)散射場的積分表示式，從而求得散射場的一種方法。Kirchhoff近似法簡化了遠

11、場散射積分公式。基于Kirchhoff近似的缺陷回波模型的建立分三步進行：計算入射到缺陷的聲場；研究聲場與缺陷相互作用；計算缺陷回波。思路是由入射場的計算及聲場缺陷相互作用過程得到一個脈沖信號形式的聲場振幅項，然后將其與瞬時輸入信號做卷積即可得到探頭接收的缺陷回波信號，這可大大減少缺陷回波的計算量。通過matlab編程計算缺陷的回波信號，程序流程如圖3.1所示。首先將探頭表面與缺陷離散成微小單元，通過點源疊加的方法計算缺陷各點的聲場。應用基爾霍夫近似得到缺陷各點的散射場，疊加計算得到缺陷的回波信號。模型應用見圖3.2。圖3.1 基爾霍夫近似計算程序流程圖圖3.2 矩形缺陷和橫孔的缺陷響應3.2

12、 基于GTD理論的邊緣衍射模型幾何衍射理論GTD(Geometrical Theory of Diffraction)是幾何光學(GO)理論的延伸，幾何光學是利用經(jīng)典幾何光學中束(beam)的思想來解釋復雜介質(zhì)中的波動現(xiàn)象，因此GO適用于參數(shù)連續(xù)變換的介質(zhì)中場的計算，而對于參數(shù)非連續(xù)變換的介質(zhì)中的場無能為力。GTD能夠在解決非連續(xù)場的計算的同時，保留了GO的優(yōu)點束的思想。衍射聲場的角度引進GTD建立邊緣衍射模型，可以模擬聲束在邊緣上的衍射。GTD模型適用于平面，凸起和凹入的邊緣的衍射計算。用matlab進行編程，來實現(xiàn)模型的應用。由于，邊緣衍射的方向由入射聲束確定，所以對于任意兩點間的聲束路徑

13、為唯一或者不存在。對于不存在的聲束路徑，可以令其衍射系數(shù)為0；對于已知的聲束路徑可以計算得到入射角，衍射角等數(shù)據(jù)，進而計算得到該聲束的衍射系數(shù)。而對于聲束傳播過程中幅值衰減和相位變化可以根據(jù)聲場模型的理論進行計算。因此，可以得到任意兩點間的幅值和相位的關系。將探頭表面離散，對于探頭上的任意兩點(可以為同一點)間的發(fā)射信號與接受信號的關系可以由幅值與相位的變化計算得到。疊加探頭上所有離散點所發(fā)射的聲束在探頭上某一固定點的接收信號，即可得到探頭上某一點的接收信號。從而可以計算得到任意點的接收信號。程序流程圖見圖3.3。模型應用見圖3.4。圖3.3基于GTD計算主程序流程圖圖3.4 矩形缺陷響應3.

14、3 基于波恩近似理論的夾雜回波模型基于基爾霍夫近似和幾何衍射理論建立的聲場與缺陷相互作用模型都是基于高頻近似，適用于尺寸較大的體積型和面積型缺陷，而在工業(yè)檢測中常出現(xiàn)的尺寸小于1mm的夾雜用上述兩種方法處理誤差較大。引入基于低頻近似(ka<1，其中k為波矢，a為缺陷尺寸)的波恩(Born)近似理論來建立聲場與夾雜類缺陷相互作用模型。引入波恩近似理論，建立了超聲場與夾雜相互作用模型。此模型主要適用于夾雜類缺陷，考慮了夾雜和介質(zhì)的聲速及密度的變化。利用matlab編程，計算各種形狀(球形，圓柱形，橢球形)夾雜類缺陷回波，程序流程圖見圖3.5所示。模型應用見圖3.6所示。圖3.5 基于波恩近似

15、理論的計算程序流程圖 圖3.6 球形夾雜的缺陷響應4、超聲仿真與實驗試樣為了完成超聲檢測仿真過程的實驗驗證工作，制作了厚度范圍為1025mm的仿真用碳鋼試板共計31塊。試板成分為普通碳鋼。試塊焊接方法為手工電弧焊，焊條為鈦鈣型藥皮的碳鋼焊條。為了精確確定每個試板中缺陷的位置和大小，對試板進行了射線檢查和超聲檢查。研發(fā)、制作了20塊仿真實缺陷試板，其中含有10塊不銹鋼對接試板、8塊不銹鋼和碳鋼對接試板以及2塊碳鋼加堆焊層試板。每塊對接試板中加工4個缺陷，每塊堆焊層試板中加工9個缺陷。缺陷的類型為裂紋（包含不同位置、方向、長度）、未融合（坡口、層間）、夾渣，氣孔，涵蓋了核電站關鍵部件常見的缺陷。試

16、板制作過程中采用一種特殊的焊接工藝，可以有效地將不同性質(zhì)、形狀、尺寸的焊接缺陷導入焊縫的不同位置，并做到缺陷性質(zhì)和形狀不變，缺陷尺寸、位置受控，且缺陷長、寬、高三者精度可控。為確保缺陷設置的正確性，采用解剖檢驗和射線檢驗的方法，解剖檢驗時抽取不銹鋼對接試板SS316L2512中的一號缺陷焊縫中裂紋，共切片10塊。從解剖檢驗的結(jié)果來看，裂紋的長度缺陷長度位于18-20mm之間，小于要求偏差10%；缺陷高度平均值為4894.428m，偏差為-2%；兩項檢測結(jié)果均滿足要求。此外還制作了反應堆壓力容器主管道安全端焊縫試樣以及主給水流量控制系統(tǒng)（ARE）與輔助給水系統(tǒng)（ASG）接管焊縫試樣。5、超聲仿真

17、結(jié)果與實驗結(jié)果的對比使用八通道MIDAS超聲數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及45°橫波接觸探頭、70°縱波雙晶探頭、60°和70°橫波接觸探頭對不銹鋼試板、異種金屬焊縫試板和碳鋼試板進行了檢測，并利用仿真軟件進行了超聲仿真。各試板的實驗結(jié)果與超聲仿真結(jié)果的對比見下列各圖所示。圖5.1 不銹鋼試板SS3042001中1號缺陷實驗結(jié)果與超聲仿真結(jié)果對比圖5.2 異種金屬焊縫試板中4號缺陷碳鋼側(cè)檢查時實驗結(jié)果與超聲仿真結(jié)果對比圖5.3 異種金屬焊縫試板中4號缺陷不銹鋼側(cè)檢查時實驗結(jié)果與超聲仿真結(jié)果對比圖5.4 碳鋼試板25B中1號缺陷實驗結(jié)果與超聲仿真結(jié)果對比由圖可知，試板

18、中各缺陷使用不同種類探頭檢測時，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差均在±9dB之內(nèi)，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合，超聲仿真結(jié)果具有較高的可靠性。因此，可以利用超聲仿真軟件進行性能驗證，通過模擬計算確定某一檢測方法的性能，及其在工程實際中的實用性和可靠性；通過模擬仿真，設計和優(yōu)化檢測方法；進行“虛擬檢測”，為工件的早期設計提供幫助；幫助科研人員或者無損檢測人員分析實驗數(shù)據(jù)，從而提高缺陷的辨識、定位和定量分析。6、核電站關鍵部件的CAD圖庫針對核電站關鍵部件的結(jié)構(gòu)特點和核電站超聲檢查的實際情況，依據(jù)某核電站關鍵部件的尺寸圖紙，制作了核電站關鍵部件的CAD圖庫，具體包括反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓

19、器和波動管的兩維或三維模型，為超聲仿真工作的進一步開展打下了基礎。圖6.1 核電站反應堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器圖6.2 核電站穩(wěn)壓器和波動管7、反應堆壓力容器超聲檢查仿真動畫為了提高反應堆壓力容器超聲檢查的培訓效果，加深檢查人員對反應堆壓力容器超聲檢查過程的直觀認識以及增強反應堆壓力容器超聲檢查的可靠性，項目組針對某核電站反應堆壓力容器TIME機超聲檢查，使用3D MAX軟件（9.0版）制作了仿真動畫。下圖為動畫的一個截圖。圖7.1 法蘭聯(lián)系帶掃查8、核電站關鍵部件超聲檢測仿真項目組利用仿真軟件對某核電站反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器現(xiàn)有的超聲檢測工藝進行了仿真研究，這對提高核電站關鍵部件現(xiàn)場檢測可

20、靠性具有非常重要的意義。8.1 反應堆壓力容器超聲檢測仿真該核電站反應堆壓力容器的基體材料為16MND5低合金鍛鋼，其為各向同性材料，縱波聲速為5900m/s，橫波聲速為3230m/s；堆焊層材料為304L不銹鋼，仿真時近似為各向同性材料，其縱波聲速為5745m/s，橫波聲速為3192m/s。超聲仿真時，均不考慮材料衰減和噪聲的影響。該核電站反應堆壓力容器的超聲檢查對象見圖8.1。圖8.1 反應堆壓力容器檢查區(qū)域要求由于在核電站關鍵部件中，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，如：在對筒體及堆芯區(qū)域進

21、行仿真時，裂紋埋藏的位置為堆焊層下和工件壁厚中部；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處距工件掃查面60mm深的位置，即第十扣螺紋處。使用矩形缺陷（Rectangular defect）來模擬裂紋，缺陷尺寸為10mm×10mm，考慮不同角度的缺陷，如：0°、10°、20°、30°、45°和90°等。對于筒體及堆芯區(qū)域，使用45°橫波、55°橫波和0°縱波接觸探頭檢查時，分別以其檢測70mm深2橫通孔所獲得的A掃最

22、高值為100滿屏作為參考值，將其仿真計算得到的最高幅值分別作為探頭掃查時的0dB；使用70°縱波、0°縱波雙晶探頭掃查時，分別以其檢測10mm深2橫通孔所獲得的A掃最高值為100滿屏作為參考值，將其仿真計算得到的最高幅值分別作為探頭掃查時的0dB。以法蘭-筒體焊縫的仿真結(jié)果為例，使用45°橫波、55°橫波和0°縱波接觸式探頭進行檢測時，各個缺陷響應的最高幅值如圖8.2所示；使用70°縱波、0°縱波雙晶探頭進行檢測時，各個缺陷響應的最高幅值如圖8.3所示。圖8.2 法蘭-筒體焊縫接觸探頭檢查時的缺陷響應幅值圖8.3 法蘭-筒體

23、焊縫雙晶探頭檢查時的缺陷響應幅值由圖8.2可知，45°橫波接觸探頭對與工件表面法線成45°夾角的缺陷最為敏感；55°橫波接觸探頭對30°缺陷最為敏感；0°縱波接觸探頭對90°缺陷最為敏感。因此，在實際檢測時，為了避免不同方向缺陷的漏檢，需要使用各種不同角度的探頭進行檢查。由圖8.3可知，0°縱波雙晶探頭對90°缺陷最為敏感，而70°縱波雙晶探頭對20°缺陷最為敏感。因此，0°縱波雙晶探頭主要用于檢測堆焊層下的未熔合、分層等，而70°縱波雙晶探頭主要用于檢測堆焊層下與工件表面成

24、一定角度的裂紋。對于接管-筒體焊縫，使用45°橫波、35°橫波、0°縱波以及5°縱波接觸式探頭檢查時，分別以其檢測焊縫熔合線處2橫通孔所獲得的A掃最高值為100滿屏作為參考值，將其仿真計算得到的最高幅值分別作為探頭掃查時的0dB。以出口接管-筒體焊縫仿真結(jié)果為例，使用45°橫波、35°橫波、0°縱波和5°縱波接觸探頭進行檢測時，各個缺陷響應的最高幅值如圖8.4、圖8.5所示。 圖8.4 0°剖面缺陷響應幅值 圖8.5 90°剖面缺陷響應幅值由圖可知，45°橫波、35°橫波接觸

25、式探頭對與筒體內(nèi)表面法線成30°夾角的缺陷最為敏感；0°縱波、5°縱波接觸探頭對0°缺陷最為敏感。由于進口接管內(nèi)壁有一個坡度為6°的錐面，故5°縱波接觸探頭發(fā)射聲束方向與0°缺陷方向接近于垂直，此時缺陷響應最大。因此，對于進口接管-筒體焊縫中與焊縫熔合線平行的缺陷，5°縱波接觸探頭的檢查效果最好。而出口接管-內(nèi)壁為一個圓柱面，0°縱波接觸式探頭發(fā)射聲束方向與0°缺陷方向垂直，此時缺陷響應最大。因此，對于出口接管-筒體焊縫中與焊縫熔合線平行的缺陷，0°縱波接觸探頭的檢查效果最好。根據(jù)仿真

26、結(jié)果還可知，對于進口接管-筒體焊縫0°剖面，45°橫波、35°橫波接觸探頭不能掃查到整個焊縫，在靠近筒體外側(cè)的焊縫處存在一個較小的不可達區(qū)；0°縱波、5°縱波接觸式探頭可掃查到整個焊縫。對于進口接管-筒體焊縫90°剖面，45°橫波、35°橫波接觸式探頭不能掃查到整個焊縫，在靠近筒體外側(cè)的焊縫處存在一個較小的不可達區(qū)；0°縱波、5°縱波接觸式探頭也不能掃查到整個焊縫，其在靠近筒體內(nèi)側(cè)的焊縫處存在一個較大的不可達區(qū)。對于出口接管-筒體焊縫0°剖面，45°橫波、35°橫波

27、接觸探頭不能掃查到整個焊縫，在靠近筒體外側(cè)的焊縫處存在一個較小的不可達區(qū)；0°縱波、5°縱波接觸探頭可掃查到整個焊縫。對于出口接管-筒體焊縫90°剖面，45°橫波、35°橫波接觸式探頭不能掃查到整個焊縫，在靠近筒體外側(cè)的焊縫處存在一個較小的不可達區(qū)；0°縱波、5°縱波接觸探頭也不能掃查到整個焊縫，其在靠近筒體內(nèi)側(cè)的焊縫處存在一個較小的不可達區(qū)。但四種探頭相互匹配，對于進口接管-筒體焊縫及出口接管-筒體焊縫，其檢查范圍均可以覆蓋整個焊縫。對于法蘭聯(lián)系帶，使用0°縱波、45°橫波水浸探頭檢查時，分別以其檢測7

28、0mm深2橫通孔所獲得的A掃最高值為100滿屏作為參考值，將其仿真計算得到的最高幅值分別作為探頭掃查時的0dB。各種探頭的缺陷響應幅值見圖8.6、圖8.7。由圖8.6、圖8.7可知，使用0°縱波水浸探頭從法蘭上表面對法蘭聯(lián)系帶進行檢查時，其對與法蘭上表面法線成90°夾角的缺陷最為敏感，此時探頭發(fā)射的聲束軸線與缺陷方向垂直；使用45°橫波水浸探頭從筒體側(cè)對法蘭聯(lián)系帶進行檢查時，其對與筒體內(nèi)表面法線成45°夾角的缺陷最為敏感，此時探頭發(fā)射的聲束軸線與缺陷方向垂直。圖8.6 法蘭聯(lián)系帶0°縱波水浸探頭檢查時的缺陷響應幅值圖8.7 法蘭聯(lián)系帶45

29、76;橫波水浸探頭檢查時的缺陷響應幅值對于法蘭面上的螺栓孔螺紋，使用15°縱波水浸探頭檢查時，以其檢測60mm深2橫通孔所獲得的A掃最高值為100滿屏作為參考值，將其仿真計算得到的最高幅值作為探頭掃查時的0dB。使用15°縱波水浸探頭檢查時的缺陷響應幅值見圖8.8。由圖8.8可知，使用15°縱波水浸探頭從法蘭上表面對螺栓孔螺紋進行檢查時，其對與法蘭上表面法線成75°夾角的缺陷最為敏感，此時探頭發(fā)射的聲束軸線與缺陷方向垂直。圖8.8 螺栓孔螺紋15°縱波水浸探頭檢查時的缺陷響應幅值8.2 蒸汽發(fā)生器超聲檢測仿真某核電站蒸汽發(fā)生器管板、下封頭、人孔

30、法蘭螺栓孔間聯(lián)系帶的基體材料為18MND5低合金鍛鋼，其為各向同性材料，其縱波聲速為5900m/s，橫波聲速為3230m/s；管板下表面堆焊層材料為Inconel690，為各向同性材料，其縱波聲速為5630m/s，橫波聲速為2960m/s；下封頭內(nèi)表面堆焊層為304L不銹鋼，仿真時近似為各向同性材料，其縱波聲速為5650m/s，橫波聲速為3060m/s。超聲仿真時，均不考慮材料衰減和噪聲的影響。圖8.9 蒸汽發(fā)生器檢查范圍示意圖該核電站蒸汽發(fā)生器的檢查對象見圖8.9所示。本階段工作中，對蒸汽發(fā)生器管板下封頭焊縫、人孔法蘭螺栓孔間聯(lián)系帶的超聲檢測進行了仿真計算。所用探頭為0°縱波、45

31、°橫波、60°橫波探頭，頻率為15MHz，晶片為圓形或矩形，直徑為1030mm，矩形晶片長寬之比小于或等于1.5。由于在核電站關鍵部件中，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，故仿真時重點考慮的缺陷類型為裂紋。使用矩形缺陷來模擬裂紋，缺陷尺寸為10mm×10mm，并考慮了不同深度及不同方向的缺陷。對于管板下封頭焊縫，使用0°縱波、45°橫波、60°橫波探頭檢查時，分別以其檢測70mm深2橫通孔所獲得的A掃最高值為100滿屏作為參考值，將其仿真計算得到的最高幅值分別作為探頭掃查時的0dB，則各種缺陷響應的最高幅值見圖8.1

32、0和圖8.11所示。圖8.10 管板下封頭焊縫檢查時不同角度的缺陷響應幅值圖8.11 管板下封頭焊縫檢查時不同深度的缺陷響應幅值由圖可知，0°縱波接觸探頭對與掃查表面法線成90°夾角的缺陷最為敏感；45°橫波接觸探頭對45°缺陷最為敏感；60°橫波接觸探頭對30°缺陷最為敏感。因此，在實際檢測時，為了避免不同方向缺陷的漏檢，需要使用各種不同角度的探頭進行檢查。由于仿真時假設缺陷為平面缺陷，缺陷取向單一，但實際缺陷多為曲面缺陷，缺陷取向極為復雜，因此仿真計算得到的結(jié)果為：缺陷角度變化時，缺陷幅值響應變化較為劇烈，但實際情況比仿真結(jié)果更為

33、復雜。此外，0°縱波探頭檢查時，距掃查表面50mm深的缺陷響應最大；45°橫波探頭檢查時，50mm深的缺陷響應最大；60°橫波探頭檢查時，30mm深的缺陷響應最大。由此可見，并非缺陷距掃查表面深度越淺幅值越大，缺陷響應大小是由探頭發(fā)射的聲場決定的；對于相同方向的缺陷，位于探頭發(fā)射聲場聲壓極大值點附近的缺陷，其缺陷響應最大。對于人孔法蘭螺栓孔間聯(lián)系帶，使用0°縱波探頭檢查時，以其檢測40mm深2橫通孔所獲得的A掃最高值為100滿屏作為參考值，將其仿真計算得到的最高幅值作為探頭掃查時的0dB，則各種缺陷響應的最高幅值見圖8.12和圖8.13所示。圖8.12

34、與掃查表面法線成不同夾角的缺陷響應幅值圖8.13 距掃查表面不同深度的缺陷響應幅值由圖可知，使用0°縱波接觸式探頭進行檢查時，距掃查表面40mm深，與掃查表面法線成不同夾角的缺陷中，90°缺陷的回波幅值最大，此時，超聲探頭發(fā)射的聲束方向與缺陷方向垂直；與掃查表面法線成90°夾角，距掃查表面不同深度的缺陷中，40mm深缺陷的回波幅值最大，與聲場計算結(jié)果（聲壓極大值點距掃查表面深度為35mm）相符。由于在進行仿真計算時，未考慮下列因素的影響：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，且聲速測量結(jié)果存在一定誤差，因此，超聲仿真結(jié)果與實際檢測結(jié)果存在

35、一定的誤差，但這不影響我們根據(jù)超聲仿真結(jié)果來優(yōu)化超聲檢測工藝或設計超聲檢測工藝。9、ARE-ASG管座焊縫超聲檢驗可達性研究壓水堆核電站蒸汽發(fā)生器中主給水流量控制系統(tǒng)（ARE）與輔助給水系統(tǒng)（ASG）是關系核電站安全的關鍵部件，對蒸汽發(fā)生器設備的安全可靠運行有重要影響。主給水流量控制系統(tǒng)（ARE）和輔助給水系統(tǒng)（ASG）之間的焊縫為非插入式結(jié)構(gòu)角焊縫。按照RCC-M 壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則MC2600卷全焊透焊縫超聲波檢驗的要求，非插入式結(jié)構(gòu)角焊縫的檢驗如圖9.1所示，從7個方向（1和3方向從ASG管道外側(cè)進行，2、4、5、6和7方向從ARE和ASG管道內(nèi)側(cè)進行）檢驗。因為ARE和A

36、SG管道內(nèi)側(cè)不可達，沿內(nèi)側(cè)的檢驗應由外側(cè)的一次反射法的取代。由于該焊縫結(jié)構(gòu)復雜，為了研究檢驗的可達性，利用仿真對該焊縫的檢驗進行了研究。圖9.1 非插入式結(jié)構(gòu)角焊縫的檢驗要求依據(jù)仿真軟件的計算要求，根據(jù)部件規(guī)格，焊縫尺寸，利用Pro/E軟件構(gòu)建了ARE-ASG管座焊縫三維圖；針對受檢部件，確定了焊縫相對于ARE-ASG管嘴0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等7個方向上的截面尺寸。利用仿真軟件，對ARE-ASG管座焊縫的7個界面分別從ARE側(cè)和ASG側(cè)進行仿真計算，計算中使用的是45°（2MHz）和

37、60°（2MHz）探頭。此外，對ARE-ASG接管模擬體進行了超聲仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的對比。以45°探頭及0°截面為例，說明ARE-ASG管座焊縫超聲檢驗可達性的研究方法。圖9.2 從ARE側(cè)掃查時45°探頭在0°截面上的聲束傳播如上圖所示，45°探頭在0°截面上的不可達區(qū)域為ABCDO和EFGH兩個區(qū)域，若以圖中O點為原點，垂直向上為X軸正向，水平向右為Y軸正向，則A-H點的坐標見表9.1。表9.1 45°探頭在0°截面上不可達區(qū)域的坐標坐標系中的點坐標（x,y）A(2.5,0)B(25,1.5)C(5

38、.37,3.91)D(0,8.49)E(23.33,19)F(36.95,30.42)G(17.32,30.42)H(6.08,34.67)利用各點的坐標值，可以得到不可達區(qū)域占整個0°截面的百分比為31.14%。圖9.3 從ASG側(cè)掃查時45°探頭在0°截面上的聲束傳播從上述結(jié)果可知，采用45°探頭從ASG一側(cè)進行檢查時，不存在不可達區(qū)域。通過本部分內(nèi)容的研究，可得到以下結(jié)論：45°和60°探頭從ARE側(cè)檢查時存在一定的不可達區(qū)，而從ASG側(cè)檢查時不存在不可達區(qū)域；ARE-ASG管座理論計算和實驗結(jié)果之間存在一定偏差，但兩者整體吻合

39、較好；通過對ARE-ASG管座焊縫的可達性分析和性能驗證，將其檢測工藝確定為從ARE側(cè)和ASG側(cè)檢查能夠有效降低不可達區(qū)域，并增強了檢測的可靠性。10、核電站在役檢查可靠性分析方法的研究與應用本部分研究將可靠性分析引入核電站在役檢查，基于統(tǒng)計理論建立了可靠性分析的數(shù)學模型，全面而系統(tǒng)的提出了一套定量評定檢測結(jié)果、增強檢測可靠性的方法，主要進行了以下三個方面的研究：（1）現(xiàn)場檢測工藝的可靠性評定及優(yōu)化；研究適用于現(xiàn)場檢測工藝可靠性評定和優(yōu)化的方法；分析不同物理參數(shù)對檢測可靠性的影響，重點考慮復雜工件結(jié)構(gòu)、缺陷尺寸和偏轉(zhuǎn)角度、探頭參數(shù)及組合方式等因素。將超聲檢測數(shù)值模擬與可靠性概率統(tǒng)計模型結(jié)合，以

40、現(xiàn)場工藝參數(shù)作為輸入，模擬計算不同缺陷參數(shù)下的缺陷信號響應，并帶入可靠性概統(tǒng)計模型，計算得到檢出率(POD)隨著缺陷參數(shù)變化曲線及其95%置信下限，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場檢測工藝的定量評價。通過不同檢測工藝POD曲線的對比，實現(xiàn)檢測工藝的優(yōu)化選擇。（2）自動化檢測系統(tǒng)性能驗證；研究自動化檢測系統(tǒng)可靠性定量評估方法；分析在不同材質(zhì)、探頭規(guī)格和缺陷尺寸條件下的系統(tǒng)的檢測性能差異。選擇常規(guī)橫波探頭及雙晶縱波探頭，進行碳鋼及不銹鋼對接焊縫試板的自動化超聲檢測實驗，計算出各種檢測條件下的POD、PFA、POS、ROC，實現(xiàn)自動化檢測系統(tǒng)性能的定量評價。（3）人員技能鑒定。研究人員可靠性評定及考核方法，分析人員因

41、素對檢測結(jié)果的影響。組織人員進行超聲檢測培訓，以ASME等相關標準的要求及評分準則為依據(jù)，進行人員考核；以培訓考試記錄作為數(shù)據(jù)源，計算不同人員的POD、PFA、POS、ROC，定量評定人員的檢測技能水平。通過以上內(nèi)容的研究，得到了如下結(jié)論：（1）提出了基于超聲檢測數(shù)值模型和累積正態(tài)分布模型進行現(xiàn)場工藝評定的方法，并以法蘭筒體焊縫檢測工藝的評定和ARE-ASG管座角焊縫工藝優(yōu)化為例，介紹了該方法的應用：現(xiàn)有法蘭筒體焊縫檢測工藝的為3.52mm，即在95%置信度下，尺寸為3.52mm的缺陷的檢出率為90%，缺陷偏轉(zhuǎn)角度位于23.5°到57.5°及76.5°到90

42、76;范圍時，缺陷檢出率達到90%；ARE-ASG最優(yōu)檢測工藝為使用相控陣探頭分別從ARE和ASG進行掃查，若考慮檢測成本和效率等因素，可選擇45°和60°探頭進行檢測，其中45°探頭從ARE側(cè)掃查，60°探頭從ASG側(cè)掃查；盡管超聲仿真結(jié)果與實際檢測過程有一定的差別，但是其可靠性評定結(jié)果仍然可以作為現(xiàn)場檢測工藝設計的參考。（2）提出基于Bootstrap重抽樣技術和累積正態(tài)分布模型進行自動超聲檢測的檢出率和定量準確率計算與分析的方法，對于本課題實驗所用不銹鋼試板的超聲檢側(cè)：當缺陷寬度為5mm時，根部開口裂紋、坡口裂紋、坡口未熔合和焊縫裂紋的檢出率分別為

43、100%、95.25%、88.73%和85.53%；對于焊縫裂紋和層間未熔合，從碳鋼側(cè)和從不銹鋼側(cè)檢測的檢出率分別為88.78%、79.18%、60.1%和40.7%；當缺陷寬度為4.5mm時，08-44、2701249、2804147和09-44等4種探頭的檢出率分別為95.96%、89.62%、83.18%和76.75%；08-44、2701249、2804147和09-44探頭定量準確率為90%時，所對應的缺陷長度分別為24.5mm、35mm、36mm和39mm。（3）提出基于Log-odds模型、ROC方法和累積正態(tài)分布模型進行人員可靠性分析的方法，并對受訓人員進行考核評分：當缺陷尺寸大于66mm時，受訓者檢出率達到50%，當缺陷尺寸為40mm時，較高水平人員檢出率達到80%；手工超聲檢測存在較大的隨機性，對于相同的缺陷，不同檢測人員進行檢測時得到的結(jié)果相差較大；較高水平人員和受訓者定量準確率達到100%所對應的缺陷尺寸分別為16.5mm和116mm，值分別為14.7mm和70.1mm；此次考試結(jié)果為：25名受訓者，“合格”以上共24人，其中獲得“優(yōu)