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(lái)，隨著監(jiān)管部門(mén)對(duì)安全生產(chǎn)的要求越來(lái)越高，核電廠對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提出越來(lái)越高的要求，這對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的無(wú)損檢測(cè)實(shí)施也是新的挑戰(zhàn)。如何針對(duì)待檢部件的材料性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高效準(zhǔn)確制定對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法和工藝參數(shù)，顯得十分重要。以超聲檢測(cè)為例，檢測(cè)工藝的確定包括探頭類(lèi)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(gòu)大量探頭進(jìn)行逐個(gè)試驗(yàn)是不可行的。通過(guò)仿真軟件在計(jì)算機(jī)上完成不同檢測(cè)參數(shù)的仿真對(duì)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(cè)工藝的時(shí)間，并最大程度地節(jié)省檢測(cè)器材采購(gòu)成本。作為無(wú)損檢測(cè)工藝開(kāi)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(duì)檢測(cè)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(guó)際上推出多款先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)用仿真軟件。其中，法國(guó)原子能委員會(huì)開(kāi)發(fā)的涵蓋超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)和射線檢測(cè)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(lèi)似的裂紋缺陷，采用基爾霍夫近似；類(lèi)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(wú)損檢測(cè)的實(shí)際需求，運(yùn)用CIVA超聲檢測(cè)模塊進(jìn)行超聲檢測(cè)工藝的開(kāi)發(fā)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 汽輪機(jī)樅樹(shù)型葉根超聲檢測(cè)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(shù)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(shù)型葉根斷裂的事件。但由于樅樹(shù)型葉片根部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且作業(yè)空間狹小，如何對(duì)其實(shí)施有效的無(wú)損檢測(cè)一直是業(yè)界的技術(shù)難點(diǎn)。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)（PAUT）可以通過(guò)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(cè)手段。

1.1 仿真試驗(yàn)

1.1.1 建立汽輪機(jī)樅樹(shù)型葉根模型

將待檢的汽輪機(jī)樅樹(shù)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(duì)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(jiàn)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(tái)時(shí)，根據(jù)不同探頭的聲束偏轉(zhuǎn)對(duì)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(shù)型葉根PAUT聲場(chǎng)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(duì)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(chǎng)檢測(cè)用的探頭進(jìn)行采購(gòu)；也可以結(jié)合實(shí)際檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，基于市場(chǎng)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(cè)技術(shù)的要求，以最終解決現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)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(tái)檢測(cè)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(zhǎng)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(cè)探頭及楔塊技術(shù)參數(shù)，使用OmniScan超聲檢測(cè)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(cè)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(cè)，結(jié)果如圖3所示。從實(shí)際驗(yàn)證檢測(cè)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(cè)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(cè)

2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子焊接接頭超聲檢測(cè)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(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行后，對(duì)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(wú)損檢測(cè)手段不能對(duì)其實(shí)施有效檢測(cè)，而PAUT檢測(cè)技術(shù)則可以有效克服上述的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭的有效檢測(cè)。

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(duì)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(guò)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(chǎng)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(duì)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(cè)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(lèi)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(duì)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(chǎng)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(hào)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(cè)參數(shù)，在專(zhuān)用試塊上進(jìn)行長(zhǎng)橫孔缺陷的檢測(cè)，實(shí)際檢測(cè)效果與仿真結(jié)果符合度良好。同時(shí)，該項(xiàng)檢測(cè)工藝已經(jīng)應(yīng)用到國(guó)內(nèi)多個(gè)核電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際檢測(cè)中。在國(guó)內(nèi)某電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)中，運(yùn)用該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)如圖7所示的2處異常信號(hào)（A處：距焊縫中心線8 mm，焊縫兩側(cè)檢測(cè)波幅都超過(guò)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(cè)信號(hào)不明顯，深度26 mm）。通過(guò)常規(guī)超聲測(cè)長(zhǎng)及TOFD測(cè)高，最終確認(rèn)焊縫異常信號(hào)（A處為長(zhǎng)20 mm、高5 mm、寬5 mm的體積型缺陷；B處為長(zhǎng)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(chǎng)所實(shí)施的檢測(cè)工藝是可靠穩(wěn)定的。

圖 7??實(shí)際檢測(cè)信號(hào)

3 結(jié)????論

作為一款制定超聲檢測(cè)工藝的輔助工具，CIVA仿真可通過(guò)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(lèi)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(lèi)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(cè)工藝參數(shù)，進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證及優(yōu)化，確定最終的檢測(cè)工藝。實(shí)踐證明，CIVA仿真技術(shù)可有效指導(dǎo)檢測(cè)工藝的制定，且顯著提高檢測(cè)工藝的制定效率。