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)進入環(huán)境的一道屏障，對核電站的安全運行至關(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，提前驗證鋼制安全殼焊縫超聲波相控陣檢測所選的檢驗探頭、檢驗參數(shù)的適用性，并獲得優(yōu)化的檢驗探頭和工藝設(shè)計參數(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 試驗相關(guān)

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

仿真試驗的主要硬件設(shè)備包括：基于WINDOWS10 64位操作系統(tǒng)平臺的PC機和CIVA軟件專用密匙，奧林巴斯OMINISCAN MX2或ZETEC Danaray檢驗系統(tǒng)。仿真試驗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（CEA）研發(fā)的一款專業(yè)無損檢驗仿真軟件。

2 研究方案及結(jié)果

2.1 檢驗區(qū)域覆蓋

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

2.2 相控陣檢驗區(qū)域計算結(jié)果

采用一維線性陣列相控陣探頭，扇掃角度為30～85°時的相控陣檢驗覆蓋深度范圍（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，相控陣探頭覆蓋檢驗區(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），相控陣探頭的一次反射波能100%覆蓋焊縫檢驗區(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（缺陷檢出），探頭只需要放在2個位置就可100%覆蓋檢驗區(qū)，即探頭前端距焊縫邊緣0mm～20mm和58mm～80mm。

圖1 焊縫檢驗區(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)進行模擬，并仿真計算檢驗探頭實際聲場，聲束截面寬度，聚焦、分辨力等特性以初步確定相控陣檢驗探頭的初步設(shè)計參數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和工程實踐經(jīng)驗，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、單個晶片寬度e、兩個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，晶片數(shù)量對聲場影響不大，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。焦點離探頭越遠(yuǎn)，孔徑變大、聚焦效果變差，同時柵瓣和旁瓣干擾更加明顯。

2.3.3 相控陣探頭的檢驗分辨力

仿真結(jié)果如下：反射體埋深55mm時，16晶片和32晶片的相控陣探頭對于深度方向相鄰距離（間距）為0mm的Φ1橫孔能較好的區(qū)分，但上下端點信號不明顯。對于深度方向間距≥1mm以上的Φ1橫孔，探頭能明顯區(qū)分且具有獨立的上下端點；反射體埋深110mm時，16晶片和32晶片的相控陣探頭對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)分且具有獨立的上下端點；16晶片和32晶片的相控陣探頭，缺陷埋深為55mm時（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，且左右端點信號明顯；缺陷埋深為110mm時（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，且左右端點信號明顯。

由以上結(jié)果可見，相控陣探頭的聲束能量比較大，橫向檢驗分辨力扇掃模式下相比下降。用于鋼制安全殼焊縫檢測時，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要求。

3 結(jié)語

通過CIVA聲場仿真模擬結(jié)果得出結(jié)論：對于鋼制安全殼對接焊縫（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°。