核电站压力容器接管端异种金属焊缝超声检测计算机仿真及实验研究.docVIP

核电站压力容器接管端异种金属焊缝超声检测计算机仿真及实验研究 　　摘要：利用接管安全端异种金属焊缝显微组织分析结果对该焊缝进行了超声检测物理分析。通过CIVA软件对该焊缝进行了计算机超声检测仿真模拟，开发了焊缝超声检测的检测工艺，利用模拟试块实验对仿真结果和检测工艺的可靠性进行了实验验证。实验数据表明超声仿真模拟能够得到所需的探头参数及不同角度探头的定位精度，模拟试块实验有效验证了仿真模拟结果，并证明了检测工艺的可靠性。本文对核电站接管安全端异种金属焊缝进行了焊缝物理特性分析，包括异种金属焊接接头组成，焊缝及母材显微组织分析，焊缝组织对超声波衰减影响分析等，根据分析结果及该类型焊缝的检测特点。 　　关键词：计算机仿真；异种金属焊缝；超声检测 　　中图分类号： TH49 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（a）-0000-00 　　1 引言 　　核电站反应堆压力容器接管异种金属焊缝，内径为Ф736mm，外径为Ф916mm，壁厚为T=90mm，材料为SA508+预堆边+不锈钢焊缝+316L，该焊缝为厚壁异种金属焊缝，检测技术难度大，现场工作条件苛刻、对设备要求高、对人员要求高[1]。目前美国、法国、日本等核电强国都具备此种焊缝的检测能力，国内只有少数几家科研院所在进行此类焊缝的研究，例如武汉核动力运行研究所、上海核工程研究设计院、中国第一重型机械集团公司等，在对焊缝中缺陷的精确定位方面与国外检测水平还存在较大差距[1]。 　　2 异种金属焊缝物理特性分析 　　2.1 异种金属焊接接头组成 　　接管安全端异种金属焊缝结构为铁素体钢+预堆边+焊缝+不锈钢焊缝。焊丝为镍基合金焊丝，接管侧材料为316L不锈钢，安全端侧材料为SA508-III钢，SA508-III侧内表面堆焊有6mm的不锈钢堆焊层（材料309），坡口处采用镍基合金预堆边。SA508-III焊缝内外表面留有一定的焊缝余高[1]。 　　2.2 异种金属焊缝及母材显微组织分析 　　316L钢属于奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢焊缝凝固时未发生相变，室温下仍以铸态柱状奥氏体晶粒存在，这种柱状晶的晶粒粗大，组织不均，具有明显的各向异性。508-III钢区和堆焊层的热影响区的晶粒细小；焊缝区域晶粒粗大且呈现一定方向性的柱状，有明显的各向异性[1]。异种金属焊缝晶粒情况对实施超声波检测有较大的影响，材料晶粒度的大小以及晶粒的方向都会影响超声波在材料中的传播方向与能量衰减[2]。因此了解异种金属焊缝中的显微组织情况对异种金属焊缝超声检测具有重要意义。据英国疲劳断裂工程材料杂志接管安全端焊缝残余应力数据调查一文中调查数据显示[3]，压力容器端母材和堆焊层的热影响区的晶粒细小；堆焊的镍基合金层组织不均匀，晶粒非常粗大；对接焊缝的晶粒呈现一定方向性的柱状，有明显的各向异性；对接焊缝的热影响区和管道端的母材组织晶粒大小不一，非常不均匀，明显各向异性和奥氏体钢晶粒的特点。 　　2.3 焊缝组织对超声波衰减影响分析 　　异种金属焊缝晶粒不均匀及晶粒呈现一定方向性的柱状，有明显各向异性的特点，会增大超声波在金属内部传播的散射衰减[1]。散射衰减与材质的晶粒大小密切相关，当材质晶粒粗大时，散射衰减严重，被散射的超声波沿着复杂的路径传播到探头，在示波屏上引起林状回波，使信噪比下降，严重时噪声会湮没缺陷波。在实际探伤中，当介质晶粒较粗大时，若采用较高的频率，就会引起严重衰减，示波屏上出现大量草状回波，使信噪比明显下降，超声波穿透能力显著降低。 　　3 异种金属焊缝超声检测工艺研究 　　3.1 扫查方式 　　纵波直探头扫查：利用纵波直探头扫查焊缝及母材区域，以检测是否有影响斜探头检测结果的分层或其他种类缺陷存在。多探头多角度分层检测：接管安全端异种金属焊缝结构复杂，组织晶粒粗大，需要采用多种角度的探头对焊缝进行检测。将检测区域分为上（0mm～30mm）、中（30mm～60mm）、下（60mm～90mm）三个部分，利用55?以上双晶纵波斜探头对上部焊缝区域进行扫查，利用40?～50?双晶纵波斜探头对中部及下部焊缝区域进行扫查，利用40?以下双晶纵波斜探头对下部焊缝区域进行扫查。 　　3.2 探头选择 　　探头类型选择：确定对奥氏体焊缝的超声探伤，须采用专用纵波粗晶斜探头。 　　探头频率选择：探头频率通常是根据晶粒尺寸、波长、信噪比和分辨率等综合因素确定的，探头频率选择1MHz～2MHz。 　　探头晶片尺寸选择：选择大晶片尺寸探头，该种探头具有能量大，传播距离长，适合检测较大厚度的焊缝。 　　探头参数范围：根据探头选择的理论分析，结合实验室现有的超声探头，初步选用频率为1～2MHz，角度为35°～65°，晶片尺寸为50～240mm2的纵波斜探头进