CIVA仿真軟件在核電廠汽輪機葉根相控陣檢測中的應用

陳冰川，陸文杰，汪明輝

(國核電站運行服務技術有限公司， 上海 200233)

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CIVA仿真軟件在核電廠汽輪機葉根相控陣檢測中的應用

陳冰川，陸文杰，汪明輝

(國核電站運行服務技術有限公司， 上海 200233)

超聲相控陣技術已經(jīng)逐漸應用于核電廠汽輪機葉根裂紋的定期無損檢測中，為了優(yōu)化檢測工藝以及輔助超聲信號分析，采用CIVA軟件對相控陣檢測汽輪機葉根進行了仿真模擬。結果表明，CIVA軟件可準確、高效地為相控陣檢測葉根的工藝設計、數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，具有一定的應用價值。

CIVA；仿真軟件；葉根；超聲相控陣

1　應用背景

核電廠的汽輪機轉子在停堆大修期間，需要在不拆卸葉片的前提下進行無損檢測，以檢測葉片根部是否有微裂紋存在。樅樹型葉根第一齒根處真實裂紋示例見圖1,葉根的重點檢測部位示意見圖2。在汽輪機葉根所采用的多種無損檢測方法中，超聲相控陣檢測方法已經(jīng)成為趨勢[1-2]，因為其較常規(guī)超聲方法具有可激發(fā)不同角度的聲束，扇掃速度快，探頭小巧靈活，適于在葉片的狹小空間內(nèi)進行檢測等特點。采用超聲相控陣檢測葉根時，將相控陣探頭放置在葉片上，探頭發(fā)射的聲束指向葉根，經(jīng)過設置相控陣扇掃角度后，可覆蓋葉根上容易產(chǎn)生裂紋的齒槽應力集中區(qū)域。

圖1　樅樹型葉根第一齒根處真實裂紋示例(滲透檢測)

由于葉根齒槽弧面變化而造成的復雜結構，相控陣檢測時的扇掃視圖所顯示的缺陷信號與齒槽結構信號仍不易區(qū)分，尤其是探頭放置在葉片上檢測切向裝配樅樹型葉根齒槽上的缺陷時(相控陣探頭檢測某葉片外弧面的示例見圖3)，齒槽的結構信號對臨近缺陷信號的識別有很大的干擾。所以若能事先仿真模擬葉根相控陣檢測，對模擬回波信號和結構信號進行分析，將有助于現(xiàn)場檢測時對相控陣信號的正確辨別。筆者介紹了CIVA仿真軟件在核電廠汽輪機葉根相控陣檢測中的應用。

圖2　葉根的重點檢測部位(方框區(qū)域)

圖3　相控陣探頭在某葉片外弧面的檢測示例

2　仿真模擬和對比試驗方法

CIVA仿真軟件是由法國原子能委員會(CEA)研發(fā)的一款專業(yè)無損檢測仿真軟件，其超聲檢測模塊包括聲束模擬以及缺陷響應兩個功能。聲束模擬功能主要是為了選擇合適的檢測工藝參數(shù)，供試驗人員設置檢測參數(shù)；缺陷響應功能主要是為了模擬真實缺陷的信號反饋情況，以供信號分析人員參考。

圖4　CIVA軟件界面

圖5　汽輪機轉子葉根試塊模型上的相控陣探頭及人工槽位置

文章仿真模擬所采用的CIVA仿真軟件，版本為10.1。仿真模擬的硬件設備包括基于WINDOWS 7操作系統(tǒng)的移動工作站和 “CIVA”軟件密匙。仿真模擬開始時打開CIVA 10軟件，界面如圖4所示。可見,界面上分為多個區(qū)域，主要包括參數(shù)設置區(qū)，3D模型顯示區(qū)，設置選項區(qū)，聲束顯示設置區(qū)，以及文件管理器和視圖瀏覽器。參數(shù)設置時,首先在試塊設置界面內(nèi)導入根據(jù)對比試驗用葉根所建立的3D模型參數(shù)，并設定其材料以及聲學參數(shù)；然后,利用所建立的葉根模型，在缺陷設置界面中輸入人工槽的位置尺寸等參數(shù)信息，槽的高度設置為0.5 mm，這符合工程現(xiàn)場檢測要求檢出的微裂紋尺寸;人工槽的位置均勻分布在葉根內(nèi)、外弧的第一級齒槽的圓弧過渡區(qū)域。模擬葉根裂紋的初期萌生狀態(tài)，仿真模型中相控陣探頭及人工槽的分布情況如圖5所示。人工槽在試塊上的實際位置如圖6所示。

接下來,依次完成探頭設置、相控陣設置、計算參數(shù)設置等過程。根據(jù)CIVA軟件的聲束模擬功能，確定相控陣中的設置參數(shù)為:探頭頻率5 MHz;晶片數(shù)量16個;超聲波為橫波;晶片間距0.5 mm;晶片寬度10 mm;主聲束角65°;楔塊曲率適應葉片內(nèi)、外弧;扇掃范圍55°～80°;角度間隔1°;聲程范圍30～60 mm。然后,在葉根模型上調(diào)節(jié)探頭位置，設置楔塊能夠與葉片完全耦合，利用相控陣的聲束角度覆蓋葉根圓弧上的人工槽缺陷，依次對每個人工槽進行缺陷響應仿真及運行計算，獲得仿真模擬結果。

圖6　汽輪機轉子葉根試塊上的人工槽位置

對比試驗選用Olympus OmniScan MX2相控陣儀器，選用與仿真模擬參數(shù)相同的5 MHz頻率16晶片的相控陣探頭;考慮到葉片內(nèi)、外弧對探頭耦合的影響，所以分別特制了內(nèi)、外弧專用楔塊，以適應葉片表面曲率的連續(xù)變化。相控陣聚焦法則包括扇掃范圍、角度間隔、聲程范圍等，具體參數(shù)設置與仿真模擬的參數(shù)相同。

3　仿真模擬與對比試驗的結果分析

3.1內(nèi)弧槽信號的比較

以內(nèi)弧槽Bi處的信號作為比較對象，將仿真模擬獲得的扇掃信號與實際對比試塊的信號扇掃圖進行對比，如圖7所示。

圖7　內(nèi)弧槽Bi的仿真模擬與試驗結果的對比

檢測葉根內(nèi)弧槽時，相控陣探頭需放置于對側葉片外弧上，如圖7(a)所示的仿真3D模型顯示視圖上，此時激發(fā)的聲束范圍能夠覆蓋葉根內(nèi)弧齒槽。對于內(nèi)弧槽Bi的信號，分別顯示在仿真模擬和相控陣儀器的扇掃視圖上，并緊鄰第一級齒槽結構信號，模擬和試驗獲得的扇掃畫面相近;該人工槽所對應的探頭聲束角度分別為73°和72°，角度相差1°，仿真模擬的探頭位置信息也與試驗時的探頭所在位置相同。仿真模擬的結果還可在扇掃視圖上疊加葉根的結構輪廓，使得檢測結構更加直觀，為缺陷信號的辨別提供了便利。

3.2外弧槽信號的比較

以外弧槽Bo處的信號作為比較對象，將仿真模擬獲得的扇掃信號與實際對比試塊的信號扇掃圖進行對比，如圖8所示。

圖8　外弧槽Bo的仿真模擬與試驗結果的對比

檢測葉根外弧槽時，相控陣探頭需放置于對側葉片內(nèi)弧上，如圖8(a)所示的仿真3D模型顯示視圖上。對于外弧槽Bo的信號，模擬和試驗獲得的扇掃畫面也非常相近，該人工槽所對應的探頭聲束角度均為68°，仿真模擬的探頭位置信息也與試驗時的探頭所在位置相近。由于葉片表面的內(nèi)凹影響了探頭耦合效果，因此對相控陣的信號幅值產(chǎn)生了一定影響。

3.3聲束角度的比較

將相控陣探頭放置在不同位置，檢測汽輪機末級葉根上內(nèi)、外弧第一級齒槽的六處人工槽，并找到各個人工槽信號的最高波幅，利用完全相同的聚焦法則及位置參數(shù)進行仿真模擬和對比試驗，比較了這六個信號此時的最高波幅對應的主聲束角度(°)的差異，結果如圖9所示。

圖9　聲束角度的仿真與試驗結果的對比

結果表明，根據(jù)以上仿真參數(shù)設置的聚焦法則以及探頭位置信息，可以檢出此汽輪機末級葉根上內(nèi)、外弧第一級齒槽上的6個內(nèi)、外弧槽的信號，并且仿真與試驗結果中信號檢出的聲束角度差值在4°以內(nèi)，靠近葉根兩側的人工槽的信號聲束角度偏差比中間的偏大一些，這主要是由于相控陣探頭在葉片表面耦合時,葉片表面的曲率變化對聲束角度產(chǎn)生了一定的影響。另外，對比仿真與試驗的結果，扇掃圖像上人工槽信號的顯示位置信息與試驗結果也較為吻合。通過在核電站大修現(xiàn)場的實施驗證，該技術目前已經(jīng)成功運用于國內(nèi)多家核電站的汽輪機葉根相控陣檢測項目中。

4　結論

通過仿真和對比試驗表明，借助CIVA仿真軟件可以實現(xiàn)優(yōu)化實際檢測所用相控陣探頭及楔塊的參數(shù)設置，確定探頭放置部位和區(qū)分缺陷信號與結構信號的功能。CIVA軟件仿真試驗與對比試塊試驗的結果也較為吻合，從而使得CIVA軟件仿真模擬可以更準確、高效地為相控陣檢測葉根的工藝設計、數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，具有較高的應用價值。

[1]鐘志民,梅德松.超聲相控陣技術的發(fā)展及應用[J].無損檢測,2002,24(2):69-71.

[2]SEUNGHAN Y, BYUNGSIK Y, YONGSIK K. Using phased array ultrasonic technique for the inspection of straddle mount-type low- pressure turbine disc[J]. NDT&E International, 2009, 42:128-132.

Application of CIVA Simulation Software in Phased Array Inspection of Turbine Blade Root in the Nuclear Power Plant

CHEN Bing-chuan, LU Wen-jie, WANG Ming-hui

(State Nuclear Power Plant Service Company, Shanghai 200233, China)

Ultrasonic phased array technology has been gradually applied in NDT of nuclear power plant turbine blade root. In order to optimize the inspection process and aid ultrasonic signal analysis, CIVA software was used for the simulation of phased array inspection of turbine blade root. The results show that the CIVA software can accurately and effectively provide the inspection process design and data analysis for phased array inspection of blade root, and it shall have valuable application prospect.

CIVA; Simulation software; Blade root; Ultrasonic phased array

2015-12-08

陳冰川(1985-),男,工程師,主要從事金屬材料的超聲檢測工作。

陳冰川,E-mail: wiwaly@163.com。

10.11973/wsjc201606010

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0041-04