CCASS焊缝建模及超声检测数值模拟研究

【摘要】：压水堆(PWR,pressurized water reactor)核电站—回路冷却剂主管道为离心铸造奥氏体不锈钢(CCASS,Centrifugal Casting Austenitic Stainless Steel)管道,各管道之间采用焊接方式进行连接。超声检测是一种常用的焊缝无损检测方法,由于CCASS焊缝具有粗大的柱状晶组织以及显著的非均匀性和弹性各向异性,使其超声检测比较困难,因此,研究适用于CCASS焊缝的超声检测方法显得尤为重要。计算机数值模拟和仿真技术作为连接实验技术与理论分析的桥梁,对CCASS焊缝超声检测研究具有重要的意义。在对CCASS焊缝超声检测进行模拟与仿真时,必须首先建立准确焊缝物理模型。本文根据CCASS焊缝的宏观结构,建立了二维CCASS焊缝模型,并采用二维有限差分正演模拟方法进行了模拟计算,具体工作如下： (1)根据CCASS焊缝的晶粒取向分布特征,将焊缝中晶粒取向相近的区域近似看作是晶粒方向一致的均匀区域,整个焊缝被近似看作是多个均匀区域的集合；并采用正交各向异性弹性常数坐标转换法则,计算了焊缝各区域的弹性常数,建立了二维CCASS焊缝模型；在该模型的基础上对模型进行了优化。本研究建立的CCASS焊缝模型能够对焊缝组织结构的非均匀性和弹性各向异性进行描述,对焊缝内部不同区域的超声散射衰减以及声波传播路径的模拟与实际情况符合较好,但对于每个区域内粗大晶粒所造成的散射情况的描述与实验检测结果存在一定差距,表明该模型仍需改进。 (2)CCASS焊缝中的声学参量与声波传播方向关系密切,随着声波传播方向与晶轴夹角的变大,纵波声速CL先增大后减小,在45°附近具有最大值；横波声速CT先减小后增大,在45°附近具有最小值；纵波衰减系数α先减小后增大,在45°附近具有最小值,且探头频率越大α越大； (3)对CCASS焊缝超声检测进行模拟计算时,沿焊缝中不同传播路径,声波传播的动态曲线有很大的不同,声波在传播路径上的能量分布也有很大差异；CCASS焊缝超声检测一般选择1～5 MHz频率的探头,模拟计算结果显示,在该频率范围内,频率越小,声波衰减系数越小,声波回波幅值越大；选择10～20 mm范围晶片直径的探头模拟时,晶片直径越大,焊缝底面回波的幅值越大。 对CCASS焊缝的数值模拟与仿真研究有着实验研究所不具备的可视性和方便改变参数等功能,能够为技术人员理解声波传播规律、分析实验数据以及改进实验参数提供必要的指导,有较大的研究价值。