核电站高密度聚乙烯管道热熔接头的超声相控阵检测研究

摘要

高密度聚乙烯(High density polyethylene,HDPE)管道具有耐腐蚀、韧性好等优点，在油气输送和给排水等领域已有数十年的应用经验，近年来开始逐渐应用于核电站冷却水输送管线。出于运行效率和安全的考虑，核电站HDPE管道管径和壁厚均较大，且由于施工现场环境复杂，HDPE管道在热熔对接焊接过程中容易出现缺陷，亟需借助无损检测进行安全检测。但核电站HDPE管道壁厚大、存在内外卷边等复杂结构以及材料声衰减严重和频散特性，给HDPE管道热熔接头的超声检测带来了巨大挑战。 本文在中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号：2017FZA4012）以及国家自然科学基金项目（项目编号：51575480，51842501）的资助下，通过材料声性能测试、高声衰减材料的超声仿真及厚壁HDPE管道热熔接头的相控阵检测实验等工作，研究核电站HDPE管道热熔接头缺陷的超声相控阵检测方法，本文主要完成的工作如下： （1）基于Field II实现了HDPE管道超声相控阵声场仿真和缺陷成像仿真，通过对比超声显微镜试验结果，验证了仿真模型的有效性。研究了超声波在HDPE中的波峰偏移规律，在此基础上提出了HDPE管道超声检测专用延迟法则。对比不同偏转角度下专用延迟法则和通用延迟法则的声场仿真结果和实验结果发现，专用延迟法则可使焦点位置前的声压平均提高5.3%，进而提高缺陷反射脉冲强度，同时还具有较大的扫查范围。 （2）考虑核电站HDPE管道热熔接头的结构特点，提出热熔接头超声相控阵检测专用扫查方式，使多条扫查线的焦点全部位于对接平面，提高了对接平面的声压。利用缺陷成像仿真和实验对比了专用扫查方式和扇形扫查方式的检测结果，仿真结果和实验结果一致，专用扫查方式能够发现接头深度较大位置处的缺陷，缺陷成像更接近真实形状。专用扫查方式可显著提高热熔接头相控阵超声检测的灵敏度和分辨力，实际操作也更加简便。 （3）利用声场仿真优化了核电站HDPE管道热熔接头检测参数，讨论了探头中心频率、阵元间距和阵元数目对声场聚焦特性的影响。综合考虑检测深度和检测精度，确定了三种核电站HDPE管道热熔接头检测方案。以孔洞和裂纹缺陷为研究对象，加工了一批含缺陷HDPE管道热熔接头和检测试块。利用本文的检测方案，可检测出110mm范围内的1mm孔洞缺陷和裂纹缺陷，并能对深度75mm范围内裂纹缺陷进行定量分析，获得裂纹的长度。检测结果也验证了超声相控阵仿真模型可作为超声相控阵检测技术开发和参数优化的理论支持。

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摘 要

ABSTRACT

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插图和附表清单

符号说明

1 绪论

1.1 核电发展

1.2 核电站高密度聚乙烯管道的应用

1.2.1 高密度聚乙烯管道的特点

1.2.2 核电站高密度聚乙烯管道应用现状

1.2.3 核电站高密度聚乙烯管道标准

1.3 核电站高密度聚乙烯管的材料、设计、制造与连接

1.3.1 高密度聚乙烯材料性能

1.3.2 高密度聚乙烯管的设计

1.3.3 高密度聚乙烯管的制造

1.3.4 高密度聚乙烯管的连接

1.4 核电站高密度聚乙烯管热熔接头检测

1.4.1 水压试验

1.4.2 X射线检测技术

1.4.3 红外热成像检测技术

1.4.4 超声无损检测

1.5 核电站高密度聚乙烯管热熔接头超声相控阵检测

1.6 目前存在的问题

1.7 研究内容及技术路线图

1.7.1 研究内容

1.7.2 技术路线图

2 超声相控阵仿真和检测设备

2.1 超声相控阵检测基本原理

2.1.1 超声相控阵声束合成

2.1.2 超声相控阵延迟法则

2.1.3 扫查方式

2.2 HDPE管道超声相控阵仿真

2.2.1 声场仿真

2.2.2 缺陷成像仿真

2.2.3 衰减和频散效应

2.2.4 仿真结果与实验结果对比

2.3 HDPE管道超声相控阵检测设备

2.3.1 检测设备设计

2.3.2 设备开发

2.4 本章小结

3 热熔接头超声相控阵检测仿真研究

3.1 热熔接头检测专用延迟法则

3.1.1 HDPE中超声波的畸变

3.1.2 专用延迟法则

3.1.3 声场仿真对比

3.2 热熔接头检测专用扫查方式

3.2.1 HDPE管热熔接头检测方法

3.2.2 专用扫查方式

3.2.3 仿真结果对比

3.3 热熔接头检测参数

3.3.1 探头中心频率

3.3.2 阵元间距

3.3.3 阵元数目

3.3.4 核电站HDPE管热熔接头超声相控阵检测参数

3.4 本章小结

4 热熔接头超声相控阵检测实验研究

4.1 含缺陷热熔接头和检测试块加工

4.1.1 含缺陷热熔接头制作

4.1.2 检测试块制作

4.2 HDPE管道超声相控阵检测专用延迟法则实验

4.3 HDPE管道超声相控阵检测专用扫查方式实验

4.4 HDPE管道热熔接头超声相控阵检测实验

4.4.1 正常接头检测

4.4.2 孔洞缺陷检测

4.4.3 裂纹缺陷检测

4.5 工程应用案例

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 主要创新点

5.3 展望

参考文献

在读硕士期间取得的科研成果