陳冰川，陸文杰，汪明輝

(國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司， 上海 200233)

?

CIVA仿真軟件在核電廠汽輪機(jī)葉根相控陣檢測(cè)中的應(yīng)用

陳冰川，陸文杰，汪明輝

(國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司， 上海 200233)

超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于核電廠汽輪機(jī)葉根裂紋的定期無(wú)損檢測(cè)中，為了優(yōu)化檢測(cè)工藝以及輔助超聲信號(hào)分析，采用CIVA軟件對(duì)相控陣檢測(cè)汽輪機(jī)葉根進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明，CIVA軟件可準(zhǔn)確、高效地為相控陣檢測(cè)葉根的工藝設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

CIVA；仿真軟件；葉根；超聲相控陣

1　應(yīng)用背景

核電廠的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在停堆大修期間，需要在不拆卸葉片的前提下進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，以檢測(cè)葉片根部是否有微裂紋存在。樅樹(shù)型葉根第一齒根處真實(shí)裂紋示例見(jiàn)圖1,葉根的重點(diǎn)檢測(cè)部位示意見(jiàn)圖2。在汽輪機(jī)葉根所采用的多種無(wú)損檢測(cè)方法中，超聲相控陣檢測(cè)方法已經(jīng)成為趨勢(shì)[1-2]，因?yàn)槠漭^常規(guī)超聲方法具有可激發(fā)不同角度的聲束，扇掃速度快，探頭小巧靈活，適于在葉片的狹小空間內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)等特點(diǎn)。采用超聲相控陣檢測(cè)葉根時(shí)，將相控陣探頭放置在葉片上，探頭發(fā)射的聲束指向葉根，經(jīng)過(guò)設(shè)置相控陣扇掃角度后，可覆蓋葉根上容易產(chǎn)生裂紋的齒槽應(yīng)力集中區(qū)域。

圖1　樅樹(shù)型葉根第一齒根處真實(shí)裂紋示例(滲透檢測(cè))

由于葉根齒槽弧面變化而造成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，相控陣檢測(cè)時(shí)的扇掃視圖所顯示的缺陷信號(hào)與齒槽結(jié)構(gòu)信號(hào)仍不易區(qū)分，尤其是探頭放置在葉片上檢測(cè)切向裝配樅樹(shù)型葉根齒槽上的缺陷時(shí)(相控陣探頭檢測(cè)某葉片外弧面的示例見(jiàn)圖3)，齒槽的結(jié)構(gòu)信號(hào)對(duì)臨近缺陷信號(hào)的識(shí)別有很大的干擾。所以若能事先仿真模擬葉根相控陣檢測(cè)，對(duì)模擬回波信號(hào)和結(jié)構(gòu)信號(hào)進(jìn)行分析，將有助于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)對(duì)相控陣信號(hào)的正確辨別。筆者介紹了CIVA仿真軟件在核電廠汽輪機(jī)葉根相控陣檢測(cè)中的應(yīng)用。

圖2　葉根的重點(diǎn)檢測(cè)部位(方框區(qū)域)

圖3　相控陣探頭在某葉片外弧面的檢測(cè)示例

2　仿真模擬和對(duì)比試驗(yàn)方法

CIVA仿真軟件是由法國(guó)原子能委員會(huì)(CEA)研發(fā)的一款專業(yè)無(wú)損檢測(cè)仿真軟件，其超聲檢測(cè)模塊包括聲束模擬以及缺陷響應(yīng)兩個(gè)功能。聲束模擬功能主要是為了選擇合適的檢測(cè)工藝參數(shù)，供試驗(yàn)人員設(shè)置檢測(cè)參數(shù)；缺陷響應(yīng)功能主要是為了模擬真實(shí)缺陷的信號(hào)反饋情況，以供信號(hào)分析人員參考。

圖4　CIVA軟件界面

圖5　汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根試塊模型上的相控陣探頭及人工槽位置

文章仿真模擬所采用的CIVA仿真軟件，版本為10.1。仿真模擬的硬件設(shè)備包括基于WINDOWS 7操作系統(tǒng)的移動(dòng)工作站和 “CIVA”軟件密匙。仿真模擬開(kāi)始時(shí)打開(kāi)CIVA 10軟件，界面如圖4所示?？梢?jiàn),界面上分為多個(gè)區(qū)域，主要包括參數(shù)設(shè)置區(qū)，3D模型顯示區(qū)，設(shè)置選項(xiàng)區(qū)，聲束顯示設(shè)置區(qū)，以及文件管理器和視圖瀏覽器。參數(shù)設(shè)置時(shí),首先在試塊設(shè)置界面內(nèi)導(dǎo)入根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)用葉根所建立的3D模型參數(shù)，并設(shè)定其材料以及聲學(xué)參數(shù)；然后,利用所建立的葉根模型，在缺陷設(shè)置界面中輸入人工槽的位置尺寸等參數(shù)信息，槽的高度設(shè)置為0.5 mm，這符合工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求檢出的微裂紋尺寸;人工槽的位置均勻分布在葉根內(nèi)、外弧的第一級(jí)齒槽的圓弧過(guò)渡區(qū)域。模擬葉根裂紋的初期萌生狀態(tài)，仿真模型中相控陣探頭及人工槽的分布情況如圖5所示。人工槽在試塊上的實(shí)際位置如圖6所示。

接下來(lái),依次完成探頭設(shè)置、相控陣設(shè)置、計(jì)算參數(shù)設(shè)置等過(guò)程。根據(jù)CIVA軟件的聲束模擬功能，確定相控陣中的設(shè)置參數(shù)為:探頭頻率5 MHz;晶片數(shù)量16個(gè);超聲波為橫波;晶片間距0.5 mm;晶片寬度10 mm;主聲束角65°;楔塊曲率適應(yīng)葉片內(nèi)、外弧;扇掃范圍55°～80°;角度間隔1°;聲程范圍30～60 mm。然后,在葉根模型上調(diào)節(jié)探頭位置，設(shè)置楔塊能夠與葉片完全耦合，利用相控陣的聲束角度覆蓋葉根圓弧上的人工槽缺陷，依次對(duì)每個(gè)人工槽進(jìn)行缺陷響應(yīng)仿真及運(yùn)行計(jì)算，獲得仿真模擬結(jié)果。

圖6　汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根試塊上的人工槽位置

對(duì)比試驗(yàn)選用Olympus OmniScan MX2相控陣儀器，選用與仿真模擬參數(shù)相同的5 MHz頻率16晶片的相控陣探頭;考慮到葉片內(nèi)、外弧對(duì)探頭耦合的影響，所以分別特制了內(nèi)、外弧專用楔塊，以適應(yīng)葉片表面曲率的連續(xù)變化。相控陣聚焦法則包括扇掃范圍、角度間隔、聲程范圍等，具體參數(shù)設(shè)置與仿真模擬的參數(shù)相同。

3　仿真模擬與對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果分析

3.1內(nèi)弧槽信號(hào)的比較

以內(nèi)弧槽Bi處的信號(hào)作為比較對(duì)象，將仿真模擬獲得的扇掃信號(hào)與實(shí)際對(duì)比試塊的信號(hào)扇掃圖進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7　內(nèi)弧槽Bi的仿真模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

檢測(cè)葉根內(nèi)弧槽時(shí)，相控陣探頭需放置于對(duì)側(cè)葉片外弧上，如圖7(a)所示的仿真3D模型顯示視圖上，此時(shí)激發(fā)的聲束范圍能夠覆蓋葉根內(nèi)弧齒槽。對(duì)于內(nèi)弧槽Bi的信號(hào)，分別顯示在仿真模擬和相控陣儀器的扇掃視圖上，并緊鄰第一級(jí)齒槽結(jié)構(gòu)信號(hào)，模擬和試驗(yàn)獲得的扇掃畫(huà)面相近;該人工槽所對(duì)應(yīng)的探頭聲束角度分別為73°和72°，角度相差1°，仿真模擬的探頭位置信息也與試驗(yàn)時(shí)的探頭所在位置相同。仿真模擬的結(jié)果還可在扇掃視圖上疊加葉根的結(jié)構(gòu)輪廓，使得檢測(cè)結(jié)構(gòu)更加直觀，為缺陷信號(hào)的辨別提供了便利。

3.2外弧槽信號(hào)的比較

以外弧槽Bo處的信號(hào)作為比較對(duì)象，將仿真模擬獲得的扇掃信號(hào)與實(shí)際對(duì)比試塊的信號(hào)扇掃圖進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8　外弧槽Bo的仿真模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

檢測(cè)葉根外弧槽時(shí)，相控陣探頭需放置于對(duì)側(cè)葉片內(nèi)弧上，如圖8(a)所示的仿真3D模型顯示視圖上。對(duì)于外弧槽Bo的信號(hào)，模擬和試驗(yàn)獲得的扇掃畫(huà)面也非常相近，該人工槽所對(duì)應(yīng)的探頭聲束角度均為68°，仿真模擬的探頭位置信息也與試驗(yàn)時(shí)的探頭所在位置相近。由于葉片表面的內(nèi)凹影響了探頭耦合效果，因此對(duì)相控陣的信號(hào)幅值產(chǎn)生了一定影響。

3.3聲束角度的比較

將相控陣探頭放置在不同位置，檢測(cè)汽輪機(jī)末級(jí)葉根上內(nèi)、外弧第一級(jí)齒槽的六處人工槽，并找到各個(gè)人工槽信號(hào)的最高波幅，利用完全相同的聚焦法則及位置參數(shù)進(jìn)行仿真模擬和對(duì)比試驗(yàn)，比較了這六個(gè)信號(hào)此時(shí)的最高波幅對(duì)應(yīng)的主聲束角度(°)的差異，結(jié)果如圖9所示。

圖9　聲束角度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

結(jié)果表明，根據(jù)以上仿真參數(shù)設(shè)置的聚焦法則以及探頭位置信息，可以檢出此汽輪機(jī)末級(jí)葉根上內(nèi)、外弧第一級(jí)齒槽上的6個(gè)內(nèi)、外弧槽的信號(hào)，并且仿真與試驗(yàn)結(jié)果中信號(hào)檢出的聲束角度差值在4°以內(nèi)，靠近葉根兩側(cè)的人工槽的信號(hào)聲束角度偏差比中間的偏大一些，這主要是由于相控陣探頭在葉片表面耦合時(shí),葉片表面的曲率變化對(duì)聲束角度產(chǎn)生了一定的影響。另外，對(duì)比仿真與試驗(yàn)的結(jié)果，扇掃圖像上人工槽信號(hào)的顯示位置信息與試驗(yàn)結(jié)果也較為吻合。通過(guò)在核電站大修現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施驗(yàn)證，該技術(shù)目前已經(jīng)成功運(yùn)用于國(guó)內(nèi)多家核電站的汽輪機(jī)葉根相控陣檢測(cè)項(xiàng)目中。

4　結(jié)論

通過(guò)仿真和對(duì)比試驗(yàn)表明，借助CIVA仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化實(shí)際檢測(cè)所用相控陣探頭及楔塊的參數(shù)設(shè)置，確定探頭放置部位和區(qū)分缺陷信號(hào)與結(jié)構(gòu)信號(hào)的功能。CIVA軟件仿真試驗(yàn)與對(duì)比試塊試驗(yàn)的結(jié)果也較為吻合，從而使得CIVA軟件仿真模擬可以更準(zhǔn)確、高效地為相控陣檢測(cè)葉根的工藝設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1]鐘志民,梅德松.超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),2002,24(2):69-71.

[2]SEUNGHAN Y, BYUNGSIK Y, YONGSIK K. Using phased array ultrasonic technique for the inspection of straddle mount-type low- pressure turbine disc[J]. NDT&E International, 2009, 42:128-132.

Application of CIVA Simulation Software in Phased Array Inspection of Turbine Blade Root in the Nuclear Power Plant

CHEN Bing-chuan, LU Wen-jie, WANG Ming-hui

(State Nuclear Power Plant Service Company, Shanghai 200233, China)

Ultrasonic phased array technology has been gradually applied in NDT of nuclear power plant turbine blade root. In order to optimize the inspection process and aid ultrasonic signal analysis, CIVA software was used for the simulation of phased array inspection of turbine blade root. The results show that the CIVA software can accurately and effectively provide the inspection process design and data analysis for phased array inspection of blade root, and it shall have valuable application prospect.

CIVA; Simulation software; Blade root; Ultrasonic phased array

2015-12-08

陳冰川(1985-),男,工程師,主要從事金屬材料的超聲檢測(cè)工作。

陳冰川,E-mail: wiwaly@163.com。

10.11973/wsjc201606010

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0041-04