AP1000主管道奥氏体不锈钢焊缝超声检测建模仿真研究

摘要

AP1000属于压水堆三代核电技术，其革命性地采用了非能动的安全系统，使得安全性大大提高。AP1000主管道为核一级设备，是一回路反应堆冷却剂系统压力边界的重要组成部分。主管道焊接是核电站建造施工的关键路径，焊接质量直接影响核电机组的安全运行。在利用超声对AP1000主管道焊缝进行无损检测时，由于其粗大柱状晶组织晶粒取向复杂且具有弹性各向异性特征，导致结构噪声严重，降低了检测分辨力和信噪比。为解决上述问题，本文基于AP1000主管道奥氏体不锈钢焊缝组织特征，建立了焊缝检测数学模型，并结合时域有限差分法，对模型进行了仿真计算，在实验验证其有效性的基础上，探讨了弹性各向异性材料对超声传播的影响，进行了焊缝缺陷检测的仿真研究，并利用信号处理手段提高了超声成像质量和缺陷检测能力，主要研究内容如下:
　　(1)在了解超声波在弹性各向异性焊缝中声束偏移及结构噪声产生机理的基础上，对AP1000主管道焊缝试块进行金相组织观察和声学参量测量。研究发现，焊缝晶粒结构为粗大柱状晶，母材为均匀细小的等轴晶。焊缝区域组织为奥氏体柱状晶加δ铁素体，不同区域柱状晶组织取向分布存在差异。由声学参量测量发现，随着检测频率增大，结构噪声和主频偏移现象加重，2.25 MHz标称频率下实验测得焊缝区域声速波动、声衰减系数以及底波信噪比分别为2.8％、0.082 dB/mm和13.8 dB;
　　(2)根据AP1000主管道奥氏体不锈钢焊缝的晶粒取向分布特征建立了焊缝几何构型，并利用Bond变换对晶粒弹性特征进行了赋值，建立了各向异性的二维焊缝FDTD超声仿真模型，仿真计算得到了与实际检测更为接近的时域波形和超声B扫描图像。由计算结果可知，模型仿真计算所得的底波信噪比与实验差值为3.0 dB，噪声水平相近，纵波声速差值为50.2 m/s，相差0.88％，衰减系数差值为0.004 dB/mm，相差4.9％，主频差值为0.04 MHz，相差1.8％;
　　(3)研究了一种斜入射合成孔径聚焦技术(Synthetic Aperture Focusing Technology，SAFT)，利用所建模型对焊缝中典型体积型和面积型缺陷的检测进行了仿真研究，并与常规超声B扫描以及传统SAFT技术成像结果进行了对比。结果表明，斜入射提高了缺陷检测分辨力和信噪比。相比于传统直入射SAFT，斜入射SAFT对于焊缝中深度为50mm，Φ2 mm气孔的阵列性能指数API(Array Performance Indicator，API)减小了1.27，分辨力提高了46.9％，检测信噪比SNR(Signal Noise Ratio，SNR)提高了8.05 dB。此外，斜入射SAFT技术可以检出Φ1 mm气孔以及高度为2mm的侧壁未熔合缺陷，且可对面积型缺陷高度进行定量，定量误差为0.80 mm，同时可以利用缺陷上下端回波幅值比进行体积型和面积型缺陷的定性区分。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 AP1000主管道奥氏体不锈钢焊缝

1．2．1 AP1000主管道奥氏体不锈钢焊缝焊接特点

1．2．2 AP1000主管道奥氏体不锈钢焊缝超声检测特点

1．3 奥氏体不锈钢焊缝超声建模仿真研究现状

1．4 本文主要工作

2 弹性各向异性介质中的超声传播

2．1 超声波在弹性介质中的传播

2．1．1 超声波在各向同性介质中的传播

2．1．2 超声波在各向异性介质中的传播

2．2 慢度曲线

2．3 晶粒取向对超声传播的影响

2．4 结构噪声

2．5 本章小结

3 焊缝试样分析

3．1 宏观金相分析

3．2 微观金相分析

3．3 声学参量测量

3．3．1 时域信号及其频谱

3．3．2 纵波声速

3．3．3 衰减系数及信噪比

3．4 本章小结

4 焊缝超声检测模型建立及验证

4．1 建模原理

4．2 检测模型建立

4．2．1 取向分区及几何构型

4．2．2 材料特性参数赋值

4．2．3 激励声源

4．2．4 网格划分及边界条件

4．3 检测模型验证

4．3．1 A扫信号

4．3．2 B扫图像

4．4 本章小结

5 焊缝缺陷超声检测仿真研究

5．1 斜入射SAFT算法原理及建模

5．2 检测成像效果对比

5．2．1 模型建立

5．2．2 成像结果

5．2．3 讨论与分析

5．3 斜入射SAFT检测能力研究

5．3．1 体积型缺陷检测

5．3．2 面积型缺陷检测

5．3．3 定性检测对比

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢