AP1000主管道奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測建模仿真研究.pdf

1、AP1000屬于壓水堆三代核電技術(shù)，其革命性地采用了非能動(dòng)的安全系統(tǒng)，使得安全性大大提高。AP1000主管道為核一級(jí)設(shè)備，是一回路反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力邊界的重要組成部分。主管道焊接是核電站建造施工的關(guān)鍵路徑，焊接質(zhì)量直接影響核電機(jī)組的安全運(yùn)行。在利用超聲對(duì)AP1000主管道焊縫進(jìn)行無損檢測時(shí)，由于其粗大柱狀晶組織晶粒取向復(fù)雜且具有彈性各向異性特征，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)噪聲嚴(yán)重，降低了檢測分辨力和信噪比。為解決上述問題，本文基于AP1000主管道奧氏

2、體不銹鋼焊縫組織特征，建立了焊縫檢測數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合時(shí)域有限差分法，對(duì)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性的基礎(chǔ)上，探討了彈性各向異性材料對(duì)超聲傳播的影響，進(jìn)行了焊縫缺陷檢測的仿真研究，并利用信號(hào)處理手段提高了超聲成像質(zhì)量和缺陷檢測能力，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)在了解超聲波在彈性各向異性焊縫中聲束偏移及結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)AP1000主管道焊縫試塊進(jìn)行金相組織觀察和聲學(xué)參量測量。研究發(fā)現(xiàn)，焊縫晶粒結(jié)構(gòu)為粗大柱狀晶，

3、母材為均勻細(xì)小的等軸晶。焊縫區(qū)域組織為奧氏體柱狀晶加δ鐵素體，不同區(qū)域柱狀晶組織取向分布存在差異。由聲學(xué)參量測量發(fā)現(xiàn)，隨著檢測頻率增大，結(jié)構(gòu)噪聲和主頻偏移現(xiàn)象加重，2.25 MHz標(biāo)稱頻率下實(shí)驗(yàn)測得焊縫區(qū)域聲速波動(dòng)、聲衰減系數(shù)以及底波信噪比分別為2.8％、0.082 dB/mm和13.8 dB;
　　(2)根據(jù)AP1000主管道奧氏體不銹鋼焊縫的晶粒取向分布特征建立了焊縫幾何構(gòu)型，并利用Bond變換對(duì)晶粒彈性特征進(jìn)行了賦值，建立了

4、各向異性的二維焊縫FDTD超聲仿真模型，仿真計(jì)算得到了與實(shí)際檢測更為接近的時(shí)域波形和超聲B掃描圖像。由計(jì)算結(jié)果可知，模型仿真計(jì)算所得的底波信噪比與實(shí)驗(yàn)差值為3.0 dB，噪聲水平相近，縱波聲速差值為50.2 m/s，相差0.88％，衰減系數(shù)差值為0.004 dB/mm，相差4.9％，主頻差值為0.04 MHz，相差1.8％;
　　(3)研究了一種斜入射合成孔徑聚焦技術(shù)(Synthetic Aperture Focusing Tec

5、hnology，SAFT)，利用所建模型對(duì)焊縫中典型體積型和面積型缺陷的檢測進(jìn)行了仿真研究，并與常規(guī)超聲B掃描以及傳統(tǒng)SAFT技術(shù)成像結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，斜入射提高了缺陷檢測分辨力和信噪比。相比于傳統(tǒng)直入射SAFT，斜入射SAFT對(duì)于焊縫中深度為50mm，Φ2 mm氣孔的陣列性能指數(shù)API(Array Performance Indicator，API)減小了1.27，分辨力提高了46.9％，檢測信噪比SNR(Signal Noi