核电站厚壁聚乙烯管电熔接头相控阵聚焦声场的研究

发布时间：2020-04-24 05:25

【摘要】：聚乙烯(PE)管具有韧性好、耐腐蚀、抗积垢、使用寿命长等优势,已在核电站核级输水管线中使用。应用现有的相控阵超声检测技术对核电站厚壁PE电熔接头(厚度大于40mm)进行无损检测时,聚焦能量不足,信噪比和分辨力不能满足检测要求。厚壁PE管超声检测技术的缺失严重制约了 PE管在核电站中的推广和应用,引起了各核能发达国家的密切关注。与金属不同,受黏弹性材料PE声衰减和声频散特性的影响,超声波在PE介质中传播时会发生波形畸变。波形畸变在传播方向的积累影响了聚焦声束的合成,进而对缺陷识别与成像产生干扰。因此,考虑PE黏弹性的相控阵聚焦声场的研究是开发厚壁PE管电熔接头超声检测技术的前提。本文在国家自然科学基金青年基金项目“聚乙烯管道电熔焊接接头超声检测特征线的形成机理研究”(项目编号:51305394)和国家自然科学基金面上项目“基于粘弹性损伤模型的聚乙烯管材慢速裂纹扩展机理研究”(项目编号:51575480)的支持下,以核电站用厚壁PE管电熔接头为研究对象,从PE声波动方程理论、PE相控阵聚焦声场模拟、厚壁PE管电熔接头检测参数设计三个方面展开研究,主要完成的工作有:(1)考虑PE黏弹性,基于Szabo模型在时域上建立了声场数值分析模型:首先通过时域有限差分法,将连续问题转化为离散问题;再对PE声波动方程的差分格式进行修正,以消除超奇异性、改善稳定性、提高计算精度;然后结合工程实际,建立吸收边界条件,将空间无限问题转变为在有限空间上的求解;最终利用数值分析方法求得PE声场中任意质点在任意时刻的声压。本文对比了数值模型求解结果与超声显微镜试验值,在频域和时域上验证了模型的有效性,并确定了时空四阶空间3层逼近差分算法为最优模型。(2)基于相控阵超声检测技术原理,建立了平面波与辐射波声波动方程的理论关系,进而提出了 PE中相控阵聚焦声场数值分析模型。本文提供了在PE中实现相控阵聚焦声场所需延迟时间的计算方法,并讨论了现有超声检测设备延迟时间确定方法的有效性。同时,本文分析了不同孔径下聚焦声场轴线声压分布和聚焦直径的变化规律,确定采用“聚焦直径减小到接近稳定值”作为备选检测参数的判断依据。(3)讨论了探头孔径、阵元间距和扫描方式对厚壁PE管电熔接头(聚焦位置80mm)检测聚焦性能的影响。结合检测空间、探头加工难度、检测便利性等因素,提供了 5组备选检测参数,并最终在现有检测条件下实现了核电站厚壁PE管电熔接头的超声检测。同时,基于一个综合了灵敏度、分辨力、信噪比、穿透力和精度的检测效果指标,对采用现有技术实地检测时使用的不同检测参数进行评价,获得了与理论分析结果一致的最优参数,从而验证了基于PE相控阵聚焦声场分析模型提出的检测参数和判断依据有效。
【图文】：

电熔,套筒,电阻丝

ＰＥ管的连接方式主要有电熔连接、热熔连接和机械连接。逡逑１．２．１．１电熔连接逡逑电熔连接是一个材料物理熔接的过程［３４］，其工艺流程如图１－１所示。首先逡逑将待连接ＰＥ管端部插入埋有电阻丝的电熔套筒中，并使管材外表面和套筒内表逡逑面紧密接触。再将电熔套筒与焊机连接，使电阻丝通电发热。热量逐渐由电阻丝逡逑向两侧管材和套筒传递，使管材外表面ＰＥ和套筒内表面ＰＥ逐浙熔融并相互渗逡逑透。焊接一定时间后，断开电源，待接头慢慢冷却，最终形成具有一定强度的电逡逑熔接头（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｆｕｓｉｏｎｊｏｉｎｔ，邋ＥＦ邋接头）。逡逑：d剩у危璤L逦ＬＴ：赢：灥逡逑１＾——ｉ邋ｂ—ｉ逡逑（ａ）准备阶段逦（ｂ）定位阶段逡逑｜邋｜邋ｊ邋？■■■邋Ｉ逡逑Ｉ逦Ｉ逡逑一邋？邋ｍ逦Ａ．…＿］逡逑１１１１１１１１１＾W１１１WＢ逡逑ＨｍａｎＫ邋ｔ邋，，ａ—ａ逡逑（ｃ）焊接阶段逦（ｄ）保持阶段逡逑图１邋－１电熔连接主要工艺逡逑电熔焊接自动化程度高

热熔连接,热熔焊接

绪论逡逑使两端面接触、熔融为一体，待充分冷却后形成具有一定强度的热熔接头［３６］逡逑（Ｂｕｔｔ－ｆｉｉｓｉｏｎｊｏｉｎｔ，ＢＦ接头）。热熔焊接工艺过程如图１－２所示。逡逑１逡逑（ａ）预热阶段逦（ｂ）加热阶段逡逑ＢＨＢＢＨＨＨｈＪ邋ＨＨＢＨＨＢＨＨＲＥＢＢ逦：ｚ＝逡逑（ｃ）切换阶段逦（ｄ）冷却阶段逡逑图１－２热熔连接主要工艺逡逑ＰＥ管材热熔焊机主要包括液压装置、夹持导向装置、加热装置和铣削装置。逡逑热熔焊接主要控制参数有：预热温度，预热时长，焊接温度，焊接压力，焊接时逡逑长，保持压力，保持时长等。热熔焊接过程操作复杂，参数繁多，焊接结果易受逡逑人为因素影响。但是热熔接头避免了菅件的使用，大大节约了成本，并且对焊接逡逑管道的尺寸具有很好的灵活性［３７］。逡逑１．２．１．３机械连接逡逑对于核电站用ＰＥ管，机械连接常用于特殊施工环境或钢塑连接［３８］。例如，逡逑埋地管道环境潮湿有水或焊接装置安装不便，不具备电熔或热熔焊接的环境条件逡逑时，应当采用机械连接。又例如，当ＨＤＰＥ管与其他金属管材或配水器连接时，逡逑可在低压输送管线上采用法兰连接。逡逑１．２．２邋ＨＤＰＥ管在核电站的应用现状逡逑国内外在役核电站承压水输送系统绝大部分采用碳钢、铸铁等传统金属材料。逡逑随着核电厂服役时间的增长，埋地管道的防腐措施失效，相继发生了严重的腐蚀、逡逑结垢等问题。据中广核集团研究人员统计
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM623.4

【相似文献】