Page 78 - 无损检测2023年第六期
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甘文军, 等:
核级高密度聚乙烯管道热熔接头的相控阵超声检测
[ 2 ]
检测 ( PAUT ) 和超声波衍射时差法 ( TOFD ) 。 ( 外径×壁厚) 热熔连接管道进行研究, 所用 PE4710
HDPE 管道热熔接头超声检测的难点主要在于声 材料密度为 0.95g cm , 材料中纵波声速约为
-3
·
衰减大, 检测信噪比低; 同时, 热熔接头对接平面基 2360m · s 。根据 ASME 标准要求, HDPE 管道热
-1
本垂直于表面, 且内外表面存在卷边, 会对位于卷边 熔接头检测区域为熔合线两侧1 / 4 英寸( 6.35mm )
区域缺陷的有效检出和识别造成影响。国内已有相 范围, 单侧卷边宽度一般小于 20mm , 热熔接头检
关机构对 HDPE 管道热熔接头的相控阵超声检测 测区域结构如图2所示。
开展了一定研究 [ 3-4 ] 。
笔者针对核电站厚壁 HDPE 管道热熔接头的
检测需求, 通过研究探头频率、 晶片阵元间距和阵元
排列对其热熔接头中声场分布和缺陷成像的影响,
优化了相控阵超声探头参数; 在对标准反射体和典
型缺陷成像仿真的基础上优化设计了检测工艺, 制
定了一套检测方案, 并对对比试块和含典型缺陷试
图2 热熔接头检测区域结构示意
件进行检测试验, 证明了该检测工艺的检测效果。
1.3 相控阵探头参数优化设计
1 检测方案 根据理论分析, 初步确定检测用声波类型为纵
波, 楔块采用水腔耦合, 探头频率、 晶片尺寸和阵列
1.1 CIVA 软件建模仿真流程
排列方式需根据声场仿真结果进一步确定。
CIVA 无损检测仿真软件是由法国原子能委员
会( CEA ) 研发的一款专业无损检测仿真软件, 包括 1.3.1 探头频率选择
2MHz和4MHz超声声束在 HDPE 材料中衰
仿真、 成像、 分析等模块, 常用于检测工艺的设计和
减较大, 经声场仿真, 频率为 2 MHz , 晶片尺寸为
优化。其超声检测模块包括声束模拟以及缺陷响应
两个功能, 声束模拟功能可供试验人员设置检测参 36mm×20mm ( 长×宽, 下同) 的探头声能主要集
中在 12mm 深度范围内, 在 75.0mm 深度位置,
数; 缺陷响应功能主要是为了模拟真实缺陷的信号
2MHz探头较 1MHz探头声能下降约 28.8dB 。
反馈情况, 为检测工艺的可靠性提供理论依据 [ 5 ] 。
ϕ 914.4mm 管道中 1MHz和 2 MHz晶片声场能
CIVA 软件的一般建模仿真流程图如图1所示。
量分布如图 3 所示, 4MHz晶片探头声能下降更
甚。因 此, 考 虑 检 测 信 噪 比, 选 择 中 心 频 率 为
1MHz的相控阵超声探头。
1.3.2 晶片尺寸选择
ϕ 914.4mm 管道中不同尺寸晶片( 1 MHz ) 声
场仿真结果如图 4 所示, 可以看出, 晶片尺寸越
大, 声场能量越大; 28mm×18mm 尺寸晶片的声
能在 50~60 mm 深 度 位 置 衰 减 较 大, 幅 值 较
36mm×20mm 尺寸晶片小 6dB 左右。另外, 结
合不同尺寸晶片探头声场仿真焦斑尺寸结果分析
可知, 36mm×20mm 晶片的 -6dB 声束焦柱深
度范围为 9.1~70.2mm , -12dB 声束焦柱深度
范围为0~100.8mm , 且声能相对集中, 因此选择
36mm×20mm 作为检测用晶片尺寸。
1.3.3 阵元排列方式选择
阵元数量和尺寸决定了检测时声束能量大小,
图1 CIVA 软件的一般建模仿真流程图 对于主轴方向阵元间距, 考虑聚乙烯材料声速约为
1.2 热熔连接管道主要参数 2360m · s , 探头频率为 1 MHz , 对应波长λ 为
-1
笔者主要针对尺寸为 914.4 mm×101 mm 2.36mm , 为使声束在检测平面内不出现栅瓣, 阵元
ϕ
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2023年 第45卷 第6期
无损检测
