Nuclear Engineering and Design讲解.docx

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NuclearEngineeringandDesign讲解

NuclearEngineeringandDesign

核工程与设计

Ultrasonicphasedarrayexaminationofcircumferentialweldjointin

reactorpressurevesselofBWR

圆周焊接接头的超声相控阵检测沸水堆反应堆压力容器

•PhasedarraytechniquedevelopedforweldjointinspectioninBWRpressurevessel.

•Simulationstudieswerecarriedoutforconventionalandphasedarrayprobe.

•Conventionalultrasonictestshowsin-adequateweldcoverageandpoorresolution.

•Focusedsoundbeaminphasedarrayresultsingoodresolutionandsensitivity.

•Ultrasonicphasedarraytechniqueisvalidatedonmock-upwithreferencedefects.

•相控阵技术开发沸水堆压力容器焊接接头检验。

•仿真研究常规和相控阵探头进行。

•常规超声波测试表明在适当的焊接范围和分辨率差。

•聚焦声束在相控阵结果良好的分辨率和灵敏度。

在模拟与验证•参考缺陷超声相控阵技术。

abstract（摘要）

Theweldjointsinthereactorpressurevessel（RPV）ofBoilingWaterReactors（BWR）arerequiredtobeexaminedperiodicallyforassuranceofstructuralintegrity.Ultrasonicphasedarrayexaminationtechniquehasbeendevelopedinauthors’laboratoryforinspectionofthetopflangetoshellcircumferentialweldjointinRPVofBWRs,whichareinoperationinIndiasincethelate1960s.Thedevelopmentinvolveddetailedsimulationstudiesforcomputationoffocallawsfollowedbyvalidationonmock-up.Thepaperbringsoutthelimitationsoftheconventionalultrasonictechniqueandhowthiscanbeovercomebythephasedarrayapproachfortheweldjointunderconsideration.ThephasedarraytechniquewassuccessfullyemployedforfieldexaminationofthisweldjointinRPVduringthere-fuellingoutage.

在反应堆压力容器焊接接头（RPV）的沸水反应堆（BWR）需要定期检查结构完整性的保证。

超声相控阵检测技术已在作者的实验室的顶部法兰圆周开壳检查焊接在RPVBWRS接头，这是运行在印度自上世纪60年代末的发展。

对焦法依次对模拟验证计算详细的仿真研究。

本文提出了传统超声技术的局限性，这是可以克服的相控阵的方法，考虑焊接接头。

相控阵技术成功地采用这种焊接接头在压力容器领域考试期间T

1.Introduction（引言）

ThetwinBolingWaterReactors（BWRs）atTarapur,Indiaareinoperationsincelate1960s（KatiyarandBajaj,2006）.Thein-serviceinspectionprogrammeforthisreactorisbasedontheguidelinesofASMEBoiler&PressureVesselCodeSectionXI.TheCodedemandsperiodicinspectionoftheweldjointsinreactorpressurevessel（RPV）toensureitsstructuralintegrityduringitsservicelife.Theinspectionisrequiredtobecarriedoutbyultrasonictesting.BWRpressurevesselsatTarapurAtomicPowerStation（TAPS）aremadefrom124mmthicklowalloysteel.Thevesseliscladdedfrominsidesurfacewithapproximately6mmthick308Lausteniticstainlesssteel.TheRPVatTAPShasfourcircumferential（C1–C4）andsixlongitudinalwelds.TheuppermostcircumferentialweldC1istheweldjointbetweenthetopflangeandtheRPVshell（IAEA,2005）.Duringmanufacturing,thisweldwasexaminedfromtheoutsidesurfaceandinsidesurface（priortocladding）byultrasonicanglebeamandnormalbeamtechniques.Forin-serviceinspection,therearetwowaystocarryoutultrasonictestingofthisweldjoint:

fromtheinsidesurfaceoftheRPVorfromthetopsurfaceoftheflange.TheoutsidesurfaceoftheRPVisnotaccessibleduetothepresenceofshielding.Theinsidesurfaceexaminationwouldinvolvetheanglebeamandnormalbeamscanusingamanipulator,sincetheweldjointisnotdirectlyaccessibleformanualinspection.However,theroughsurfaceofthecladontheRPVpreventsreliableultrasonicteststipulatedbytheCodewiththerequiredsensitivity.Theotheroptionofinspectionfromthesurfaceoftopflangewouldinvolvenormalbeamscan.Thisapproachissimpler,astheflangesurfaceisdirectlyaccessibleformanualinspection.TheflangesurfaceisverysmoothunliketheIDsurfaceofthecladandhencethesensitivityrequirementoftheinspectionstandardcanbemet.Theonlydrawbackofthisapproachisthatonewillnotbeabletodetectplanarflawslikecracksthatarepredominantlyorientedintheaxial–radialplane.Nevertheless,thenormalbeaminspectionwouldstilldetectthevolumetricflawsandflawswhichareorientedincircumferential–radialplane.TheflangesurfacehasmanypenetrationsforboltstofixthetopcoverovertheRPVshell.Thesepenetrationsprevent100%examinationoftheC1weldjointusingconventionalnormalbeamprobe.Anultrasonicphasedarraytechniquehasbeendevelopedtoovercomethislimitation.

双沸腾水反应堆（沸水堆）在印度建造，在操作自上世纪60年代末（Katiyar和Bajaj，2006）。

该反应器在役检查计划是基于ASME锅炉及压力容器规范第XI指南。

规范要求在反应堆压力容器焊接接头（RPV）定期检查以确保其在服役过程中，其结构的完整性。

检查需经超声波探伤进行。

沸水堆压力容器在塔拉普尔原子能发电站（水龙头）是由124毫米厚的低合金钢。

该船是由内表面覆有约6毫米厚的308奥氏体不锈钢。

在水龙头的RPV四周（C1–C4）和六纵焊缝。

最上面的环焊缝的C1顶部法兰和压力容器壳体之间的焊接接头（国际原子能机构，2005）。

在生产过程中，这是检查焊缝的外表面和内表面（之前包）超声束角和正常束技术。

在役检查，有两种方法来进行焊接接头超声检测：

从压力容器的内表面或从法兰顶面。

反应堆压力容器的外表面不容易由于屏蔽的存在。

内表面检查将涉及的角梁和普通梁采用机械扫描，由于焊缝不直接访问手动检查。

然而，该包在RPV的粗糙表面防止可靠的超声波测试规范规定所需的灵敏度。

从顶部法兰表面检查的其他选项包括正常束扫描。

这种方法比较简单，如法兰面可直接访问的人工检查。

法兰表面非常光滑的不同的检验标准，因此复合灵敏度要求ID表面可以见到。

这种方法唯一的缺点是，你将无法检测平面缺陷如裂纹主要沿轴向–径向平面。

Thephasedarrayultrasonictechniquehasfoundmanyapplicationsforinspectionofnuclearpowerplantcomponents,including

weldjointsinpressurizedcomponentssuchasvesselsandpipes（Brekowetal.,1989;Mahautetal.,2002;Renshawetal.,2013;Songetal.,2002;Yangetal.,2009）.ThetraditionalapproachforphasedarrayexaminationofC1weldjointwouldhaverequiredscanningoftheweldjointfromtheinsidesurface.Notonlythisinspectionwouldhavebeenlesssensitiveduetothepresenceofroughclad,butalsoverytimeconsuming.Abetterapproach,involvingphasedarrayexaminationofC1weldjointfromthetopflange,hasbeendevelopedaspartofthisstudy.Sincetheflangesurfaceisverysmooth,thereisnoproblemwithrespecttocoupling.Byusingbeamsteeringabilityofphasedarray,theentirecross-sectionofweldiscoveredfromasinglepositionovertheflange.ThiseffectivelymeansthatinordertoexaminetheentirecircumferenceoftheC1weldjoint,oneneedstomovethephasedarraytransducerinalinearpath（one-directionscan）leadingtofasterinspection.Thephasedarrayinspectionalsooffersseveralotheradvantagessuchasgoodsensitivityandresolutionachievedbysoundbeamfocusing.ThispaperdescribestheresultsofsimulationstudiescarriedoutforcomputationoffocallawsforthephasedarrayexaminationofC1weldjointintheRPV.Basedontheresultsofsimulation,experimentswerecarriedoutonamock-uppiece,whichcontainedreferenceflawsintheformofsidedrilledholsandnotches.Thedetailsoftheexperimentalworkcarriedoutarebroughtoutinthispaper.

相控阵超声技术已经发现了许多用于核电厂部件的检测，包括在受压元件如容器和管道焊接接头（brekowetal.，1989；马霍木槿etal.，2002；Renshawetal.，2013；宋etal.，2002；Yangetal.，2009）。

相控阵列C1焊缝检查的传统方法需要从内表面焊缝扫描。

这不仅检验会由于粗包的存在不敏感，但也很耗费时间。

。

一个更好的方法，包括阶段性C1焊接接头从顶部法兰阵列检查，已发展为这项研究的一部分。

由于法兰面非常光滑，没有问题，就耦合。

利用相控阵的波束控制能力，将整个焊缝的横截面从一个单一的位置覆盖在凸缘上。

这实际上意味着，为了检验焊接接头的C1的整个圆周，你需要在一个线性路径移动相控阵换能器（一个方向扫描）带来更快的检验。

相控阵检测还提供了一些其他的优势，如良好的灵敏度和分辨率，实现声束聚焦。

相控阵检测还提供了一些其他的优势，如良好的灵敏度和分辨率，实现声束聚焦。

本文介绍了仿真结果为分阶段在压力容器焊接接头检验C1阵列聚焦法则计算进行研究。

根据模拟的结果，实验是在一个模拟件进行，包含在侧钻孔和槽的形式参考缺陷。

在本文中进行的实验工作的细节，以更快的检查。

相控阵检测还提供了一些其他的优势，如良好的灵敏度和分辨率，实现声束聚焦。

2.LimitationsoftheconventionalultrasonictestforC1weldexamination

对C1常规超声检测的局限性焊缝检验

ThenormalbeaminspectionfromthesurfaceofthetopflangeprovidesaneasieroptionforexaminationoftheC1weldjointinBWRRPV.Although,thisinspectionislikelytomissflawsinaxial–radialplane（sincethesoundbeamisparalleltotheflawsurface）,itwillcertainlydetectvolumetricflawsandcrack-likeflawsthatareorientedincircumferential–radialplane.TheC1weldjointislocatedatadistanceofapproximately425mmfromtheflangesurface.TheschematicofthisweldjointisshowninFig.1.Theflangeisverythickatthetop（260mmthick）andismatchedinthicknesswiththatofRPVshell（124mm）attheweldlocationbyprovidingataperonitsoutsidesurface.Theweldjointissingle-veegroovefullpenetrationbuttweldwiththeedgepreparationangleofapproximately7◦fromtheradialnormal.Thismeansthatthefusionlineismoreorlessparalleltotheflangetopsurface,facilitatingthedetectionofanylack-of-fusionwhentheinspectioniscarriedoutbynormalbeamfromtheflangetopsurface.

上翼面上的法梁检验为C1焊缝检查一个容易的选择沸水堆压力容器。

虽然，这次检查是可能错过的缺陷轴向–径向平面（由于声束平行于裂纹面），它肯定会发现体积缺陷和裂纹状缺陷是面向–径向平面的圆周。

C1焊接接头坐落在距离约425毫米的法兰表面。

该焊接接头的示意图如图1所示。

这个法兰是非常厚的顶部（260毫米厚），并在与反应堆压力容器壳体厚度（124毫米）在焊缝位置在外表面上提供锥度。

焊接接头是单形槽型全熔透对接焊缝边缘准备角度约7◦从径向正常。

这意味着融合线是多或少平行于翼缘顶面，便于检测时的任何缺乏，检验时的融合用正梁从法兰顶面进行。

Thesurfaceoftheflangehas54penetrations,equallyspacedovertheentirecircumference,forboltingthetopcoverovertheRPVshell.TheschematicofthelocationsofthesepenetrationsontheflangesurfaceisshowninFig.2.Itshowsthatthereisalimitedspaceavailable,approximately83mmatthelocationofpenetrationsfornormalbeamscanning.Thismayleadtoin-adequatecoverageoftheC1weld,especiallytheregionadjacenttotheODsurface.

法兰的表面有54穿透，等距在整个圆周上，锚杆支护的顶盖在RPV贝壳。

对这些渗透的位置示意图flangesurfaceisshowninfig.2.itshowsthatthereisalimitedspace可用的，约83毫米，在穿透的位置正波束扫描。

这可能导致在适当的覆盖范围C1焊接，特别是相邻的区域OD表。

Inordertoascertainthis,simulationstudieswerecarriedoutusingCIVA9.2.CIVAisversatileNDEsimulationsoftwaredevelopedbyCEA（AtomicEnergyandAlternativeEnergiesCommission）,France.TheultrasonicsimulationinCIVAhastwomodules:

thebeamcomputationandthedefectresponse.Withbeamcomputation,onecanvisualizethesoundbeamprofileinthecomponentforagivenprobedefinedbytheuser.Thedefectresponsemodulegivestheinteractionofthecomputedsoundbeamwithvarioustypesofdefectsthatareplacedinthevirtualcomponentbytheuser

为了确定这一点，进行了仿真研究9.2使用CIVA。

CIVA仿真软件是通用的无损检测developedbycea（atomicenergyandalternativeenergiescommission），法国。

CIVA超声波模拟模块的束流计算及缺陷响应。

梁的计算，可以在组件中的声束分布的可视化对于给定的用户定义的探针。

缺陷响应模块给出了不同的计算声束的相互作用用户放置在虚拟组件中的缺陷类型

Thesimulationstudiesarecarriedoutfornormalbeamprobesofdifferentdiameterandfrequency.Thediameterandthefr