以增强检测可靠的核电站关键部件超声仿真技术的研究应用项目成果鉴定材料技术研究总结报告.doc

技术研究总结报告 项目背景 核电以其清洁、、高效等特点《2007年核电中长期发展规划》制订了2020年前核电总装机4000万千瓦的目标，而目前已建成和在建的核电站已达到3600万千瓦CAPPNDT，冶金部压力容器检测站研制了无损检测专用软件NDTS；但以超声声学理论和电磁理论为基础的、基于半解析计算声场模型的软件建模技术研究和软件开发中计算机仿真技术研究，国内目前处于相对空白，国内在超声波检测过程模拟、软件开发和仿真的研究基本没有开展。 相比于国内，国外超声仿真技术的发展则十分迅速，国外超声检测模拟和仿真的研究一方面集中在以解析方法为主开发工业应用的软件系统，进行超声波检测工艺及可行性、可靠性分析，以降低检测成本，提高效率；另一方面是采用数值方法进行模拟和仿真，针对现代工业广泛使用的各向异性材料和特殊结构件进行超声检测研究，以提高检测精度，拓宽超声波检测的应用范围。代表性的仿真软件主要包括法国原子能委员会开发的CIVA、加拿大UTEX科学仪器公司开发的Imagine3D、瑞典无损检测模拟中心开发的simSUNDT、美国电力研究院开发的Virtual NDE和美国爱荷华州立大学开发的UTSIM等软件。这些软件采用了不同的计算模型，其应用范围也不尽相同但各有特色，开发者们希望所开发的软件能够应用在尽可能多的工业环境中。 针对核电站关键部件的在役检查实际，通过仿真可以提高对超声检测过程的理解，有助于对检测结果的分析和解释。此外，仿真在核工业检测中的一个重要应用是用于评价检验方法的能力验证和资质认证。操作人员可根据在役检查部件特点，通过实际超声检测仪器及试样来评价自身的熟练程度，大大增强了检测有效性，提高现场在役检查时的检测可靠性，缩短在役检查时在核环境中的检测时间。 经过一年多的调研，发现国内目前尚无此方向的研究开发，国外也只有少数研究机构及学者对核电站主要系统超声仿真技术进行了研究，所以开展研究针对我国核电站特点的超声仿真技术非常有必要。 2、超声场计算模型 为了研究超声场在工件中的传播规律，本项目从超声束从探头发射和在工件中的传播路径出发，基于瑞利积分和Pencil法，建立声场计算模型，模拟任意探头在不同介质中的发射声场。 任意探头发射的超声声束进入工件都会首先进入耦合介质，然后穿过耦合介质与工件的界面进入工件内部。本项目建立了各个部分的声场模型，以matlab为计算平台，基于解析算法，将发射源离散后用计算机来求解发射声场，并对不同情况分别进行编程。利用建立起来的声场计算模型对各种核电站在役检测常用探头（如接触式探头、水浸聚焦探头、双晶探头等）的发射声场进行计算，直接得到计算区域中任意点的相对声压值，并用颜色表示各点相对声压的大小，实现了各种探头发射声场的数字化和可视化。各种探头的发射声场见下列各图： 图2.1 各向同性介质中接触式直探头（中心频率2MHz，晶片尺寸8×8mm）的发射声场 图2.2 各向同性介质中15°纵波斜探头（中心频率2MHz，晶片尺寸8×8mm）的发射声场 图2.3 各向异性介质中接触式直探头（中心频率2MHz，晶片尺寸8×8mm）的发射声场 图2.4 非聚焦的水浸探头在耦合介质中和工件中的纵波发射声场 图2.5 双晶探头的发射声场 3、超声场与缺陷相互作用理论模型 在超声仿真技术中对超声场与缺陷的相互作用进行模拟是最为关键的步骤。针对不同的缺陷类型，超声仿真需要使用不同的模型理论。例如：使用基尔霍夫（Kirchhoff）近似理论可以模拟超声场和裂纹、体积缺陷等类型缺陷的相互作用；使用几何衍射理论（GTD）可以模拟超声场和平直裂纹类缺陷的相互作用；使用波恩（Born）近似可以模拟超声场和固体夹杂物类缺陷的相互作用。本项目根据缺陷类型分别研究了超声场和各类缺陷的相互作用。 3.1 基于基尔霍夫近似的缺陷回波模型 Kirchhoff近似即是在粗糙表面上任意一点利用切平面代替曲面，并把求出的切平面上的总场代入远场区散射场的积分表示式，从而求得散射场的一种方法。Kirchhoff近似法简化了远场散射积分公式。基于Kirchhoff近似的缺陷回波模型的建立分三步进行：①计算入射到缺陷的声场；②研究声场与缺陷相互作用；③计算缺陷回波。思路是由入射场的计算及声场缺陷相互作用过程得到一个脉冲信号形式的声场振幅项，然后将其与瞬时输入信号做卷积即可得到探头接收的缺陷回波信号，这可大大减少缺陷回波的计算量。 通过matlab编程计算缺陷的回波信号，程序流程如图3.1所示。首先将探头表面与缺陷离散成微小单元，通过点源叠加的方法计算缺陷各点的声场。应用基尔霍夫近似得到缺陷各点的散射场，叠加计算得到缺陷的回波信号。模型应用见图3.2。 图3.1 基尔霍夫近似计算程序流程图 图3.2 矩形缺陷和横孔的缺陷响应 3.2 基于GTD理论的