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，其革命性地采用了非能動的安全系統(tǒng)，使得安全性大大提高。AP1000主管道為核一級設備，是一回路反應堆冷卻劑系統(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鍵路徑，焊接質量直接影響核電機組的安全運行。在利用超聲對AP1000主管道焊縫進行無損檢測時，由于其粗大柱狀晶組織晶粒取向復雜且具有彈性各向異性特征，導致結構噪聲嚴重，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，建立了焊縫檢測數學模型，并結合時域有限差分法，對模型進行了仿真計算，在實驗驗證其有效性的基礎上，探討了彈性各向異性材料對超聲傳播的影響，進行了焊縫缺陷檢測的仿真研究，并利用信號處理手段提高了超聲成像質量和缺陷檢測能力，主要研究內容如下:
　　(1)在了解超聲波在彈性各向異性焊縫中聲束偏移及結構噪聲產生機理的基礎上，對AP1000主管道焊縫試塊進行金相組織觀察和聲學參量測量。研究發(fā)現，焊縫晶粒結構為粗大柱狀晶，

3、母材為均勻細小的等軸晶。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。由聲學參量測量發(fā)現，隨著檢測頻率增大，結構噪聲和主頻偏移現象加重，2.25 MHz標稱頻率下實驗測得焊縫區(qū)域聲速波動、聲衰減系數以及底波信噪比分別為2.8％、0.082 dB/mm和13.8 dB;
　　(2)根據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型，并利用Bond變換對晶粒彈性特征進行了賦值，建立了

4、各向異性的二維焊縫FDTD超聲仿真模型，仿真計算得到了與實際檢測更為接近的時域波形和超聲B掃描圖像。由計算結果可知，模型仿真計算所得的底波信噪比與實驗差值為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(Synthetic Aperture Focusing Tec

5、hnology，SAFT)，利用所建模型對焊縫中典型體積型和面積型缺陷的檢測進行了仿真研究，并與常規(guī)超聲B掃描以及傳統(tǒng)SAFT技術成像結果進行了對比。結果表明，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對于焊縫中深度為50mm，Φ2 mm氣孔的陣列性能指數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