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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（ASG）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
