核電站鋼制安全殼焊縫超聲波相控陣檢測CIVA聲場仿真

國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司 嚴(yán)小波 薛曉鵬

核反應(yīng)堆鋼制安全殼是防止放射性物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境的一道屏障，對(duì)核電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要。安全殼焊縫表面存在余高，無法打磨平整。受檢測時(shí)間的影響，并結(jié)合超聲波相控陣檢測的優(yōu)越性，特采用超聲波相控陣檢測。本文主要通過檢測工藝的聲場仿真，提前驗(yàn)證鋼制安全殼焊縫超聲波相控陣檢測所選的檢驗(yàn)探頭、檢驗(yàn)參數(shù)的適用性，并獲得優(yōu)化的檢驗(yàn)探頭和工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，以確定影響檢測結(jié)果的設(shè)備及探頭的關(guān)鍵參數(shù)。

1 試驗(yàn)相關(guān)

本仿真的對(duì)象主要為用于鋼制安全殼對(duì)接焊縫的相控陣檢驗(yàn)探頭和相關(guān)的檢測工藝。相控陣檢驗(yàn)探頭聲場仿真通過CIVA仿真軟件對(duì)不同類型探頭超聲聲場特征進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定超聲聲場覆蓋范圍及各類型檢驗(yàn)探頭的基本參數(shù)，通過軟件缺陷響應(yīng)計(jì)算確定檢驗(yàn)工藝的有效性，初步確定設(shè)備和檢驗(yàn)探頭型號(hào)。試驗(yàn)研究關(guān)鍵因素：焊縫檢測時(shí)的檢驗(yàn)效率、近場區(qū)對(duì)焊縫探頭選型的影響、檢驗(yàn)區(qū)域的覆蓋要求。

仿真試驗(yàn)的主要硬件設(shè)備包括：基于WINDOWS10 64位操作系統(tǒng)平臺(tái)的PC機(jī)和CIVA軟件專用密匙，奧林巴斯OMINISCAN MX2或ZETEC Danaray檢驗(yàn)系統(tǒng)。仿真試驗(yàn)的所采用的仿真軟件為CIVA仿真軟件，版本為10.1。該軟件是由法國原子能委員會(huì)（CEA）研發(fā)的一款專業(yè)無損檢驗(yàn)仿真軟件。

2 研究方案及結(jié)果

2.1 檢驗(yàn)區(qū)域覆蓋

鋼制安全殼對(duì)接焊縫的檢驗(yàn)區(qū)域是焊縫本身加上焊縫熔合線兩側(cè)各10mm，焊縫檢驗(yàn)區(qū)域厚度應(yīng)為工件厚度加上焊縫余高，厚度范圍為45mm～55mm。本次計(jì)算檢測區(qū)域主要是針對(duì)余高不去除時(shí)的單面雙側(cè)掃查，相控陣探頭采用直射波和一次反射波進(jìn)行檢驗(yàn)。因此選擇了最大厚度為55mm的焊縫進(jìn)行計(jì)算。

2.2 相控陣檢驗(yàn)區(qū)域計(jì)算結(jié)果

采用一維線性陣列相控陣探頭，扇掃角度為30～85°時(shí)的相控陣檢驗(yàn)覆蓋深度范圍（mm）為：直射波入射的探頭前端位置與覆蓋深度分別為0/3～55、20/9～55、40/17～55；一次反射波入射的探頭前端位置與覆蓋深度分別為40/部分0～55、≥58/0～55、80/0～55。由此可知，當(dāng)相控陣探頭楔塊前端頂著焊縫邊緣（位置為0）時(shí)，相控陣探頭覆蓋檢驗(yàn)區(qū)域厚度范圍為3～55mm；當(dāng)探頭前端距離焊縫邊緣大于等于58mm（位置為58mm時(shí)），相控陣探頭的一次反射波能100%覆蓋焊縫檢驗(yàn)區(qū)域；根據(jù)相控陣探頭的聲束覆蓋仿真可以得出，相控陣初始掃查時(shí)（缺陷檢出），探頭只需要放在2個(gè)位置就可100%覆蓋檢驗(yàn)區(qū)，即探頭前端距焊縫邊緣0mm～20mm和58mm～80mm。

圖1 焊縫檢驗(yàn)區(qū)域示意圖

圖2 相控陣探頭參數(shù)示意圖

2.3 相控陣探頭聲場仿真

主要從檢驗(yàn)探頭波形選擇、晶片尺寸、探頭中心頻率、帶寬、相控陣探頭晶片排布方式及尺寸間距、孔徑大小等參數(shù)進(jìn)行模擬，并仿真計(jì)算檢驗(yàn)探頭實(shí)際聲場，聲束截面寬度，聚焦、分辨力等特性以初步確定相控陣檢驗(yàn)探頭的初步設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次參與仿真的相控陣探頭詳見表1和圖2，圖2中頻率f、晶片數(shù)量n、晶片陣列方向孔徑A、晶片加工方向?qū)挾萕、單個(gè)晶片寬度e、兩個(gè)晶片中心之間的間距p、相控陣探頭孔徑A。

表1 一維線陣相控陣探頭仿真參數(shù)

2.3.1 相控陣超聲在被測工件中產(chǎn)生的聲場分布及特點(diǎn)總結(jié)

相控陣探頭雖然具有聚焦性，但同樣存在近場區(qū)域?？讖胶吞筋^頻率不變時(shí)，晶片數(shù)量對(duì)聲場影響不大，聲場能量大小與探頭頻率和孔徑有關(guān)，頻率越高、孔徑越大聲場能力越大。

圖3 聲場聚焦仿真結(jié)果

2.3.2 相控陣超聲聚焦聲場仿真結(jié)果比較

不同孔徑及晶片數(shù)量探頭聚焦效果。相控陣探頭聲束截面尺寸與焦距有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，焦距越大聲束截面尺寸越小、能量更集中、聲束衰減越小，但相控陣探頭的實(shí)際焦距并不是無限大的，例如5MHz16晶片，0.53×10，孔徑10，焦距最大為23mm；5MHz32晶片，0.5×10，孔徑16，探頭焦距最大為49mm；軟件模擬結(jié)果如圖3所示，得出結(jié)論：激發(fā)探頭晶片數(shù)量越多、晶片寬度越大聚焦效果越好，但柵瓣和旁瓣反而增多。焦點(diǎn)離探頭越遠(yuǎn)，孔徑變大、聚焦效果變差，同時(shí)柵瓣和旁瓣干擾更加明顯。

2.3.3 相控陣探頭的檢驗(yàn)分辨力

仿真結(jié)果如下：反射體埋深55mm時(shí)，16晶片和32晶片的相控陣探頭對(duì)于深度方向相鄰距離（間距）為0mm的Φ1橫孔能較好的區(qū)分，但上下端點(diǎn)信號(hào)不明顯。對(duì)于深度方向間距≥1mm以上的Φ1橫孔，探頭能明顯區(qū)分且具有獨(dú)立的上下端點(diǎn)；反射體埋深110mm時(shí)，16晶片和32晶片的相控陣探頭對(duì)于深度方向相鄰距離（間距）≥1mm以上的Φ1橫孔，探頭能明顯區(qū)分且具有獨(dú)立的上下端點(diǎn)；16晶片和32晶片的相控陣探頭，缺陷埋深為55mm時(shí)（模擬直射波缺陷最深位置），能明顯分辨出平移方向間距≥7mm的Φ2球孔，且左右端點(diǎn)信號(hào)明顯；缺陷埋深為110mm時(shí)（模擬一次反射波缺陷最深位置），能明顯分辨出平移方向間距≥11mm的Φ2球孔，且左右端點(diǎn)信號(hào)明顯。

由以上結(jié)果可見，相控陣探頭的聲束能量比較大，橫向檢驗(yàn)分辨力扇掃模式下相比下降。用于鋼制安全殼焊縫檢測時(shí)，深度方向倆相鄰缺陷最小分辨距離為1.0mm，平移方向倆相鄰缺陷最小分辨距離為7.0mm，遠(yuǎn)小于19mm。探頭的測高和測長性能滿足檢驗(yàn)要求。

3 結(jié)語

通過CIVA聲場仿真模擬結(jié)果得出結(jié)論：對(duì)于鋼制安全殼對(duì)接焊縫（T=52mm）檢測，從單面采用直射波（厚度為52mm）和一次反射波掃查（總厚度為104mm），建議采用5MHz、陣元為32晶片、孔徑為16mm的相控陣探頭，楔塊主聲束角度為橫波55°。