核电用不锈钢管道焊缝中超声波散射机理及其TOFD检测研究

我国核电工业正处于高速的发展时期，本课题开展了关于核电用不锈钢焊缝中超声衍射波散射机理及超声TOFD检测技术的研究。超声TOFD检测技术依据缺陷端衍射波评价缺陷，因此如何高效的提取及辨识缺陷端部衍射波是本研究需解决的关键问题。主要研究内容包括：1）不锈钢焊缝中超声衍射波散射机理研究，采用有限元方法建立超声TOFD检测模型模拟焊缝中各类裂纹缺陷端部衍射波的产生及其在粗大柱状晶的焊缝组织中的传播特征；研究检测面形状对衍射波传播的影响，以模拟结果为依据调整试验参数，获得高效率的缺陷端部衍射波信号、提高TOFD技术的检测效力；2）研究缺陷衍射波信号的增强及识别方法，提取缺陷衍射波信号特征，避免焊缝中粗晶组织引起的杂波对TOFD成像的干扰，并且获得更加准确的焊缝检测图像。研究成果将应用于核电站的建设、生产运行的各个阶段，对于保障核电安全、降低核电成本、提高经济效益、促进核电发展具有重要意义。

作为核电设施重要组成部分的奥氏体不锈钢焊缝工作在高温高压、冲击、辐射、腐蚀的恶劣环境中，是核电设施服役中的薄弱构件，必须通过超声无损检测技术对其进行役前及在役检测。本研究围绕中厚壁奥氏体不锈钢焊缝超声无损检测的难点问题，提出将超声衍射时差法（超声TOFD）应用于该类焊缝的无损检测中。针对奥氏体不锈钢焊缝中声波传播特性及检测信号分析的复杂性开展了两个方面的研究内容：1）核电用管道奥氏体不锈钢焊缝超声TOFD检测技术的有限元建模及其机理研究；2）检测信号中缺陷衍射波的提取及辨识方法研究。.项目执行中，申请人依据研究过程中遇到的具体问题不断地修正、完善、充实研究计划，获得了一些有价值的理论成果和应用成果。研究的主要内容及成果包括：首先，本项目开展了检测过程有限元模拟的研究工作，通过建立超声TOFD检测的有限元模型实现了声波在检测对象中传播的可视化；深化对检测过程的理解，为检测结果分析与检测参数优化提供了理论依据。其次，自主开发焊缝超声TOFD检测的自动扫描成像设备，可提取未经调制处理的全波形信号供科研人员做进一步分析，可将自编的信号处理算法及图像处理算法嵌入至设备中以检验算法效果；该设备具有灵活、准确、可扩展的特点，比商业检测设备更加符合科研人员的技术研发需求。第三，通过试验方法分析了超声衍射波在奥氏体不锈钢焊缝中的传播特性，揭示了声波传播的各向异性特征及焊缝组织对声波传播的影响；并据此定制探头、设计探头布置方式、优化检测参数，确保能够高效的提取缺陷的超声TOFD检测信号。第四，深入研究各类缺陷的衍射波特征及其影响因素，并开发先进的信号处理技术对检测信号进行分析处理，达到抑制噪声、增强缺陷衍射波特征的目的；本研究提出将小波包分解技术及逐点自适应滤波算法用于检测信号处理及图像处理，研究结果显示：基于信号处理后的输出信号进行超声TOFD成像可有效的抑制图像噪声并提高了对缺陷图形的分辨能力。.本课题紧扣奥氏体不锈钢焊缝的超声TOFD检测技术开展科研工作，成果涵盖检测过程的有限元建模、检测设备搭建、焊缝组织对声波传播特性的影响、信号处理算法开发、检测方法及参数优化等方面，为中厚壁奥氏体不锈钢焊缝的超声TOFD检测技术的推广应用提供了有力的技术支持。