基于CIVA仿真的核電主蒸汽管道對接焊縫的超聲成像復合檢測

胡聯(lián)偉，高杰宗，侯金剛，劉禮良

(1.石油化工工程質量監(jiān)督總站寧波監(jiān)督站，寧波 315207;2.中廣核工程有限公司，深圳 518124；3.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；4.國家市場監(jiān)督管理總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029)

VVP(主蒸汽管道)系統(tǒng)對接焊縫主要采用射線檢測方法進行檢測[1]，但射線檢測效率較低，檢測時無法與其它工序同時開展，大大影響工程的施工進度。近年來，超聲波衍射時差法(TOFD)與相控陣超聲檢測(PAUT)[2]技術不斷發(fā)展，并在各行業(yè)中得到應用，均取得較好的檢測結果。此外，超聲成像[3]檢測技術對面積型危害性缺陷的檢測靈敏度較高，是一種有效的檢測手段。

對規(guī)格為839 mm×45 mm(直徑×壁厚,下同)，材料為P280GH的VVP對接焊縫進行復合檢測工藝研究，通過仿真分析TOFD與PAUT檢測工藝，并對其進行優(yōu)化，將優(yōu)化后的復合檢測工藝[4]應用于模擬試塊的檢測，以驗證復合檢測工藝的可行性。

1 超聲成像復合檢測工藝仿真分析

1.1 PAUT仿真工藝研究

1.1.1 聲場分析

對839 mm×45 mm的管道進行建模，焊縫參數(shù)與實際焊縫參數(shù)一致，通過仿真分析聲束在工件中的覆蓋范圍，確定初步仿真工藝參數(shù)(見表1),在該參數(shù)下的相控陣超聲聲場分布 如圖1所示。

表1 初步仿真工藝參數(shù)(PAUT)

由圖1可知，在該工藝參數(shù)下，聲場能覆蓋焊縫及其左的側全部區(qū)域，且靠近探頭側的聲場能量較高，探頭對側聲場能量較低，但均能滿足要求。初步分析可知，該工件需采用單面雙側的掃查方式進行檢測。

圖1 初步仿真工藝參數(shù)下的相控陣超聲聲場分布

1.1.2 缺陷響應分析

根據(jù)焊接工藝特點，按照RCC-M-2007標準規(guī)定的驗收要求，在工件模型上預制不同類型不同大小的缺陷共8個，預制缺陷的參數(shù)如表2所示。按表2要求，在CIVA軟件中建立缺陷模型，如圖2所示。

表2 預制缺陷的參數(shù)

圖2 缺陷仿真模型

將表1中的工藝參數(shù)應用于建立的缺陷仿真模型中進行計算分析，各缺陷的PAUT響應結果如圖3所示。

圖3 仿真模型中各缺陷的PAUT響應結果

由圖3可知，初步檢測工藝可有效檢出8個缺陷，但裂紋類缺陷，尤其橫向缺陷信號較弱，容易漏檢。

1.2 TOFD仿真工藝研究

1.2.1 TOFD聲場分析

使用CIVA軟件對TOFD檢測的關鍵工藝參數(shù)如探頭頻率、晶片尺寸、楔塊角度以及聲束交點深度等進行仿真分析，確定初步的TOFD檢測仿真工藝參數(shù)(見表3,表中探頭1頻率為7.5 MHz,晶片直徑為2.5 mm；探頭2頻率為4.5 MHz，晶片直徑為6 mm)，該工藝參數(shù)下的TOFD聲場分布如圖4所示。

表3 仿真工藝參數(shù)(TOFD)

圖4 初步仿真工藝參數(shù)下探頭1，2的聲場分布(TOFD)

由仿真分析得到，聲場在-12 dB聲束范圍內，可以有效覆蓋檢測區(qū)域，上表面盲區(qū)為3.4 mm(計算值)，在焊縫熱影響區(qū)附近增加一對高頻率小晶片大角度探頭進行掃查，可以有效減小上表面盲區(qū)；聲束交點匯聚于工件的0.63T(T為工件厚度)位置，使得檢測區(qū)域內的聲場能量得到更有效地利用。

1.2.2 TOFD缺陷響應分析

將表3中的TOFD檢測工藝運用到圖2建立的缺陷仿真模型中，經計算分析，仿真結果如圖5所示。

圖5 不同探頭的TOFD檢測缺陷響應結果

由圖5分析可知，采用表3的工藝參數(shù)進行檢測，8個缺陷均能有效檢出，但橫向缺陷信號較弱，容易漏檢，因此考慮采用斜向掃查的方式進行補充檢測。

1.2.3 TOFD橫向缺陷檢測分析

采用CIVA軟件對試件進行斜向45°非平行掃查仿真，并與非平行掃查進行對比。仿真參數(shù)如下，管道規(guī)格為839 mm×45 mm，焊縫寬度為35 mm，坡口形式為V型。探頭頻率為4.5 MHz,直徑為6 mm，折射角為63°，探頭中心間距設置為112 mm。缺陷尺寸為10 mm×2 mm(長×寬)，深度為17 mm。設置完成后經CIVA軟件仿真分析，得到非平行掃查與斜向非平行掃查的結果如圖6所示。

圖6 TOFD非平行掃查與斜向非平行掃查仿真結果

由圖6對比分析可知，非平行掃查檢測橫向缺陷時，衍射信號弱，并且圖譜呈微弧狀；斜向45°非平行掃查的信號較強，并且在水平方向上有一定長度。因此，在TOFD檢測工藝中增加斜向非平行掃查有助于橫向缺陷的檢出。

1.3 超聲成像復合工藝仿真

通過分別對PAUT與TOFD檢測技術進行仿真工藝研究，得到的復合檢測工藝參數(shù)如表4所示(表中斜向掃查角度為45°)。

表4 超聲復合成像檢測工藝參數(shù)

采用該組合方式，各種類型的缺陷均可有效檢出，并且面積型缺陷檢出效果良好，證明了其是一種良好的組合檢測方式。

2 試驗驗證

按照表2缺陷參數(shù)制作得到模擬試塊，其外觀如圖7所示，采用表4的復合檢測工藝，使用預定的設備和探頭在模擬試塊上進行檢測，檢測結果如表5所示。

圖7 模擬試塊外觀

表5 模擬試塊復合檢測工藝檢測結果

表5(續(xù))

由表5分析可知，采用PAUT與TOFD復合檢測工藝對管道進行檢測，缺陷均能有效檢出，PAUT技術可對缺陷在焊縫中的分布和位置進行初步評判，TOFD檢測技術可進一步對缺陷的長度與高度進行測量，測量準確度較高。

3 結論

(1) 采用PAUT與TOFD的超聲成像復合檢測工藝對核電主蒸汽管道進行檢測，聲束在檢測區(qū)域內無覆蓋盲區(qū)。

(2) 采用PAUT檢測技術對工件進行初步掃查，對缺陷的位置進行初步判斷，再采用TOFD檢測技術對缺陷的長度與高度進行精確測量，并采用斜向非平行掃查方式對橫向缺陷進行補充檢測。

(3) 該超聲成像復合檢測工藝給核電VVP對接焊縫提供了一個有效可行的超聲檢測方案。