CIVA仿真軟件在核電廠汽輪機(jī)葉根相控陣檢測中的應(yīng)用

CIVA仿真軟件在核電廠汽輪機(jī)葉根相控陣檢測中的應(yīng)用 摘要：超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在核電廠汽輪機(jī)葉根裂紋的定期無損檢測上，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(jī)葉根進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明，CIVA軟件可準(zhǔn)確、高效地為相控陣檢測葉根的工藝設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：CIVA；仿真軟件；葉根；超聲相控陣ApplicationofCIVAsimulationsoftwareinphasedarray

inspectionturbine

bladerootinthe

nuclearpowerplant Abstract:

Ultrasonicphasedarraytechnology

hadbeengraduallyappliedin

NDT

ofnuclearpowerplantturbine

bladeroot,

inordertooptimizetheinspectionprocessandaid

ultrasonicsignalanalysis,

CIVAsoftwarehadbeenusedbysimulatinginphasedarray

inspectionturbine

bladeroot.

Theresultsshowthatthe

CIVAsoftware

canaccuratelyandeffectively

providethe

inspectionprocessdesignanddataanalysisforphasedarrayinspection

bladeroot,

andhadvaluableapplication. Keywords:

CIVA;Simulationsoftware;Blade

root;Ultrasonicphasedarray1、研究背景核電廠的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在停堆大修期間，需要在不拆卸葉片的前提下對其進(jìn)行無損檢測，檢測葉片根部是否有微裂紋存在。在汽輪機(jī)葉根所采用的多種無損檢測方法中，采用超聲相控陣檢測方法已經(jīng)成為趨勢[1,2]，因?yàn)橄嗫仃囕^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(jìn)行檢測等特點(diǎn)。采用超聲相控陣檢測葉根時(shí)，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(shè)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(yīng)力集中區(qū)域。各級齒槽裂紋各級齒槽裂紋圖1樅樹型葉根第一齒根處真實(shí)裂紋（滲透檢測）圖2葉根的重點(diǎn)檢測部位（紅色區(qū)域）齒槽結(jié)構(gòu)內(nèi)弧槽齒槽結(jié)構(gòu)內(nèi)弧槽圖3相控陣探頭在葉片外弧面的檢測由于葉根齒槽弧面變化所造成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，相控陣檢測時(shí)的扇掃視圖所顯示的缺陷信號與齒槽結(jié)構(gòu)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的齒槽上的缺陷時(shí)，齒槽的結(jié)構(gòu)信號對臨近的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(jié)構(gòu)信號進(jìn)行分析，將有助于現(xiàn)場檢測時(shí)對相控陣信號的正確辨別。2、仿真模擬和對比實(shí)驗(yàn)方法CIVA仿真軟件是由法國原子能委員會(huì)（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(yīng)兩個(gè)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(yàn)人員設(shè)置檢測參數(shù)；缺陷響應(yīng)功能主要是為了模擬真實(shí)缺陷的信號反饋情況，供信號分析人員作為參考。設(shè)置選項(xiàng)區(qū)文件管理設(shè)置選項(xiàng)區(qū)文件管理器視圖瀏覽器參數(shù)設(shè)置區(qū)3D模型顯示區(qū)聲束顯示設(shè)置區(qū)圖4CIVA軟件界面本次仿真模擬的所采用的CIVA仿真軟件，版本為10.1。仿真模擬的硬件設(shè)備包括基于WINDOWS7操作系統(tǒng)的移動(dòng)工作站和“CIVA”軟件密匙。仿真模擬開始時(shí)打開CIVA10軟件，界面如圖4所示，其界面上分為多個(gè)區(qū)域，主要包括參數(shù)設(shè)置區(qū)，3D模型顯示區(qū)，設(shè)置選項(xiàng)區(qū)，聲束顯示設(shè)置區(qū)，以及右側(cè)的文件管理器和視圖瀏覽器。參數(shù)設(shè)置時(shí)首先在試塊設(shè)置界面內(nèi)導(dǎo)入根據(jù)對比實(shí)驗(yàn)用葉根所建立的3D模型參數(shù)，并設(shè)定其材質(zhì)以及聲學(xué)參數(shù)值；然后利用所建立的葉根模型，在缺陷設(shè)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(shè)置為0.5mm，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)，人工槽的分布情況模型如下圖5所示：第一級齒槽圓弧區(qū)相控陣探頭內(nèi)弧槽Bi外弧槽Ao內(nèi)弧槽A第一級齒槽圓弧區(qū)相控陣探頭內(nèi)弧槽Bi外弧槽Ao內(nèi)弧槽Ai內(nèi)弧槽Ci外弧槽Bo葉片外弧面外弧槽Co內(nèi)弧槽Ci葉根圖5汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根試塊模型上的相控陣探頭及人工槽位置外弧槽Ao外弧槽Co外弧槽B外弧槽Ao外弧槽Co外弧槽Bo內(nèi)弧槽Ai內(nèi)弧槽Bi內(nèi)弧槽Ci圖6汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根試塊上的人工槽位置依次完成探頭設(shè)置、相控陣設(shè)置、計(jì)算參數(shù)設(shè)置等過程。根據(jù)CIVA軟件的聲束模擬功能，確定了表1中的參數(shù)，并在葉根模型上調(diào)節(jié)探頭位置，設(shè)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(gè)人工槽進(jìn)行缺陷響應(yīng)仿真，運(yùn)行計(jì)算，獲得仿真模擬結(jié)果。表1檢測末級葉根的相控陣參數(shù)設(shè)置表相控陣參數(shù)設(shè)置值探頭頻率5MHz晶片數(shù)量16個(gè)超聲波型橫波晶片間距0.5mm晶片寬度10mm主聲束角65°楔塊曲率適應(yīng)葉片內(nèi)、外弧扇掃范圍55~80°角度間隔1°聲程范圍30~60mm對比實(shí)驗(yàn)所采用的相控陣儀器為OlympusOmniScanMX2相控陣儀器，采用與仿真模擬參數(shù)相同的5MHz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(yīng)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(shè)置與仿真模擬的參數(shù)相同，詳見表1。3、仿真模擬與對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析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示例，將仿真模擬獲得的扇掃信號與實(shí)際對比試塊的信號扇掃圖進(jìn)行對比，如下所示：第一級齒槽內(nèi)弧槽Bi第一級齒槽內(nèi)弧槽Bi第一級齒槽內(nèi)弧槽Bi（a） 仿真模擬 （b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7內(nèi)弧槽Bi的仿真模擬（a）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（b）對比葉根內(nèi)弧槽的檢測時(shí)，相控陣探頭需放置于對側(cè)葉片外弧上，如圖7(a)的仿真3D模型顯示視圖上，此時(shí)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(jié)構(gòu)信號，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得的扇掃畫面相近，該人工槽所對應(yīng)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實(shí)驗(yàn)時(shí)的探頭所在位置相同。仿真模擬的結(jié)果還可在扇掃視圖上疊加了葉根的結(jié)構(gòu)輪廓，使得檢測結(jié)構(gòu)更加直觀，為缺陷信號的辨別提供了便利。2）外弧槽信號的比較以外弧槽Bo處的信號作為比較對象示例，將仿真模擬獲得的扇掃信號與實(shí)際對比試塊的信號扇掃圖進(jìn)行對比，如下所示：第一級齒槽內(nèi)弧槽Bo第一級齒槽內(nèi)弧槽Bo第一級齒槽內(nèi)弧槽Bo（a） 仿真模擬 （b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖8外弧槽Bo的仿真模擬（a）與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（b）對比檢測葉根外弧槽時(shí)，相控陣探頭需放置于對側(cè)葉片內(nèi)弧上，如圖8(a)的仿真3D模型顯示視圖上。對于外弧槽Bo的信號，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得的扇掃畫面也非常相近，該人工槽所對應(yīng)的探頭聲束角度均為68°，仿真模擬的探頭位置信息也與實(shí)驗(yàn)時(shí)的探頭所在位置相近，由于葉片表面內(nèi)凹影響探頭耦合效果，因此對相控陣的信號幅值產(chǎn)生了一定影響。3）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(jī)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(gè)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(jìn)行仿真模擬和對比試驗(yàn)，比較了此時(shí)這六個(gè)信號的最高波幅對應(yīng)的主聲束角度的差異，結(jié)果如下圖所示：圖9聲束角度的仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較結(jié)果表明，根據(jù)以上仿真參數(shù)設(shè)置的聚焦法則以及探頭位置信息，可以檢出汽輪機(jī)末級葉根上內(nèi)、外弧第一級齒槽上的這6個(gè)內(nèi)、外弧槽的信號，并且仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果中信號檢出的聲束角度差值在4°以內(nèi)，靠近葉根兩側(cè)的人工槽的信號聲束角度偏差比中間的偏大一些，這主要是相控陣探頭耦合在葉片表面時(shí)的曲率變化對聲束角度產(chǎn)生了一定的影響。另外，對比仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，扇掃圖像上人工槽信號的顯示位置信息與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為吻合。通過在核電站大修現(xiàn)場的實(shí)施驗(yàn)證，該技術(shù)目前已經(jīng)成功運(yùn)用在了國內(nèi)多家核電站的汽輪機(jī)葉根相控陣檢測項(xiàng)目中。4、結(jié)論通過仿真和對比實(shí)驗(yàn)表明，借助CIVA仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化實(shí)際檢測所用相控陣探頭及楔塊的參數(shù)設(shè)置，確定探頭放置部位和區(qū)分缺陷信號與結(jié)構(gòu)信號等功能。CIVA軟件仿真試驗(yàn)的結(jié)果與對比試塊試驗(yàn)結(jié)果也較為吻合，從而使得CIVA軟件仿真模擬可以更準(zhǔn)確、高效地為相控陣檢測葉根的工藝設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)P.Zayicek,PhasedArrayPerformanceDemonstrationforBladeAttachmentInspection[R].EPRIFinalReportNo.1011677,Novemb