有限元模擬仿真在壓力容器對接接管焊縫相控陣超聲檢測工藝設計中的研究與驗證

魏榮帥， 陳 宇， 周鳳革， 楊 高， 冶金輝

1. 哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司，河北 秦皇島 066206 2. 機械工業哈爾濱焊接技術培訓中心，黑龍江 哈爾濱 150046 3. 一重集團大連核電石化有限公司，遼寧 大連 116014

0 引言

加氫反應器是石油化工中最重要的設備之一，在國民經濟中占有重要地位，是被稱為“大國重器”的設備。它的作用是通過提煉提高石油的利用率和附加值。加氫反應器的性能和質量直接影響了煉油廠的生產效率和經濟效益，也關系到國家的能源安全和環境保護。

針對加氫反應器這種大壁厚壓力容器的窄間隙接管焊縫一直是無損檢測的難題，提高焊縫中裂紋、未熔合、夾渣等缺陷的檢出率，對安全運行具有重要意義。目前常采用的射線檢測技術由于接管焊縫特殊結構復雜和超大壁厚的影響，檢測難度大，檢測周期過長；而常規的脈沖反射法超聲檢測，由于受到馬鞍狀焊縫結構、壁厚、曲率和表面堆焊層的影響以及檢測位置的局限性，存在缺陷信號識別難、缺陷定性及定位難、焊縫全覆蓋難等問題［1］。

相控陣超聲檢測技術作為目前超聲檢測的前沿技術，利用相控陣技術和計算機軟件來控制超聲波延時聚焦法則，結合扇形掃查，波束可以盡可能全覆蓋接管焊縫檢測區域，得到直觀的可記錄圖像結果［2］。其檢測效率、缺陷檢出率、定性及定量精度等方面都較常規超聲具有明顯優勢。

一重集團大連核電石化有限公司組織有關行業知名機構和廠家成立聯合課題組，通過建立3D仿真模型，利用無損檢測專業仿真軟件CIVA，驗證檢測工藝中探頭和前端距的選擇是否滿足標準中波束覆蓋的條件；建立有缺陷3D模型，對不同位置和尺寸的坡口未熔合、夾渣、橫向裂紋、縱向裂紋進行模擬仿真分析，總結不同類型缺陷響應變化規律及特征，為實際檢測提供理論依據［3］。

1 仿真基本理論

1.1 檢測仿真理論

CIVA 聲場仿真是基于Pencil 法修正的瑞利積分模型，屬于半解析法中的一類。瑞利積分將探頭離散成點源的形式，并假設每個點源在輻射面上分布。對于每個觀察點，利用彈性動力學Pencil 法對每個點源在觀測點產生的聲壓幅值進行計算［5］。

1.2 缺陷散射模型理論

CIVA 根據缺陷的性質集成了3 種缺陷散射模型：基爾霍夫（Kirchhoff）近似缺陷散射模型特定面向于面積狀（可以包含多個平面）裂紋缺陷和體積空腔缺陷來進行處理［6］；幾何衍射理論（geometrical theory of diffraction，GTD）模型依據幾何射線理論，特定面向于模擬裂紋邊緣衍射回波；Kirchhoff and GTD 模型特定面向于模擬仿真裂紋缺陷的反射和衍射回波［7］。GTD 模型來進行修正基爾霍夫邊緣衍射場，同時采用物理衍射理論（physical theory of diffraction，PTD）將Kirchhoff 和GTD 模型間的優點進行結合。

通過3 種缺陷散射模型，分別模擬未熔合、夾渣、裂紋等不同尺寸，位置和深度的模擬缺陷（共48個）。仿真相控陣超聲波束在筒體外壁和接管內壁檢測時模擬缺陷的響應情況，進而為相控陣超聲探頭和檢測工藝的制定提供理論依據。

2 仿真建模

2.1 仿真設置

窄間隙接管焊縫3D 模型采用CIVA 默認接管模型，如圖1所示。該工件的材質為20#鋼，壁厚為260 mm，接管直徑304 mm，橫波聲速3 230 mm/s，縱波聲速5 920 mm/s。

圖1 接管模型示意Fig.1 Nozzle model

為滿足不同深度位置缺陷的檢測靈敏度，在外壁檢測時選擇2.25 MHz 和5 MHz，內壁檢測選用2.25L64-1*10 雙晶探頭，內壁檢測和外壁檢測相結合以防止在實際檢測過程中出現漏檢情況［8］。外壁檢測時，第一分區選擇AL MHz 32晶片探頭，第二、三、四分區選擇AXL 2.25MHz 32晶片（近表面檢測探頭需要放置于打磨后的余高上，本次仿真暫未考慮）。探頭和楔塊實際參數如表1所示。

為保證波束覆蓋滿足標準要求和檢測不同深度缺陷的檢測靈敏度，需在外壁檢測時設置多個檢測通道以滿足檢測需求，如表2和圖2a所示。為避免缺陷因馬鞍型掃查路徑造成的波束偏轉而出現漏檢或檢測效果較差的情況［9］，在內壁添加一組雙晶縱波直探頭檢測通道進行對比，如圖2b所示。

表2 模擬掃查區分Table 2 Zonal scanning

圖2 內壁和外壁覆蓋示意Fig.2 Inner/outside beam coverage

2.2 仿真缺陷

結合以往現場實際情況，在仿真建模過程中針對不同角度、不同深度和不同坡口面添加模擬缺陷（共48個缺陷），同時為了歸一化對比和驗證檢測工藝對缺陷的檢出、定位、定性的能力，故添加2橫孔進行對比驗證。缺陷在工件中排布如圖3所示。

圖3 模擬缺陷示意Fig.3 Simulated artificial defects

2.3 CIVA模擬缺陷響應仿真和實際檢測結果

2.3.1 外壁模擬仿真和實際檢測結果

信號模擬器根據不同的目標運動場景生成對應的包含多普勒信息的微波信號，分別模擬了目標勻速運動以及變速運動的場景。

模擬仿真AL 5MHz，AXL 2.25MHz四個分區檢測結果，并通過橫通孔2 mm×50 mm進行缺陷檢測靈敏度進行歸一化處理，以此來判斷缺陷的檢測能力，為實際檢測提供一定的對比參考。焊縫裂紋、夾渣、坡口未熔合缺陷響應扇掃圖像如圖4所示，與橫通孔回波幅值進行歸一化對比如圖5所示。

圖4 接管缺陷外壁扇掃仿真Fig.4 Simulation result from outside of Nozzle

圖5 焊縫填充區夾渣和2橫孔回波幅值對比Fig.5 Comparing the amplitude of slag and 2 SDH

圖6 不同分區模擬缺陷的歸一化幅值Fig.6 Normalized amplitude of simulated defects in different zones

通過分析歸一化后各個模擬缺陷的幅值［10］，可以發現在外壁檢測時4個分區波束能夠滿足對接管焊縫的有效覆蓋（近表面缺陷除外）。在檢測過程中除橫向裂紋外，其余類型缺陷檢測靈敏度均能滿足標準規定的要求；其中夾渣缺陷的檢測靈敏度要遠高于其他缺陷，未熔合缺陷檢測靈敏度要較低。橫向裂紋幅值非常低，需要輔助平行掃查方式針對橫向裂紋進行檢測。

根據仿真情況，在實際模擬試塊上采用外壁仿真探頭進行實際檢測，檢測結果如圖7所示。實際檢測結果與仿真結果較為接近。

圖7 模擬試塊外壁檢測結果Fig.7 Qualification block testing result from outside

2.3.2 內壁模擬仿真和實際檢測結果

采用雙晶縱波直探頭2.25L64-1*10，通過柵格掃查實現在接管內壁的相控陣超聲檢測，并通過橫通孔2 mm×50 mm 進行缺陷檢測靈敏度歸一化對比。內壁模擬缺陷仿真結果如圖8所示。

圖8 內壁部分模擬缺陷線掃仿真結果Fig.8 Simulation result from inner side of Nozzle

圖9 內壁檢測歸一化幅值Fig.9 Inner side amplitude comparing

根據仿真情況，在實際模擬試塊上采用內壁仿真探頭進行實際檢測，檢測結果如圖10所示?？梢园l現所有未熔合，裂紋和夾渣缺陷。只是上表面和下表面橫向裂紋幅值較低。

圖10 模擬試塊內壁檢測結果Fig.10 Qualification block testing result from inner side

3 結論

應用CIVA 仿真軟件對接管焊縫進行模擬仿真，內、外壁檢測均可有效檢出所有缺陷。其中受到工件馬鞍形狀的影響，在筒體外壁檢測時部分缺陷響應幅值低相對較差，而從接管內壁檢測效果更佳。

綜上所述，借助于有限元模擬仿真，聯合課題組采用內壁直入射法和外壁斜入射法的組合相控陣檢測方式，可有效檢測出模擬試塊中的全部缺陷，并能夠準確地定性、定量，符合NB/T 47013.15-2021的要求。目前，這項研究成果已通過相關技術評審，將在以3000噸級漿態床反應器為代表的壓力容器制造、在役檢測中得到廣泛的應用。