杜清良，周 宇，徐 寧，劉曉睿

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇?蘇州?215004）

近年來，隨著監(jiān)管部門對安全生產(chǎn)的要求越來越高，核電廠對設備安全穩(wěn)定運行提出越來越高的要求，這對復雜結構部件的無損檢測實施也是新的挑戰(zhàn)。如何針對待檢部件的材料性能、結構特點高效準確制定對應的檢測方法和工藝參數(shù)，顯得十分重要。以超聲檢測為例，檢測工藝的確定包括探頭類型規(guī)格、工藝參數(shù)、聲束覆蓋及缺陷響應等，從經(jīng)濟及效率的角度出發(fā)，采購大量探頭進行逐個試驗是不可行的。通過仿真軟件在計算機上完成不同檢測參數(shù)的仿真對比試驗，最終篩選出最合適的參數(shù)再進行試驗驗證，將顯著節(jié)省制定檢測工藝的時間，并最大程度地節(jié)省檢測器材采購成本。作為無損檢測工藝開發(fā)與驗證的一項重要工具，計算機仿真技術對檢測工藝的制定具有極其重要的作用。隨著計算機輔助設計及仿真技術的不斷發(fā)展，國際上推出多款先進的無損檢測專用仿真軟件。其中，法國原子能委員會開發(fā)的涵蓋超聲檢測、渦流檢測和射線檢測的CIVA軟件使用較為廣泛。CIVA超聲模塊使用基于近似理論的散射模型作缺陷仿真；空心體積型缺陷及類似的裂紋缺陷，采用基爾霍夫近似；類似裂紋缺陷的端角衍射波模擬采用幾何衍射理論模型，夾渣等實心體積模型的模擬采用修正波恩近似模型。以下結合核電廠汽輪機無損檢測的實際需求，運用CIVA超聲檢測模塊進行超聲檢測工藝的開發(fā)，并對仿真結果進行試驗驗證。

1 汽輪機樅樹型葉根超聲檢測工藝

汽輪機是核電廠的重要敏感設備，必須保證其安全穩(wěn)定運行。其中，汽輪機轉子樅樹型葉片根部由于運行環(huán)境惡劣，受力載荷復雜，是汽輪機中較容易發(fā)生失效的部位，且歷史上發(fā)生多起樅樹型葉根斷裂的事件。但由于樅樹型葉片根部結構復雜，且作業(yè)空間狹小，如何對其實施有效的無損檢測一直是業(yè)界的技術難點。相控陣超聲檢測技術（PAUT）可以通過控制延遲法則實現(xiàn)聲束偏轉及聚焦，是實施葉根在役檢查的有效檢測手段。

1.1 仿真試驗

1.1.1 建立汽輪機樅樹型葉根模型

將待檢的汽輪機樅樹型葉根進行3D掃描并生成CAD文件，導入到CIVA軟件中作為葉根模型。結合汽輪機運行期間葉根區(qū)域的受力情況，葉片第一齒根的受力載荷最大，故對該區(qū)域進行重點檢查。根據(jù)葉根的結構，需要將葉根待檢部位劃分為不同的區(qū)域，見圖1。其中，探頭位于葉身外弧設置區(qū)域時，掃查葉根內(nèi)弧第一齒根區(qū)域；探頭位于內(nèi)弧設置區(qū)域時，掃查位于葉根外弧第一齒根區(qū)域；探頭位于葉片進出氣側平臺時，根據(jù)不同探頭的聲束偏轉對進出氣側內(nèi)外弧的第一齒根區(qū)域進行掃查。

圖1 ??葉根幾何結構模型

1.1.2 樅樹型葉根PAUT聲場及缺陷響應仿真

探頭的選擇可借助CIVA仿真技術進行不同探頭頻率、晶片陣元數(shù)量、陣元規(guī)格及楔塊參數(shù)的對比驗證，根據(jù)不同規(guī)格探頭的聲束覆蓋及缺陷響應情況，綜合考慮技術可行性和經(jīng)濟性，最終選擇最適合現(xiàn)場檢測用的探頭進行采購；也可以結合實際檢測經(jīng)驗，基于市場上已經(jīng)標準化生產(chǎn)的系列探頭進行CIVA仿真，驗證探頭參數(shù)是否能夠滿足檢測技術的要求，以最終解決現(xiàn)場的實際問題。探頭位于上述的不同區(qū)域進行掃查，需確保聲束能夠?qū)?nèi)外弧第一齒根的有效覆蓋。以進出氣側平臺檢測外弧側第一齒根為例，將汽輪機葉根CAD文件導入CIVA，選用頻率為5 MHz，晶片陣元數(shù)為10，陣元規(guī)格0.5 mm×5 mm，陣元間距0.1 mm，內(nèi)置0°楔塊，縱波發(fā)射接收，掃查方式為-20°～20°扇形掃查，聚焦方式為深度聚焦，角度步進0.5°?？紤]到待檢區(qū)域可能產(chǎn)生缺陷的特點，人工缺陷模擬裂紋設置為長5 mm、深1.5 mm的面缺陷。據(jù)此，聲束覆蓋及缺陷響應仿真結果如圖2所示。

圖2 ??聲束覆蓋及缺陷響應仿真

1.2 實際驗證

根據(jù)CIVA仿真獲得的相控陣檢測探頭及楔塊技術參數(shù)，使用OmniScan超聲檢測儀，在已經(jīng)加工了人工缺陷的葉根試塊進行實際檢測驗證。人工缺陷規(guī)格為5 mm×1.5 mm，位于第一齒根。在試塊上進行實際檢測，結果如圖3所示。從實際驗證檢測結果可知，根據(jù)CIVA仿真結果獲得的技術參數(shù)，在實際檢測中可有效檢出待檢區(qū)的人工缺陷。

圖 3??實際驗證檢測

2 汽輪機轉子焊接接頭超聲檢測工藝

CPR1000核電機組汽輪機焊接轉子是核電廠的重要設備之一，其焊接接頭采用窄間隙埋弧自動焊工藝制造而成，其中高中壓轉子中壓段有3道焊接接頭，低壓轉子有9道焊接接頭，焊接接頭厚度116～143 mm，焊縫寬度25 mm。汽輪機在運行過程中，轉子在高溫高壓蒸汽沖擊條件下高速旋轉，運行環(huán)境惡劣，尤其是長期運行后，對其薄弱環(huán)節(jié)焊接接頭的定期在役檢查尤為重要?？紤]到轉子焊接接頭厚度較大，且葉輪之間的空間有限，常規(guī)的無損檢測手段不能對其實施有效檢測，而PAUT檢測技術則可以有效克服上述的不足，實現(xiàn)對焊接接頭的有效檢測。

2.1 仿真試驗

2.1.1 汽輪機轉子焊接接頭建模

根據(jù)汽輪機低壓轉子焊接接頭的結構尺寸，建立幾何結構模型，如圖4所示?？紤]冗余，焊接接頭厚度按照最大厚度143 mm，轉子外徑設置為1580 mm。

由于焊接接頭厚度較大，需要將焊縫沿深度方向進行分區(qū)設置，采用多次掃查，保證超聲波聲束能夠?qū)崿F(xiàn)對焊縫的完整覆蓋。一般將焊縫沿深度方向分為3個區(qū)，其中0～30 mm為第一區(qū)，30～90 mm為第二區(qū)，大于90 mm為第三區(qū)。同時，結合汽輪機焊接轉子的制造工藝及運行工況，在各分區(qū)設置假想缺陷，通過仿真驗證假想缺陷的響應。

圖4 ??汽輪機轉子焊接接頭幾何機構模型

2.1.2 汽輪機轉子焊接接頭PAUT聲場及缺陷響應仿真

進行汽輪機焊接轉子焊接接頭仿真相關參數(shù)設置時，需要考慮進行分區(qū)設置，并將各區(qū)聲束覆蓋范圍進行一定程度的重疊覆蓋，從而確保聲束對整個接頭的完整覆蓋。不同深度的區(qū)域可采用不同的探頭參數(shù)進行設置，如第一區(qū)需要考慮檢測盲區(qū)的影響，可采用雙線陣PAUT探頭，而第二三區(qū)則采用單線陣PAUT探頭。由于焊接接頭厚度較大，為保證超聲波聲束有足夠的穿透力，需要較大的超聲波能量，故探頭晶片數(shù)量不宜過少。以第二區(qū)為例，選用頻率5 MHz，陣元數(shù)量64，陣元規(guī)格0.6×10，陣元間距0.1 mm，楔塊偏轉角54°的探頭，縱波發(fā)射接收，掃查方式為30°～70°扇形掃查，聚焦方式為深度聚焦，角度步進0.5°。根據(jù)前述的設置參數(shù)，其聲束覆蓋范圍及聲場分布仿真結果如圖5所示。從仿真結果看，各聲束的聲場焦點區(qū)域能夠有效覆蓋焊縫第二區(qū)，且在小角度大深度聚焦時，其焦點尺寸較大；反之，其焦點尺寸較小。

圖 5??聲場模擬仿真

進行假想缺陷設置時，可設置能夠模擬運行導致的裂紋類面缺陷及制造期間遺留的其它焊接缺陷，假想缺陷設置還需要考慮探頭在焊縫兩側進行掃查時其方向性對缺陷響應的影響。以第二區(qū)仿真為例，在該區(qū)域設置φ1.5×10 mm的橫孔，各橫孔在深度上間隔10 mm，其余各參數(shù)設置與前述聲場分布的保持一致。仿真結果如圖6所示，可以明顯看到，所設置的假想缺陷能夠被有效檢出，且假想缺陷反射信號較強，信噪比較好。

圖 6??缺陷響應仿真

2.2 實際驗證

根據(jù)CIVA仿真的結果，采用相應的檢測參數(shù)，在專用試塊上進行長橫孔缺陷的檢測，實際檢測效果與仿真結果符合度良好。同時，該項檢測工藝已經(jīng)應用到國內(nèi)多個核電廠汽輪機轉子的實際檢測中。在國內(nèi)某電廠汽輪機轉子專項檢測中，運用該項檢測技術發(fā)現(xiàn)如圖7所示的2處異常信號（A處：距焊縫中心線8 mm，焊縫兩側檢測波幅都超過100%，深度25 mm；B處：位于焊縫中心處，負軸方向檢查波幅約100%，焊縫另一側檢測信號不明顯，深度26 mm）。通過常規(guī)超聲測長及TOFD測高，最終確認焊縫異常信號（A處為長20 mm、高5 mm、寬5 mm的體積型缺陷；B處為長13 mm、高2.5 mm、寬1.5 mm的體積型缺陷）。該焊縫缺陷的準確發(fā)現(xiàn)，也客觀驗證了現(xiàn)場所實施的檢測工藝是可靠穩(wěn)定的。

圖 7??實際檢測信號

3 結????論

作為一款制定超聲檢測工藝的輔助工具，CIVA仿真可通過導入或直接建立待檢部件幾何結構模型，根據(jù)待檢部件可能出現(xiàn)的缺陷類型及缺陷位置，在特定的關注區(qū)域設置不同的缺陷類型，使用不同的探頭及楔塊參數(shù)進行聲束覆蓋及缺陷響應模擬仿真，并結合仿真獲得的檢測工藝參數(shù)，進行實際檢測驗證及優(yōu)化，確定最終的檢測工藝。實踐證明，CIVA仿真技術可有效指導檢測工藝的制定，且顯著提高檢測工藝的制定效率。