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1、以增强检测可靠性的核电站关键部件超声仿真技术的研究及应用项目成果鉴定材料技术研究总结报告技术研究总结报告一 项目背景核电以其清洁、经济、高效等特点，成为了中国解决能源问题的必由之路；国家2007年核电中长期发展规划制订了2020年前核电总装机4000万千瓦的目标，而目前已建成和在建的核电站已达到3600万千瓦；新形势下众多核电站安全、可靠运行对核电站役前和在役检查提出了更高的要求；作为核电站设备（尤其是关键设备）检验与监控重要手段的超声检测，因其快捷、方便的特点越来越受到核电和无损检测行业的重视；但从长期检验的实际效果来看，需要进一步增强超声检测的可靠度，从而提高实际缺陷判断的准确性。因此，针
2、对核电站关键部件的在役检查实际，研究核电站设备超声仿真技术成为了增强超声检测可靠性的一条重要途径。通过超声仿真可以提高对超声检测过程的理解，有助于对检测结果的分析和解释；通过超声仿真，可以依据被检部件的特点对超声检测方法进行设计和优化，从而确定某个检测方法的适用性和局限性；通过超声仿真，可以实现检测人员在计算机上的训练和评估，操作人员可根据在役检查部件特点，通过实际超声检测仪器及样本来评价自身的熟练程度，大大增强了检测有效性，提高现场在役检查时的检测可靠性，缩短在役检查时在核环境中的检测时间，这也符合核电站辐射防护的ALARA原则。苏州热工研究院有限公司为了增强超声检测的可靠性，提高国内核电设
3、备安全、可靠运行的水平，联合武汉大学，在中国广东核电集团有限公司的大力支持，研究了“以增强检测可靠性的核电站关键部件超声仿真技术的研究及应用”项目。通过对该项目的研究，建立了基于瑞利积分和Pencil法的声场计算模型和基于Kirchhoff、GTD和Born近似理论的超声场与缺陷相互作用理论模型；构建了适用于核电站关键部件的超声仿真环境，可以模拟核电站关键部件超声检测过程；对岭澳二期核电站3号机组反应堆压力容器、蒸汽发生器超声检测进行了现有检测工艺的可靠性分析，对岭澳二期核电站3号机组主给水流量控制系统（ARE）与辅助给水系统（ASG）接管焊缝的超声检测工艺进行优化，提高了超声检测的可靠性；将
4、可靠性分析引入核电站在役检查，基于统计理论建立了可靠性分析的数学模型，全面而系统的提出了一套定量评定检测结果、增强检测可靠性的方法，并讨论了该方法在现场检测工艺定量评定及优化，自动化检测系统性能验证及检测人员技能鉴定等方面的应用。二 研究方法本项目的研究方法和技术路线为：1、对现有的国内外超声仿真技术进行调研，开展超声波传播规律研究，并建立超声场计算模型、超声场与缺陷相互作用理论模型；2、制作含预制缺陷的碳钢、不锈钢试板以及核电站关键部件的模拟体，并进行超声仿真结果与实验结果的对比；3、建立核电站关键部件的CAD图库以及超声检查仿真动画；4、建立针对核电站不同结构部件的超声仿真环境，模拟关键部
5、件实际超声检测的过程；5、将超声仿真平台应用到核电站关键部件的实际检测中，对现有检测工艺进行优化；6、利用超声仿真技术，对核电站关键部件的现有检测工艺进行可靠性分析，进行自动超声检测可靠性分析及人员可靠性分析。三 研究内容及结果本项目主要的研究内容及结果有以下几点：1、超声仿真技术调研二十世纪八十年代以来，计算机技术在我国超声检测中得到了广泛的应用，主要集中在超声信号的采集、量化、处理以及超声成像系统和自动超声探伤系统的研制上。二十世纪九十年代以来浙江大学开发出了无损检测工艺制定专家系统CAPPNDT，冶金部压力容器检测站研制了无损检测专用软件NDTS；但以超声声学理论和电磁理论为基础的、基于
6、半解析计算声场模型的软件建模技术研究和软件开发中计算机仿真技术研究，国内目前处于相对空白，国内在超声波检测过程模拟、软件开发和仿真的研究基本没有开展。相比于国内，国外超声仿真技术的发展则十分迅速，国外超声检测模拟和仿真的研究一方面集中在以解析方法为主开发工业应用的软件系统，进行超声波检测工艺及可行性、可靠性分析，以降低检测成本，提高效率；另一方面是采用数值方法进行模拟和仿真，针对现代工业广泛使用的各向异性材料和特殊结构件进行超声检测研究，以提高检测精度，拓宽超声波检测的应用范围。代表性的仿真软件主要包括法国原子能委员会开发的CIVA、加拿大UTEX科学仪器公司开发的Imagine3D、瑞典无损
7、检测模拟中心开发的simSUNDT、美国电力研究院开发的Virtual NDE和美国爱荷华州立大学开发的UTSIM等软件。这些软件采用了不同的计算模型，其应用范围也不尽相同但各有特色，开发者们希望所开发的软件能够应用在尽可能多的工业环境中。针对核电站关键部件的在役检查实际，通过仿真可以提高对超声检测过程的理解，有助于对检测结果的分析和解释。此外，仿真在核工业检测中的一个重要应用是用于评价检验方法的能力验证和资质认证。操作人员可根据在役检查部件特点，通过实际超声检测仪器及试样来评价自身的熟练程度，大大增强了检测有效性，提高现场在役检查时的检测可靠性，缩短在役检查时在核环境中的检测时间。经过一年多
8、的调研，发现国内目前尚无此方向的研究开发，国外也只有少数研究机构及学者对核电站主要系统超声仿真技术进行了研究，所以开展研究针对我国核电站特点的超声仿真技术非常有必要。2、超声场计算模型为了研究超声场在工件中的传播规律，本项目从超声束从探头发射和在工件中的传播路径出发，基于瑞利积分和Pencil法，建立声场计算模型，模拟任意探头在不同介质中的发射声场。 任意探头发射的超声声束进入工件都会首先进入耦合介质，然后穿过耦合介质与工件的界面进入工件内部。本项目建立了各个部分的声场模型，以matlab为计算平台，基于解析算法，将发射源离散后用计算机来求解发射声场，并对不同情况分别进行编程。利用建立起来的声
9、场计算模型对各种核电站在役检测常用探头（如接触式探头、水浸聚焦探头、双晶探头等）的发射声场进行计算，直接得到计算区域中任意点的相对声压值，并用颜色表示各点相对声压的大小，实现了各种探头发射声场的数字化和可视化。各种探头的发射声场见下列各图：图2.1 各向同性介质中接触式直探头（中心频率2MHz，晶片尺寸88mm）的发射声场图2.2 各向同性介质中15纵波斜探头（中心频率2MHz，晶片尺寸88mm）的发射声场图2.3 各向异性介质中接触式直探头（中心频率2MHz，晶片尺寸88mm）的发射声场图2.4 非聚焦的水浸探头在耦合介质中和工件中的纵波发射声场图2.5 双晶探头的发射声场3、超声场与缺陷相
10、互作用理论模型在超声仿真技术中对超声场与缺陷的相互作用进行模拟是最为关键的步骤。针对不同的缺陷类型，超声仿真需要使用不同的模型理论。例如：使用基尔霍夫（Kirchhoff）近似理论可以模拟超声场和裂纹、体积缺陷等类型缺陷的相互作用；使用几何衍射理论（GTD）可以模拟超声场和平直裂纹类缺陷的相互作用；使用波恩（Born）近似可以模拟超声场和固体夹杂物类缺陷的相互作用。本项目根据缺陷类型分别研究了超声场和各类缺陷的相互作用。3.1 基于基尔霍夫近似的缺陷回波模型Kirchhoff近似即是在粗糙表面上任意一点利用切平面代替曲面，并把求出的切平面上的总场代入远场区散射场的积分表示式，从而求得散射场的一
11、种方法。Kirchhoff近似法简化了远场散射积分公式。基于Kirchhoff近似的缺陷回波模型的建立分三步进行：计算入射到缺陷的声场；研究声场与缺陷相互作用；计算缺陷回波。思路是由入射场的计算及声场缺陷相互作用过程得到一个脉冲信号形式的声场振幅项，然后将其与瞬时输入信号做卷积即可得到探头接收的缺陷回波信号，这可大大减少缺陷回波的计算量。通过matlab编程计算缺陷的回波信号，程序流程如图3.1所示。首先将探头表面与缺陷离散成微小单元，通过点源叠加的方法计算缺陷各点的声场。应用基尔霍夫近似得到缺陷各点的散射场，叠加计算得到缺陷的回波信号。模型应用见图3.2。图3.1 基尔霍夫近似计算程序流程图
12、图3.2 矩形缺陷和横孔的缺陷响应3.2 基于GTD理论的边缘衍射模型几何衍射理论GTD(Geometrical Theory of Diffraction)是几何光学(GO)理论的延伸，几何光学是利用经典几何光学中束(beam)的思想来解释复杂介质中的波动现象，因此GO适用于参数连续变换的介质中场的计算，而对于参数非连续变换的介质中的场无能为力。GTD能够在解决非连续场的计算的同时，保留了GO的优点束的思想。衍射声场的角度引进GTD建立边缘衍射模型，可以模拟声束在边缘上的衍射。GTD模型适用于平面，凸起和凹入的边缘的衍射计算。用matlab进行编程，来实现模型的应用。由于，边缘衍射的方向由入
13、射声束确定，所以对于任意两点间的声束路径为唯一或者不存在。对于不存在的声束路径，可以令其衍射系数为0；对于已知的声束路径可以计算得到入射角，衍射角等数据，进而计算得到该声束的衍射系数。而对于声束传播过程中幅值衰减和相位变化可以根据声场模型的理论进行计算。因此，可以得到任意两点间的幅值和相位的关系。将探头表面离散，对于探头上的任意两点(可以为同一点)间的发射信号与接受信号的关系可以由幅值与相位的变化计算得到。叠加探头上所有离散点所发射的声束在探头上某一固定点的接收信号，即可得到探头上某一点的接收信号。从而可以计算得到任意点的接收信号。程序流程图见图3.3。模型应用见图3.4。图3.3基于GTD计
14、算主程序流程图图3.4 矩形缺陷响应3.3 基于波恩近似理论的夹杂回波模型基于基尔霍夫近似和几何衍射理论建立的声场与缺陷相互作用模型都是基于高频近似，适用于尺寸较大的体积型和面积型缺陷，而在工业检测中常出现的尺寸小于1mm的夹杂用上述两种方法处理误差较大。引入基于低频近似(ka1，其中k为波矢，a为缺陷尺寸)的波恩(Born)近似理论来建立声场与夹杂类缺陷相互作用模型。引入波恩近似理论，建立了超声场与夹杂相互作用模型。此模型主要适用于夹杂类缺陷，考虑了夹杂和介质的声速及密度的变化。利用matlab编程，计算各种形状(球形，圆柱形，椭球形)夹杂类缺陷回波，程序流程图见图3.5所示。模型应用见图3
15、.6所示。图3.5 基于波恩近似理论的计算程序流程图 图3.6 球形夹杂的缺陷响应4、超声仿真与实验试样为了完成超声检测仿真过程的实验验证工作，制作了厚度范围为1025mm的仿真用碳钢试板共计31块。试板成分为普通碳钢。试块焊接方法为手工电弧焊，焊条为钛钙型药皮的碳钢焊条。为了精确确定每个试板中缺陷的位置和大小，对试板进行了射线检查和超声检查。研发、制作了20块仿真实缺陷试板，其中含有10块不锈钢对接试板、8块不锈钢和碳钢对接试板以及2块碳钢加堆焊层试板。每块对接试板中加工4个缺陷，每块堆焊层试板中加工9个缺陷。缺陷的类型为裂纹（包含不同位置、方向、长度）、未融合（坡口、层间）、夹渣，气孔，涵
16、盖了核电站关键部件常见的缺陷。试板制作过程中采用一种特殊的焊接工艺，可以有效地将不同性质、形状、尺寸的焊接缺陷导入焊缝的不同位置，并做到缺陷性质和形状不变，缺陷尺寸、位置受控，且缺陷长、宽、高三者精度可控。为确保缺陷设置的正确性，采用解剖检验和射线检验的方法，解剖检验时抽取不锈钢对接试板SS316L2512中的一号缺陷焊缝中裂纹，共切片10块。从解剖检验的结果来看，裂纹的长度缺陷长度位于18-20mm之间，小于要求偏差10%；缺陷高度平均值为4894.428m，偏差为-2%；两项检测结果均满足要求。此外还制作了反应堆压力容器主管道安全端焊缝试样以及主给水流量控制系统（ARE）与辅助给水系统（A
17、SG）接管焊缝试样。5、超声仿真结果与实验结果的对比使用八通道MIDAS超声数据采集分析系统及45横波接触探头、70纵波双晶探头、60和70横波接触探头对不锈钢试板、异种金属焊缝试板和碳钢试板进行了检测，并利用仿真软件进行了超声仿真。各试板的实验结果与超声仿真结果的对比见下列各图所示。图5.1 不锈钢试板SS3042001中1号缺陷实验结果与超声仿真结果对比图5.2 异种金属焊缝试板中4号缺陷碳钢侧检查时实验结果与超声仿真结果对比图5.3 异种金属焊缝试板中4号缺陷不锈钢侧检查时实验结果与超声仿真结果对比图5.4 碳钢试板25B中1号缺陷实验结果与超声仿真结果对比由图可知，试板中各缺陷使用不同
18、种类探头检测时，仿真结果与实验结果的误差均在9dB之内，仿真结果与实验结果较为吻合，超声仿真结果具有较高的可靠性。因此，可以利用超声仿真软件进行性能验证，通过模拟计算确定某一检测方法的性能，及其在工程实际中的实用性和可靠性；通过模拟仿真，设计和优化检测方法；进行“虚拟检测”，为工件的早期设计提供帮助；帮助科研人员或者无损检测人员分析实验数据，从而提高缺陷的辨识、定位和定量分析。6、核电站关键部件的CAD图库针对核电站关键部件的结构特点和核电站超声检查的实际情况，依据某核电站关键部件的尺寸图纸，制作了核电站关键部件的CAD图库，具体包括反应堆压力容器、蒸汽发生器、稳压器和波动管的两维或三维模型，
19、为超声仿真工作的进一步开展打下了基础。图6.1 核电站反应堆压力容器和蒸汽发生器图6.2 核电站稳压器和波动管7、反应堆压力容器超声检查仿真动画为了提高反应堆压力容器超声检查的培训效果，加深检查人员对反应堆压力容器超声检查过程的直观认识以及增强反应堆压力容器超声检查的可靠性，项目组针对某核电站反应堆压力容器TIME机超声检查，使用3D MAX软件（9.0版）制作了仿真动画。下图为动画的一个截图。图7.1 法兰联系带扫查8、核电站关键部件超声检测仿真项目组利用仿真软件对某核电站反应堆压力容器、蒸汽发生器现有的超声检测工艺进行了仿真研究，这对提高核电站关键部件现场检测可靠性具有非常重要的意义。8.
20、1 反应堆压力容器超声检测仿真该核电站反应堆压力容器的基体材料为16MND5低合金锻钢，其为各向同性材料，纵波声速为5900m/s，横波声速为3230m/s；堆焊层材料为304L不锈钢，仿真时近似为各向同性材料，其纵波声速为5745m/s，横波声速为3192m/s。超声仿真时，均不考虑材料衰减和噪声的影响。该核电站反应堆压力容器的超声检查对象见图8.1。图8.1 反应堆压力容器检查区域要求由于在核电站关键部件中，裂纹是最可能发生的一种缺陷形式且是最危险的缺陷形式，故仿真时重点考虑的缺陷类型为裂纹。对于不同的检查部件，裂纹埋藏的位置也有所区别，如：在对筒体及堆芯区域进行仿真时，裂纹埋藏的位置为堆
21、焊层下和工件壁厚中部；在对接管-筒体焊缝进行仿真时，裂纹埋藏的位置为焊缝熔合线附近；在对法兰面上螺栓孔螺纹进行仿真时，裂纹埋藏的位置为螺纹齿根处距工件扫查面60mm深的位置，即第十扣螺纹处。使用矩形缺陷（Rectangular defect）来模拟裂纹，缺陷尺寸为10mm10mm，考虑不同角度的缺陷，如：0、10、20、30、45和90等。对于筒体及堆芯区域，使用45横波、55横波和0纵波接触探头检查时，分别以其检测70mm深2横通孔所获得的A扫最高值为100满屏作为参考值，将其仿真计算得到的最高幅值分别作为探头扫查时的0dB；使用70纵波、0纵波双晶探头扫查时，分别以其检测10mm深2横通孔
22、所获得的A扫最高值为100满屏作为参考值，将其仿真计算得到的最高幅值分别作为探头扫查时的0dB。以法兰-筒体焊缝的仿真结果为例，使用45横波、55横波和0纵波接触式探头进行检测时，各个缺陷响应的最高幅值如图8.2所示；使用70纵波、0纵波双晶探头进行检测时，各个缺陷响应的最高幅值如图8.3所示。图8.2 法兰-筒体焊缝接触探头检查时的缺陷响应幅值图8.3 法兰-筒体焊缝双晶探头检查时的缺陷响应幅值由图8.2可知，45横波接触探头对与工件表面法线成45夹角的缺陷最为敏感；55横波接触探头对30缺陷最为敏感；0纵波接触探头对90缺陷最为敏感。因此，在实际检测时，为了避免不同方向缺陷的漏检，需要使用
23、各种不同角度的探头进行检查。由图8.3可知，0纵波双晶探头对90缺陷最为敏感，而70纵波双晶探头对20缺陷最为敏感。因此，0纵波双晶探头主要用于检测堆焊层下的未熔合、分层等，而70纵波双晶探头主要用于检测堆焊层下与工件表面成一定角度的裂纹。对于接管-筒体焊缝，使用45横波、35横波、0纵波以及5纵波接触式探头检查时，分别以其检测焊缝熔合线处2横通孔所获得的A扫最高值为100满屏作为参考值，将其仿真计算得到的最高幅值分别作为探头扫查时的0dB。以出口接管-筒体焊缝仿真结果为例，使用45横波、35横波、0纵波和5纵波接触探头进行检测时，各个缺陷响应的最高幅值如图8.4、图8.5所示。 图8.4 0
24、剖面缺陷响应幅值 图8.5 90剖面缺陷响应幅值由图可知，45横波、35横波接触式探头对与筒体内表面法线成30夹角的缺陷最为敏感；0纵波、5纵波接触探头对0缺陷最为敏感。由于进口接管内壁有一个坡度为6的锥面，故5纵波接触探头发射声束方向与0缺陷方向接近于垂直，此时缺陷响应最大。因此，对于进口接管-筒体焊缝中与焊缝熔合线平行的缺陷，5纵波接触探头的检查效果最好。而出口接管-内壁为一个圆柱面，0纵波接触式探头发射声束方向与0缺陷方向垂直，此时缺陷响应最大。因此，对于出口接管-筒体焊缝中与焊缝熔合线平行的缺陷，0纵波接触探头的检查效果最好。根据仿真结果还可知，对于进口接管-筒体焊缝0剖面，45横波、
25、35横波接触探头不能扫查到整个焊缝，在靠近筒体外侧的焊缝处存在一个较小的不可达区；0纵波、5纵波接触式探头可扫查到整个焊缝。对于进口接管-筒体焊缝90剖面，45横波、35横波接触式探头不能扫查到整个焊缝，在靠近筒体外侧的焊缝处存在一个较小的不可达区；0纵波、5纵波接触式探头也不能扫查到整个焊缝，其在靠近筒体内侧的焊缝处存在一个较大的不可达区。对于出口接管-筒体焊缝0剖面，45横波、35横波接触探头不能扫查到整个焊缝，在靠近筒体外侧的焊缝处存在一个较小的不可达区；0纵波、5纵波接触探头可扫查到整个焊缝。对于出口接管-筒体焊缝90剖面，45横波、35横波接触式探头不能扫查到整个焊缝，在靠近筒体外侧
26、的焊缝处存在一个较小的不可达区；0纵波、5纵波接触探头也不能扫查到整个焊缝，其在靠近筒体内侧的焊缝处存在一个较小的不可达区。但四种探头相互匹配，对于进口接管-筒体焊缝及出口接管-筒体焊缝，其检查范围均可以覆盖整个焊缝。对于法兰联系带，使用0纵波、45横波水浸探头检查时，分别以其检测70mm深2横通孔所获得的A扫最高值为100满屏作为参考值，将其仿真计算得到的最高幅值分别作为探头扫查时的0dB。各种探头的缺陷响应幅值见图8.6、图8.7。由图8.6、图8.7可知，使用0纵波水浸探头从法兰上表面对法兰联系带进行检查时，其对与法兰上表面法线成90夹角的缺陷最为敏感，此时探头发射的声束轴线与缺陷方向垂
27、直；使用45横波水浸探头从筒体侧对法兰联系带进行检查时，其对与筒体内表面法线成45夹角的缺陷最为敏感，此时探头发射的声束轴线与缺陷方向垂直。图8.6 法兰联系带0纵波水浸探头检查时的缺陷响应幅值图8.7 法兰联系带45横波水浸探头检查时的缺陷响应幅值对于法兰面上的螺栓孔螺纹，使用15纵波水浸探头检查时，以其检测60mm深2横通孔所获得的A扫最高值为100满屏作为参考值，将其仿真计算得到的最高幅值作为探头扫查时的0dB。使用15纵波水浸探头检查时的缺陷响应幅值见图8.8。由图8.8可知，使用15纵波水浸探头从法兰上表面对螺栓孔螺纹进行检查时，其对与法兰上表面法线成75夹角的缺陷最为敏感，此时探头
28、发射的声束轴线与缺陷方向垂直。图8.8 螺栓孔螺纹15纵波水浸探头检查时的缺陷响应幅值8.2 蒸汽发生器超声检测仿真某核电站蒸汽发生器管板、下封头、人孔法兰螺栓孔间联系带的基体材料为18MND5低合金锻钢，其为各向同性材料，其纵波声速为5900m/s，横波声速为3230m/s；管板下表面堆焊层材料为Inconel690，为各向同性材料，其纵波声速为5630m/s，横波声速为2960m/s；下封头内表面堆焊层为304L不锈钢，仿真时近似为各向同性材料，其纵波声速为5650m/s，横波声速为3060m/s。超声仿真时，均不考虑材料衰减和噪声的影响。图8.9 蒸汽发生器检查范围示意图该核电站蒸汽发生
29、器的检查对象见图8.9所示。本阶段工作中，对蒸汽发生器管板下封头焊缝、人孔法兰螺栓孔间联系带的超声检测进行了仿真计算。所用探头为0纵波、45横波、60横波探头，频率为15MHz，晶片为圆形或矩形，直径为1030mm，矩形晶片长宽之比小于或等于1.5。由于在核电站关键部件中，裂纹是最可能发生的一种缺陷形式且是最危险的缺陷形式，故仿真时重点考虑的缺陷类型为裂纹。使用矩形缺陷来模拟裂纹，缺陷尺寸为10mm10mm，并考虑了不同深度及不同方向的缺陷。对于管板下封头焊缝，使用0纵波、45横波、60横波探头检查时，分别以其检测70mm深2横通孔所获得的A扫最高值为100满屏作为参考值，将其仿真计算得到的最
30、高幅值分别作为探头扫查时的0dB，则各种缺陷响应的最高幅值见图8.10和图8.11所示。图8.10 管板下封头焊缝检查时不同角度的缺陷响应幅值图8.11 管板下封头焊缝检查时不同深度的缺陷响应幅值由图可知，0纵波接触探头对与扫查表面法线成90夹角的缺陷最为敏感；45横波接触探头对45缺陷最为敏感；60横波接触探头对30缺陷最为敏感。因此，在实际检测时，为了避免不同方向缺陷的漏检，需要使用各种不同角度的探头进行检查。由于仿真时假设缺陷为平面缺陷，缺陷取向单一，但实际缺陷多为曲面缺陷，缺陷取向极为复杂，因此仿真计算得到的结果为：缺陷角度变化时，缺陷幅值响应变化较为剧烈，但实际情况比仿真结果更为复杂
31、。此外，0纵波探头检查时，距扫查表面50mm深的缺陷响应最大；45横波探头检查时，50mm深的缺陷响应最大；60横波探头检查时，30mm深的缺陷响应最大。由此可见，并非缺陷距扫查表面深度越浅幅值越大，缺陷响应大小是由探头发射的声场决定的；对于相同方向的缺陷，位于探头发射声场声压极大值点附近的缺陷，其缺陷响应最大。对于人孔法兰螺栓孔间联系带，使用0纵波探头检查时，以其检测40mm深2横通孔所获得的A扫最高值为100满屏作为参考值，将其仿真计算得到的最高幅值作为探头扫查时的0dB，则各种缺陷响应的最高幅值见图8.12和图8.13所示。图8.12 与扫查表面法线成不同夹角的缺陷响应幅值图8.13 距
32、扫查表面不同深度的缺陷响应幅值由图可知，使用0纵波接触式探头进行检查时，距扫查表面40mm深，与扫查表面法线成不同夹角的缺陷中，90缺陷的回波幅值最大，此时，超声探头发射的声束方向与缺陷方向垂直；与扫查表面法线成90夹角，距扫查表面不同深度的缺陷中，40mm深缺陷的回波幅值最大，与声场计算结果（声压极大值点距扫查表面深度为35mm）相符。由于在进行仿真计算时，未考虑下列因素的影响：工件表面的耦合状况、工件的结构噪声、工件表面粗糙度、楔块磨损等，且声速测量结果存在一定误差，因此，超声仿真结果与实际检测结果存在一定的误差，但这不影响我们根据超声仿真结果来优化超声检测工艺或设计超声检测工艺。9、AR
33、E-ASG管座焊缝超声检验可达性研究压水堆核电站蒸汽发生器中主给水流量控制系统（ARE）与辅助给水系统（ASG）是关系核电站安全的关键部件，对蒸汽发生器设备的安全可靠运行有重要影响。主给水流量控制系统（ARE）和辅助给水系统（ASG）之间的焊缝为非插入式结构角焊缝。按照RCC-M 压水堆核岛机械设备设计和建造规则MC2600卷全焊透焊缝超声波检验的要求，非插入式结构角焊缝的检验如图9.1所示，从7个方向（1和3方向从ASG管道外侧进行，2、4、5、6和7方向从ARE和ASG管道内侧进行）检验。因为ARE和ASG管道内侧不可达，沿内侧的检验应由外侧的一次反射法的取代。由于该焊缝结构复杂，为了研究
34、检验的可达性，利用仿真对该焊缝的检验进行了研究。图9.1 非插入式结构角焊缝的检验要求依据仿真软件的计算要求，根据部件规格，焊缝尺寸，利用Pro/E软件构建了ARE-ASG管座焊缝三维图；针对受检部件，确定了焊缝相对于ARE-ASG管嘴0、15、30、45、60、75、90等7个方向上的截面尺寸。利用仿真软件，对ARE-ASG管座焊缝的7个界面分别从ARE侧和ASG侧进行仿真计算，计算中使用的是45（2MHz）和60（2MHz）探头。此外，对ARE-ASG接管模拟体进行了超声仿真结果和实验结果的对比。以45探头及0截面为例，说明ARE-ASG管座焊缝超声检验可达性的研究方法。图9.2 从ARE
35、侧扫查时45探头在0截面上的声束传播如上图所示，45探头在0截面上的不可达区域为ABCDO和EFGH两个区域，若以图中O点为原点，垂直向上为X轴正向，水平向右为Y轴正向，则A-H点的坐标见表9.1。表9.1 45探头在0截面上不可达区域的坐标坐标系中的点坐标（x,y）A(2.5,0)B(25,1.5)C(5.37,3.91)D(0,8.49)E(23.33,19)F(36.95,30.42)G(17.32,30.42)H(6.08,34.67)利用各点的坐标值，可以得到不可达区域占整个0截面的百分比为31.14%。图9.3 从ASG侧扫查时45探头在0截面上的声束传播从上述结果可知，采用45探
36、头从ASG一侧进行检查时，不存在不可达区域。通过本部分内容的研究，可得到以下结论：45和60探头从ARE侧检查时存在一定的不可达区，而从ASG侧检查时不存在不可达区域；ARE-ASG管座理论计算和实验结果之间存在一定偏差，但两者整体吻合较好；通过对ARE-ASG管座焊缝的可达性分析和性能验证，将其检测工艺确定为从ARE侧和ASG侧检查能够有效降低不可达区域，并增强了检测的可靠性。10、核电站在役检查可靠性分析方法的研究与应用本部分研究将可靠性分析引入核电站在役检查，基于统计理论建立了可靠性分析的数学模型，全面而系统的提出了一套定量评定检测结果、增强检测可靠性的方法，主要进行了以下三个方面的研究
37、：（1）现场检测工艺的可靠性评定及优化；研究适用于现场检测工艺可靠性评定和优化的方法；分析不同物理参数对检测可靠性的影响，重点考虑复杂工件结构、缺陷尺寸和偏转角度、探头参数及组合方式等因素。将超声检测数值模拟与可靠性概率统计模型结合，以现场工艺参数作为输入，模拟计算不同缺陷参数下的缺陷信号响应，并带入可靠性概统计模型，计算得到检出率(POD)随着缺陷参数变化曲线及其95%置信下限，从而实现对现场检测工艺的定量评价。通过不同检测工艺POD曲线的对比，实现检测工艺的优化选择。（2）自动化检测系统性能验证；研究自动化检测系统可靠性定量评估方法；分析在不同材质、探头规格和缺陷尺寸条件下的系统的检测性能
38、差异。选择常规横波探头及双晶纵波探头，进行碳钢及不锈钢对接焊缝试板的自动化超声检测实验，计算出各种检测条件下的POD、PFA、POS、ROC，实现自动化检测系统性能的定量评价。（3）人员技能鉴定。研究人员可靠性评定及考核方法，分析人员因素对检测结果的影响。组织人员进行超声检测培训，以ASME等相关标准的要求及评分准则为依据，进行人员考核；以培训考试记录作为数据源，计算不同人员的POD、PFA、POS、ROC，定量评定人员的检测技能水平。通过以上内容的研究，得到了如下结论：（1）提出了基于超声检测数值模型和累积正态分布模型进行现场工艺评定的方法，并以法兰筒体焊缝检测工艺的评定和ARE-ASG管座
39、角焊缝工艺优化为例，介绍了该方法的应用：现有法兰筒体焊缝检测工艺的为3.52mm，即在95%置信度下，尺寸为3.52mm的缺陷的检出率为90%，缺陷偏转角度位于23.5到57.5及76.5到90范围时，缺陷检出率达到90%；ARE-ASG最优检测工艺为使用相控阵探头分别从ARE和ASG进行扫查，若考虑检测成本和效率等因素，可选择45和60探头进行检测，其中45探头从ARE侧扫查，60探头从ASG侧扫查；尽管超声仿真结果与实际检测过程有一定的差别，但是其可靠性评定结果仍然可以作为现场检测工艺设计的参考。（2）提出基于Bootstrap重抽样技术和累积正态分布模型进行自动超声检测的检出率和定量准确
40、率计算与分析的方法，对于本课题实验所用不锈钢试板的超声检侧：当缺陷宽度为5mm时，根部开口裂纹、坡口裂纹、坡口未熔合和焊缝裂纹的检出率分别为100%、95.25%、88.73%和85.53%；对于焊缝裂纹和层间未熔合，从碳钢侧和从不锈钢侧检测的检出率分别为88.78%、79.18%、60.1%和40.7%；当缺陷宽度为4.5mm时，08-44、2701249、2804147和09-44等4种探头的检出率分别为95.96%、89.62%、83.18%和76.75%；08-44、2701249、2804147和09-44探头定量准确率为90%时，所对应的缺陷长度分别为24.5mm、35mm、36m
41、m和39mm。（3）提出基于Log-odds模型、ROC方法和累积正态分布模型进行人员可靠性分析的方法，并对受训人员进行考核评分：当缺陷尺寸大于66mm时，受训者检出率达到50%，当缺陷尺寸为40mm时，较高水平人员检出率达到80%；手工超声检测存在较大的随机性，对于相同的缺陷，不同检测人员进行检测时得到的结果相差较大；较高水平人员和受训者定量准确率达到100%所对应的缺陷尺寸分别为16.5mm和116mm，值分别为14.7mm和70.1mm；此次考试结果为：25名受训者，“合格”以上共24人，其中获得“优”和“良”的分别有5和14人，只有1人“不合格”。四 成果的创新点1、国内首次基于Pen
42、cil法的瑞利积分模型，对核电站在役检查常用超声检测探头的传播规律进行了研究，计算常用核电站超声检测探头（如接触式探头、水浸聚焦式探头和双晶探头等）的发射声场在各向同性和各向异性介质、匀质和非匀质工件中的传播和衰减，以及声场在工件表面和底面的反射、折射和波形转换等。2、国内首次基于Kirchhoff、GTD和Born近似理论的超声场与缺陷相互作用理论模型，计算了包括平底孔、横孔、气孔、夹渣和裂纹等缺陷与超声场之间的相互作用。3、项目依据核电站关键部件的结构特点和核电站超声检查的实际情况，建立了基于CIVA软件、CAD图库、超声仪器（包括自动超声采集装置（如Midas）、相控阵设备和普通超声仪等
43、）、超声探头（接触式探头、双晶纵波探头、相控阵探头等）和仿真部件等在内的超声仿真环境，可以模拟核电站关键部件超声检测过程，填补了该领域的国内空白。4、项目利用超声仿真技术，对岭澳二期核电站3号机组反应堆压力容器超声检查、蒸汽发生器超声检查进行了现有检测工艺的可靠性分析；对岭澳二期核电站3号机组主给水流量控制系统（ARE）与辅助给水系统（ASG）接管焊缝的超声检测工艺进行优化，消除或降低了超声检测不可达区域的比例，提高了超声检测的可靠性，有效帮助了无损检测人员对探伤工艺进行评价，填补了该技术的国内空白。5、项目将可靠性分析引入核电站在役检查，基于统计理论建立了可靠性分析的数学模型，全面而系统的提
44、出了一套定量评定检测结果、增强检测可靠性的方法，并讨论了该方法在现场检测工艺定量评定及优化，自动化检测系统性能验证及检测人员技能鉴定等方面的应用，填补了该技术领域的国内空白。五 作用意义1、核电站关键部件常用超声探头发射声场和超声场与缺陷相互作用的数值仿真，对促进我国超声仿真技术进步、缩小与先进技术国家的差距具有重要意义。2、将可靠性分析引入核电站在役检查，基于统计理论建立了可靠性分析的数学模型，全面而系统的提出了一套定量评定检测结果、增强检测可靠性的方法，对于提高我国核电站可靠性分析的水平具有重要意义。3、对核电站关键部件超声检测工艺的优化和改进，能够有效增强超声检测的可靠性，提高了核电站安
45、全、可靠运行的保障水平。4、核电站关键部件超声仿真环境的建立并用于仿真培训，能够有效降低人工模拟试件的数量，提高无损检测超声培训的效率和经济性。六 推广应用范围、条件和前景1、推广应用的范围及条件1.1 获得的核电站关键部件超声检测优化工艺可推广到国内其它核电站关键部件的超声检测中，提高超声检测可靠性。1.2 项目建立的核电站关键部件超声仿真环境能够为国内各个核电站、核电检测公司和培训机构提供超声仿真培训，提高受训人员对核电站关键部件超声检测的认识和理解，保证核电站安全、可靠运行。1.3 项目所建立的可靠性分析模型，能够对国内各个检测公司的超声检测工艺进行评价和优选，可以推广到国内各个检测工艺的核电站关键部件的超声检测工艺评定中。 2、推广应用的前景国家2007年核电中长期发展规划制订了2020年前核电总装机4000万千瓦的目标，而目前已建成和在建的核电站已达到3000万千瓦；新形势下众多核电站安全、可靠运行对核电站检查（役前检查和在役检查）提出了更高的要求，项目建立的核电站关键部件超声仿真环境、超声检测优化工艺和可靠性分析模型能够大幅提高国内核电站安全、可靠运行水平，因此本项技术具有很好的实用推广前景。共28页 2828
