核電站壓力容器接管端異種金屬焊縫超聲檢測計算機仿真及實驗研究

摘要：利用接管安全端異種金屬焊縫顯微組織分析結果對該焊縫進行了超聲檢測物理分析。通過CIVA軟件對該焊縫進行了計算機超聲檢測仿真模擬，開發了焊縫超聲檢測的檢測工藝，利用模擬試塊實驗對仿真結果和檢測工藝的可靠性進行了實驗驗證。實驗數據表明超聲仿真模擬能夠得到所需的探頭參數及不同角度探頭的定位精度，模擬試塊實驗有效驗證了仿真模擬結果，并證明了檢測工藝的可靠性。本文對核電站接管安全端異種金屬焊縫進行了焊縫物理特性分析，包括異種金屬焊接接頭組成，焊縫及母材顯微組織分析，焊縫組織對超聲波衰減影響分析等，根據分析結果及該類型焊縫的檢測特點。

關鍵詞：計算機仿真；異種金屬焊縫；超聲檢測

中圖分類號： TH49 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 引言

核電站反應堆壓力容器接管異種金屬焊縫，內徑為Ф736mm，外徑為Ф916mm，壁厚為T=90mm，材料為SA508+預堆邊+不銹鋼焊縫+316L，該焊縫為厚壁異種金屬焊縫，檢測技術難度大，現場工作條件苛刻、對設備要求高、對人員要求高[1]。目前美國、法國、日本等核電強國都具備此種焊縫的檢測能力，國內只有少數幾家科研院所在進行此類焊縫的研究，例如武漢核動力運行研究所、上海核工程研究設計院、中國第一重型機械集團公司等，在對焊縫中缺陷的精確定位方面與國外檢測水平還存在較大差距[1]。

2 異種金屬焊縫物理特性分析

2.1 異種金屬焊接接頭組成

接管安全端異種金屬焊縫結構為鐵素體鋼+預堆邊+焊縫+不銹鋼焊縫。焊絲為鎳基合金焊絲，接管側材料為316L不銹鋼，安全端側材料為SA508-III鋼，SA508-III側內表面堆焊有6mm的不銹鋼堆焊層（材料309），坡口處采用鎳基合金預堆邊。SA508-III焊縫內外表面留有一定的焊縫余高[1]。

2.2 異種金屬焊縫及母材顯微組織分析

316L鋼屬于奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼焊縫凝固時未發生相變，室溫下仍以鑄態柱狀奧氏體晶粒存在，這種柱狀晶的晶粒粗大，組織不均，具有明顯的各向異性。508-III鋼區和堆焊層的熱影響區的晶粒細小；焊縫區域晶粒粗大且呈現一定方向性的柱狀，有明顯的各向異性[1]。異種金屬焊縫晶粒情況對實施超聲波檢測有較大的影響，材料晶粒度的大小以及晶粒的方向都會影響超聲波在材料中的傳播方向與能量衰減[2]。因此了解異種金屬焊縫中的顯微組織情況對異種金屬焊縫超聲檢測具有重要意義。據英國疲勞斷裂工程材料雜志接管安全端焊縫殘余應力數據調查一文中調查數據顯示[3]，壓力容器端母材和堆焊層的熱影響區的晶粒細小；堆焊的鎳基合金層組織不均勻，晶粒非常粗大；對接焊縫的晶粒呈現一定方向性的柱狀，有明顯的各向異性；對接焊縫的熱影響區和管道端的母材組織晶粒大小不一，非常不均勻，明顯各向異性和奧氏體鋼晶粒的特點。

2.3 焊縫組織對超聲波衰減影響分析

異種金屬焊縫晶粒不均勻及晶粒呈現一定方向性的柱狀，有明顯各向異性的特點，會增大超聲波在金屬內部傳播的散射衰減[1]。散射衰減與材質的晶粒大小密切相關，當材質晶粒粗大時，散射衰減嚴重，被散射的超聲波沿著復雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上引起林狀回波，使信噪比下降，嚴重時噪聲會湮沒缺陷波。在實際探傷中，當介質晶粒較粗大時，若采用較高的頻率，就會引起嚴重衰減，示波屏上出現大量草狀回波，使信噪比明顯下降，超聲波穿透能力顯著降低。

3 異種金屬焊縫超聲檢測工藝研究

3.1 掃查方式

縱波直探頭掃查：利用縱波直探頭掃查焊縫及母材區域，以檢測是否有影響斜探頭檢測結果的分層或其他種類缺陷存在。多探頭多角度分層檢測：接管安全端異種金屬焊縫結構復雜，組織晶粒粗大，需要采用多種角度的探頭對焊縫進行檢測。將檢測區域分為上（0mm～30mm）、中（30mm～60mm）、下（60mm～90mm）三個部分，利用55o以上雙晶縱波斜探頭對上部焊縫區域進行掃查，利用40o～50o雙晶縱波斜探頭對中部及下部焊縫區域進行掃查，利用40o以下雙晶縱波斜探頭對下部焊縫區域進行掃查。

3.2 探頭選擇

探頭類型選擇：確定對奧氏體焊縫的超聲探傷，須采用專用縱波粗晶斜探頭。

探頭頻率選擇：探頭頻率通常是根據晶粒尺寸、波長、信噪比和分辨率等綜合因素確定的，探頭頻率選擇1MHz～2MHz。

探頭晶片尺寸選擇：選擇大晶片尺寸探頭，該種探頭具有能量大，傳播距離長，適合檢測較大厚度的焊縫。

探頭參數范圍：根據探頭選擇的理論分析，結合實驗室現有的超聲探頭，初步選用頻率為1～2MHz，角度為35°～65°，晶片尺寸為50～240mm2的縱波斜探頭進行檢測。

4 異種金屬焊縫超聲檢測計算機仿真

CIVA是目前應用最多的模擬軟件，在該軟件中可以進行探頭參數、工件參數以及掃查方向等設置，利用該軟件可以實現對接管安全端異種金屬焊縫的超聲檢測仿真模擬，為下一步檢測靈敏度試驗和超聲檢測工藝確定提供參考[4]。

4.1 工件仿真模擬

CIVA可以實現對接管安全端屬于異種金屬焊縫的模擬。采用母材顯微組織分析結果，按照聲學性能的差異將接管安全端異種金屬焊縫分成多個區域。在工件模擬中人為加入多個不同深度的橫通孔。

4.2 探頭仿真模擬

通過模擬軟件模擬出各種不同參數的探頭在模擬工件上進行模擬的超聲檢測，根據模擬檢測的結果來選擇購買合適的探頭。進行仿真的探頭參數見表1。

4.3 超聲掃查仿真模擬結果分析

4.3.1 不同晶片尺寸雙晶縱波斜探頭仿真模擬

進行了不同晶片尺寸雙晶縱波斜探頭仿真，結果表明：對于厚壁異種金屬焊縫大晶片雙晶縱波斜面探頭檢測靈敏度要優于相同參數的小晶片雙晶縱波斜探頭。

4.3.2 不同形狀晶片雙晶縱波斜探頭仿真模擬

進行了不同形狀晶片雙晶縱波斜探頭仿真，結果表明：具有相似面積的方形晶片探頭較圓形晶片探頭具有更高的檢測靈敏度。

4.3.3 不同頻率雙晶縱波斜探頭仿真模擬

進行了不同頻率雙晶縱波斜探頭仿真，結果表明：隨著超聲波傳播深度增大，超聲波的衰減越嚴重；超聲波的頻率對能量衰減影響較大，頻率越高，衰減越嚴重。在進行實際檢測時，需盡量采用1MHz～2MHz的低頻探頭進行檢測。

4.3.4 探頭對不同深度人工反射體檢測靈敏度仿真模擬

進行了探頭對不同深度人工反射體檢測靈敏度仿真，結果表明：60°雙晶縱波斜探頭對淺層缺陷有較好的檢測靈敏度；45°雙晶縱波斜探頭對中間層缺陷有較好的檢測靈敏度。

4.3.5 探頭對不同深度人工反射體定位精度仿真模擬

進行了探頭對不同深度人工反射體定位精度仿真，結果表明：具有相同頻率（2MHz）、相同晶片尺寸（雙晶矩形：10×22mm）的超聲波雙晶縱波斜探頭（#1、#8、#9），對于焊縫近表面缺陷，45°和60°探頭具有較高的定位精度，35°探頭定位精度較低；對于焊縫中部缺陷，35°、45°探頭定位精定較高，60°探頭定位精定較低；對于焊縫下部缺陷，35°探頭定位精度最高，45°探頭定位精定其次，60°探頭定位精度最低。

5 模擬試塊對比實驗

模擬試塊對比實驗：設計并制作模擬試塊，利用建立的模型及選定的探頭在試塊上進行檢測，將實驗數據與模擬數據進行對比分析。

5.1 模擬試塊設計加工

該模擬試塊在材料、焊縫結構、焊接工藝等方面，與真實的焊縫相同或者相近，模擬試塊焊縫不同深度和位置設計人工反射體，人工反射體為Φ2mm的橫通孔。具體的試塊設計見圖1。

5.2 模擬試塊對比實驗

利用專用縱波斜探頭WHT35、VRY45、VRY60、VSY45、VSY60和專用模擬試塊進行靈敏度對比實驗，探頭頻率為1.5MHz或2MHz，角度從35°到60°，探頭形式為雙晶矩形，實驗結果見表2。

5.3 模擬試塊對比實驗分析

1）WHT35縱波斜探頭可以檢測整個橫孔深度區域，在深度為60mm～90mm時，靈敏度較高，與計算機仿真結果相似，該類探頭適合檢查焊縫深層區域；

2）VRY45縱波斜探頭可以檢測整個橫孔深度區域，在深度為30mm～60mm時，靈敏度較高，與計算機仿真結果相似，該類探頭適合檢查焊縫中層區域；

3）VSY60縱波斜探頭和VRY60縱波斜探頭不能檢測事個橫孔區域，在深度為10mm～30mm時，靈敏度較高，與計算機仿真結果相似，該類探頭適合檢查焊縫淺層區域；

4） VSY45探頭不能檢測到深度超過60mm的橫孔，VSY60探頭不能檢測到深度超過10mm的橫孔。VRY45和VRY60探頭能夠檢測到更大深度的缺陷，結果表明低頻探頭更有利于發現焊縫中的缺陷。

實際模擬試塊對比實驗結果與計算仿真模擬試驗結果相似，所選探頭可以對整個焊縫區域進行較好的檢測，驗證了對該焊縫檢測工藝的可靠性。

6 結論

本文對核電站接管安全端異種金屬焊縫進行了焊縫物理特性分析，包括異種金屬焊接接頭組成，焊縫及母材顯微組織分析，焊縫組織對超聲波衰減影響分析等，根據分析結果及該類型焊縫的檢測特點，進行了超聲檢測工藝研究，并建立了該異種金屬焊縫超聲檢測工藝。利用無損檢測專用模擬軟件CIVA進行了該焊縫超聲檢測的計算機仿真模擬實驗，得到可適用于該焊縫檢測的超聲檢測參數，最后利用模擬試塊進行了對比實驗，實驗結果表明模擬試塊對比實驗結果與計算仿真模擬試驗結果相吻合，所選探頭檢測參數可以對整個焊縫區域進行較好的檢測，驗證了該焊縫檢測工藝的可靠性。

參考文獻

[1] 陳懷東， 肖學柱， 李明， 劉金宏 核電站安全端異種金屬焊縫超聲檢查技術 無損檢測 2009年第31卷第11期

[2] 鄭暉 林樹青 超聲檢測 中國勞動社會保障出版社 2008。

[3] SONG， T. K. BAE， H. R. KIM， Y. J. LEE， K. S. Numerical investigation on welding residual stresses in a PWR pressurizer safety/relief nozzle. FATIGUE AND FRACTURE OF ENGINEERING MATERIALS AND STRUCTURES. 2010， VOL 33；

[4] 白小寶 江運喜 梁菁 王錚 董世運 CIVA仿真軟件的實際運用 2011年第33卷第10期。