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        CIVA仿真在核電廠汽輪機(jī)相控陣超聲檢測中的應(yīng)用

        2020-06-18 03:23:16杜清良劉曉睿
        工程與試驗(yàn) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:聲束葉根齒根

        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(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提出越來越高的要求,這對復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的無損檢測實(shí)施也是新的挑戰(zhàn)。如何針對待檢部件的材料性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高效準(zhǔn)確制定對應(yīng)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(yīng)等,從經(jīng)濟(jì)及效率的角度出發(fā),采購大量探頭進(jìn)行逐個(gè)試驗(yàn)是不可行的。通過仿真軟件在計(jì)算機(jī)上完成不同檢測參數(shù)的仿真對比試驗(yàn),最終篩選出最合適的參數(shù)再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,將顯著節(jié)省制定檢測工藝的時(shí)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(yàn)證的一項(xiàng)重要工具,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對檢測工藝的制定具有極其重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,國際上推出多款先進(jìn)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(shí)心體積模型的模擬采用修正波恩近似模型。以下結(jié)合核電廠汽輪機(jī)無損檢測的實(shí)際需求,運(yùn)用CIVA超聲檢測模塊進(jìn)行超聲檢測工藝的開發(fā),并對仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

        1 汽輪機(jī)樅樹型葉根超聲檢測工藝

        汽輪機(jī)是核電廠的重要敏感設(shè)備,必須保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子樅樹型葉片根部由于運(yùn)行環(huán)境惡劣,受力載荷復(fù)雜,是汽輪機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,且作業(yè)空間狹小,如何對其實(shí)施有效的無損檢測一直是業(yè)界的技術(shù)難點(diǎn)。相控陣超聲檢測技術(shù)(PAUT)可以通過控制延遲法則實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦,是實(shí)施葉根在役檢查的有效檢測手段。

        1.1 仿真試驗(yàn)

        1.1.1 建立汽輪機(jī)樅樹型葉根模型

        將待檢的汽輪機(jī)樅樹型葉根進(jìn)行3D掃描并生成CAD文件,導(dǎo)入到CIVA軟件中作為葉根模型。結(jié)合汽輪機(jī)運(yùn)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(jìn)行重點(diǎn)檢查。根據(jù)葉根的結(jié)構(gòu),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(shè)置區(qū)域時(shí),掃查葉根內(nèi)弧第一齒根區(qū)域;探頭位于內(nèi)弧設(shè)置區(qū)域時(shí),掃查位于葉根外弧第一齒根區(qū)域;探頭位于葉片進(jìn)出氣側(cè)平臺時(shí),根據(jù)不同探頭的聲束偏轉(zhuǎn)對進(jìn)出氣側(cè)內(nèi)外弧的第一齒根區(qū)域進(jìn)行掃查。

        圖1 ??葉根幾何結(jié)構(gòu)模型

        1.1.2 樅樹型葉根PAUT聲場及缺陷響應(yīng)仿真

        探頭的選擇可借助CIVA仿真技術(shù)進(jìn)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(yàn)證,根據(jù)不同規(guī)格探頭的聲束覆蓋及缺陷響應(yīng)情況,綜合考慮技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性,最終選擇最適合現(xiàn)場檢測用的探頭進(jìn)行采購;也可以結(jié)合實(shí)際檢測經(jīng)驗(yàn),基于市場上已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的系列探頭進(jìn)行CIVA仿真,驗(yàn)證探頭參數(shù)是否能夠滿足檢測技術(shù)的要求,以最終解決現(xiàn)場的實(shí)際問題。探頭位于上述的不同區(qū)域進(jìn)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(jìn)出氣側(cè)平臺檢測外弧側(cè)第一齒根為例,將汽輪機(jī)葉根CAD文件導(dǎo)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(jìn)0.5°??紤]到待檢區(qū)域可能產(chǎn)生缺陷的特點(diǎn),人工缺陷模擬裂紋設(shè)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(yīng)仿真結(jié)果如圖2所示。

        圖2 ??聲束覆蓋及缺陷響應(yīng)仿真

        1.2 實(shí)際驗(yàn)證

        根據(jù)CIVA仿真獲得的相控陣檢測探頭及楔塊技術(shù)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(jìn)行實(shí)際檢測驗(yàn)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(jìn)行實(shí)際檢測,結(jié)果如圖3所示。從實(shí)際驗(yàn)證檢測結(jié)果可知,根據(jù)CIVA仿真結(jié)果獲得的技術(shù)參數(shù),在實(shí)際檢測中可有效檢出待檢區(qū)的人工缺陷。

        圖 3??實(shí)際驗(yàn)證檢測

        2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊接接頭超聲檢測工藝

        CPR1000核電機(jī)組汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子是核電廠的重要設(shè)備之一,其焊接接頭采用窄間隙埋弧自動(dòng)焊工藝制造而成,其中高中壓轉(zhuǎn)子中壓段有3道焊接接頭,低壓轉(zhuǎn)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(jī)在運(yùn)行過程中,轉(zhuǎn)子在高溫高壓蒸汽沖擊條件下高速旋轉(zhuǎn),運(yùn)行環(huán)境惡劣,尤其是長期運(yùn)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(zhuǎn)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(shí)施有效檢測,而PAUT檢測技術(shù)則可以有效克服上述的不足,實(shí)現(xiàn)對焊接接頭的有效檢測。

        2.1 仿真試驗(yàn)

        2.1.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊接接頭建模

        根據(jù)汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子焊接接頭的結(jié)構(gòu)尺寸,建立幾何結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子外徑設(shè)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(jìn)行分區(qū)設(shè)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(gè)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(shí),結(jié)合汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子的制造工藝及運(yùn)行工況,在各分區(qū)設(shè)置假想缺陷,通過仿真驗(yàn)證假想缺陷的響應(yīng)。

        圖4 ??汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊接接頭幾何機(jī)構(gòu)模型

        2.1.2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊接接頭PAUT聲場及缺陷響應(yīng)仿真

        進(jìn)行汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子焊接接頭仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置時(shí),需要考慮進(jìn)行分區(qū)設(shè)置,并將各區(qū)聲束覆蓋范圍進(jìn)行一定程度的重疊覆蓋,從而確保聲束對整個(gè)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(jìn)行設(shè)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(zhuǎn)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(jìn)0.5°。根據(jù)前述的設(shè)置參數(shù),其聲束覆蓋范圍及聲場分布仿真結(jié)果如圖5所示。從仿真結(jié)果看,各聲束的聲場焦點(diǎn)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(shí),其焦點(diǎn)尺寸較大;反之,其焦點(diǎn)尺寸較小。

        圖 5??聲場模擬仿真

        進(jìn)行假想缺陷設(shè)置時(shí),可設(shè)置能夠模擬運(yùn)行導(dǎo)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(shè)置還需要考慮探頭在焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查時(shí)其方向性對缺陷響應(yīng)的影響。以第二區(qū)仿真為例,在該區(qū)域設(shè)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(shè)置與前述聲場分布的保持一致。仿真結(jié)果如圖6所示,可以明顯看到,所設(shè)置的假想缺陷能夠被有效檢出,且假想缺陷反射信號較強(qiáng),信噪比較好。

        圖 6??缺陷響應(yīng)仿真

        2.2 實(shí)際驗(yàn)證

        根據(jù)CIVA仿真的結(jié)果,采用相應(yīng)的檢測參數(shù),在專用試塊上進(jìn)行長橫孔缺陷的檢測,實(shí)際檢測效果與仿真結(jié)果符合度良好。同時(shí),該項(xiàng)檢測工藝已經(jīng)應(yīng)用到國內(nèi)多個(gè)核電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際檢測中。在國內(nèi)某電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子專項(xiàng)檢測中,運(yùn)用該項(xiàng)檢測技術(shù)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(cè)檢測波幅都超過100%,深度25 mm;B處:位于焊縫中心處,負(fù)軸方向檢查波幅約100%,焊縫另一側(cè)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(rèn)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(zhǔn)確發(fā)現(xiàn),也客觀驗(yàn)證了現(xiàn)場所實(shí)施的檢測工藝是可靠穩(wěn)定的。

        圖 7??實(shí)際檢測信號

        3 結(jié)????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(dǎo)入或直接建立待檢部件幾何結(jié)構(gòu)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(guān)注區(qū)域設(shè)置不同的缺陷類型,使用不同的探頭及楔塊參數(shù)進(jìn)行聲束覆蓋及缺陷響應(yīng)模擬仿真,并結(jié)合仿真獲得的檢測工藝參數(shù),進(jìn)行實(shí)際檢測驗(yàn)證及優(yōu)化,確定最終的檢測工藝。實(shí)踐證明,CIVA仿真技術(shù)可有效指導(dǎo)檢測工藝的制定,且顯著提高檢測工藝的制定效率。

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