厚壁CASS超聲檢測建模和PCI降噪算法研究.pdf

1、鑄造奧氏體不銹鋼(Cast Austenitic Stainless Steel，CASS)以其良好的斷裂韌性、耐腐蝕性和焊接性，被用作壓水堆核電站一回路壁厚66～96 mm主管道建造材料。核動力裝置的檢驗規(guī)范中，對CASS管道加工質(zhì)量及服役期間狀況提出無損檢測的強制性要求。目前，現(xiàn)有檢測標(biāo)準(zhǔn)要求對厚壁CASS管道進行射線檢測和滲透檢測。然而，射線檢測具有對危害性大的面積型缺陷不敏感、無法進行缺陷定位、具有放射性等缺點。滲透檢測無法對亞

2、表面及內(nèi)部深層缺陷進行檢測。相比于射線和滲透檢測，超聲檢測(Ultrasonic Testing，UT)具有對面積型缺陷敏感、能夠?qū)ι顚尤毕荻ㄎ欢康葍?yōu)點。但是，CASS具有粗大的彈性各向異性等軸、柱狀和等軸-柱狀混合結(jié)構(gòu)。超聲檢測過程中會引起嚴(yán)重的散射衰減和結(jié)構(gòu)噪聲。當(dāng)CASS管道中缺陷深度達到50 mm或更深時，缺陷回波聲能很弱，檢測信噪比甚至小于10 dB，缺陷誤檢和漏檢概率顯著增加。正因如此，厚壁CASS主管道的超聲檢測是無損檢

3、測領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的挑戰(zhàn)性課題。
　　對此，在開發(fā)專用相控陣超聲檢測設(shè)備和探頭的同時，研究者們提出利用超聲檢測仿真建模和信號/圖像后處理算法解決低信噪比問題。利用仿真建模描述CASS的超聲檢測過程，有助于弄清超聲波在粗晶結(jié)構(gòu)中的傳播機理，為缺陷的有效判別、檢測參數(shù)優(yōu)化和檢測設(shè)備開發(fā)提供理論指導(dǎo)。然而，建模過程中晶粒結(jié)構(gòu)、晶體取向和材料彈性參數(shù)的量化描述十分困難，使得模擬結(jié)果與實際情況存在較大出入，無法有效指導(dǎo)實踐。發(fā)展用于提高信噪比的后

4、處理算法是解決CASS超聲檢測問題的另一有效途徑。現(xiàn)有超聲信號/圖像后處理算法主要利用信號濾波和延時疊加(Delay and Sum，DAS)圖像重建提高信噪比。其中，DAS后處理算法可通過延時疊加提高成像區(qū)域內(nèi)的信噪比。然而，多數(shù)DAS成像的信號采集過程是通過單探頭B掃查完成的。此方法會導(dǎo)致厚壁CASS管道深處聲能較弱，深層缺陷信噪比增強能力有限。
　　本文以CASS超聲檢測建模和超聲圖像后處理算法為研究內(nèi)容，探索提高厚壁CAS

5、S超聲仿真模擬的有效性和改善信噪比的方法，主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　利用電子背散射衍射（Electron Back-Scattered Diffraction，EBSD）技術(shù)對CASS的晶粒結(jié)構(gòu)和晶體取向進行分析，得到了尺寸為96 mm×12 mm的軸-徑向截面EBSD圖譜。通過取向相（差）角選擇和晶體取向歸一化處理，建立了基于EBSD圖譜的CASS超聲仿真模型。該模型不僅能夠通過掃描微區(qū)之間的取向差異描述晶粒結(jié)構(gòu)，而且能夠通

6、過取向微區(qū)對應(yīng)的歐拉角描述晶體取向，克服以往模型難以量化描述晶粒結(jié)構(gòu)和晶體取向的問題。利用Bond變換法賦以晶粒在對應(yīng)晶體取向下的剛度矩陣，確定晶體取向與彈性常數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)模型中晶粒彈性特征的量化表征。
　　采用時域有限差分法對模型進行數(shù)值計算，結(jié)果表明，模擬得到的A掃描信號中重現(xiàn)了粗晶結(jié)構(gòu)引起的散射衰減、主頻降低和結(jié)構(gòu)噪聲等現(xiàn)象，模擬結(jié)果與實際檢測結(jié)果基本一致。模擬相控陣扇掃描圖像的噪聲幅值和信噪比與實際檢測結(jié)果基本吻

7、合。利用數(shù)值模擬分析晶粒形態(tài)（長徑比(l)/(d)和晶粒生長方向θ）對超聲散射程度的影響，結(jié)論如下:當(dāng)(l)/(d)=1時，晶粒為等軸晶結(jié)構(gòu)，晶界對聲波的散射程度不隨θ0°≤θ≤90°）的改變發(fā)生變化。當(dāng)長徑比(l)/(d)＞1時，晶粒為柱狀晶結(jié)構(gòu)，晶界對聲波的散射程度隨θ的增加而增加。超聲散射程度隨θ的變化幅度隨長徑比(l)/(d)的增加而增加。柱-等混合結(jié)構(gòu)中等軸晶結(jié)構(gòu)的存在會削弱(l)/(d)和θ寸超聲散射程度的影響。上述工作為揭

8、示超聲波在彈性各向異性粗晶結(jié)構(gòu)中的散射機理提供了解決思路。
　　為進一步提高厚壁CASS深層缺陷超聲檢測信噪比，利用一發(fā)一收探頭所形成的“偽聚焦”聲場提高深層缺陷的回波聲能。聲場對比結(jié)果表明，50～70 mm深度上，探頭中心距為100 mm的一發(fā)一收探頭聲能在40～75％，寬度為1.5 mm的單探頭聲能在25～40％。在此基礎(chǔ)上，利用相位相干成像(Phase Coherence Imaging，PCI)算法構(gòu)建表示DAS圖像中各像

9、素點相位分布特征的循環(huán)相干因子(Circular Coherence Factor，CCF)和符號相干因子(Sign Coherence Factor，SCF)，通過動態(tài)加權(quán)處理有效降低相位分布散亂的結(jié)構(gòu)噪聲幅值。將這種聲束傳播路徑優(yōu)化設(shè)計和圖像后處理算法相結(jié)合的方法用于壁厚78 mm的CASS焊縫后，深度60 mm的Φ3邊鉆孔信噪比由20 dB以下提高到30 dB以上。根據(jù)相干因子的特點，SCF能夠獲得較高的信噪比，但SCF圖像中的缺