激光超声系统不同的焊缝表面裂纹可视化的核电站控制棒传动机构总成

文摘

在本文中,我们提出一个J-groove不同的焊接裂纹基于超声波传播的可视化系统成像(UPI)技术。全面控制棒驱动机构(CRDM)组装样品来验证该系统制作的。超声波传感器是联系一度反应堆容器的内表面的头CRDM组装的一部分。q开关激光进行扫描产生超声波焊缝。裂纹的定位和大小由超声波传播成像是可能的。此外,超声波光谱成像公布了损害波的频率成分,而wavelet-transformed超声波传播成像增强可视性的损害产生一波传播视频关注损害波的频率分量。Dual-directional反常波传播成像与相邻波减法也发达能见度提高裂纹无论裂纹方向和波传播方向。总之,全面的样本测试表明,多个损害可视化工具非常有效的可视化J-groove不同的焊接裂缝。

1。介绍

控制棒驱动机构(CRDM)装配包括一个反应堆容器的头(RVH)和许多渗透喷嘴由碳钢,合金690,分别如图1(一)。两种不同的金属部分,即RVH和渗透喷嘴,再加上焊接所示的单元结构CRDM组装图1 (b)。RVH的内表面,直接接触主冷却剂,都是包层,以防止任何RVH的碳钢材料之间的反应和冷却剂中的硼成分。核电站(NPP)操作期间,热量和压力载荷集中渗透喷嘴和异种金属焊接,这是比较脆弱的地方。核电站的操作时间增加了,有增加的增长主要水应力腐蚀(PWSCC)异种金属焊接循环应力或渗透喷嘴。如图2(一个),这些PWSCCs最终成长为表面裂缝和漏水问题成为主要的路径。而冷却剂硼酸成分不仅积累在反应堆容器的外表面硼酸存款,但它也创造了一个反应腔的碳钢RVH的成分,如图2 (b)(1]。实际上,腐蚀力RVH的硼酸存款已经被认定了20022),一次冷却剂泄漏水通过Ohi NPP的内表面裂纹是注意到在日本,20043]。

为了检测少量的PWSCC反应堆,检查需要使用自动检测系统能够快速测试和分析因为CRDM大会最少的人类的可访问性。此外,尽管PWSCCs成长为表面裂缝,他们很难发现,因为他们不是开裂缝,因此用肉眼不易区分。如果这些损失被忽略,骨折等严重事故可能发生渗透喷嘴由于PWSCC焊缝周围的生长。如果测试需要太长时间才能完成,极端的经济损失就会因为大部分的测试需要一个停用期间完成。

目前正在使用的各种无损检测方法检测PWSCC CRDM组装如超声波技术(UT),涡流技术(ET),视觉技术(VT),渗透技术(PT)。Cumblidge et al。4)提出了一个基于ET PWSCC检测方法RVH, J-groove焊缝,在从服务中移除和渗透喷嘴等等CRDM组装。然而,出现问题的等方法检验时间长等小面积,因为狭窄的接触表面的探针和低可靠性的变化引起的目标表面之间的接触面积,在每个探测探测区域。UT, PWSCC检测方法使用脉冲/回波模式提出了克尔和欧特5]。方法显示优越的穿透深度和可服务性ET-based方法但是需要逐点扫描通过直接联系UT调查。因此,完成测试在一个复杂的焊接部分和弯曲RHV是困难和费时。因此,先进的无损评价(安德)技术能够更快和更可靠的扫描应该为CRDM开发组装。

在本文中,我们设计一个不同的焊接裂纹CRDM装配可视化系统。系统可以进行非接触扫描一代超声波RVH的内表面的撞击q开关激光脉冲在200赫兹。系统还可以使用超声波传感器获取超声波联系在一个位置而不接受扫描。系统设计时自动可视化表面裂缝裂缝内RVH的异种金属焊接达到焊接表面。该系统是基于激光超声传播成像技术(6)和新配备的先进平台多个损害可视化处理表面裂缝可视化。现场检查应用程序提供一个概念验证,全面模型制造,其结构尺寸与信噪比的激光超声技术。最后,提出了系统检测表面裂纹检测的异种金属焊接模型。

2。系统配置

2.1。配置不同的焊接裂纹可视化系统和实验装置

图3(一个)显示了本研究中所开发的系统配置CRDM裂纹检测的程序集。由于核反应堆容器的性质,自动化系统是至关重要的,以避免人类的指令的方法。RVH头NPP的检修过程中取消。在此期间,该系统如图3 (b)插入以下打开RVH的头,使接触的内表面上的超声波传感器RVH使用它的机械手臂。高速激光扫描然后应用在不同的焊接用激光镜扫描器(LMS)。q开关固态二极管泵浦激光器(QL)波长为532 nm用于生成一束激光脉冲的持续时间8 ns镜和激光扫描仪(LMS)被用来侵犯激光束具有相同间隔RVH的内表面上。撞击产生的每个网格点扫描激光超声波。LMS是配备了一对波长532纳米的激光反射镜操作和镜子被固定在两个正交galvanomotors 75 rad / s最大角速度。每个镜子能够旋转的±20度从上到下或从左到右。每个网格点上的激光脉冲是侵犯一次通过同步QL的脉冲重复频率(脉冲)和galvanomotors的运动。图3 (c)显示了一个传感器接触机构安装在机器人手臂的结束。一个amplifier-integrated压电陶瓷传感器与直径4毫米和中央350 kHz的频率。凝胶使用耦合剂的耐磨护板传感器增加超声波传播性。如图3 (d),一束激光是侵犯了每个点沿扫描路径在该地区拥有一个宽度和长度在恒定的时间间隔。激光超声波产生的激光点刺激的,而生成的超声波传感器检测到的目标通过在线联系带通滤波器和保存在电脑图像处理。

多个损害可视化算法集成在此系统中,如超声波传播成像(UWPI) [6),超声波光谱成像(USI) (6),小波转换超声波传播成像(WUPI) (7,异常波传播与相邻波成像减法(AWPI AWS,参考AWS) (8]损害可视化和本地化。

验证所提出的系统使用的全面模型CRDM装配如图4(一)。为碳钢部分真正RVH 136.5毫米厚度,690合金管的真正渗透喷嘴直径114.3毫米和8.6毫米厚度。与一个弧形裂纹深度生成15毫米的长度和最大深度和宽度的1.5毫米和0.7毫米,中间分别在不同的金属焊接,如图4 (b)。扫描完成了在扫描区域的距离为1米毫米,毫米,毫米。冲击光束的直径是2毫米。PRF QL等于侵犯点每秒的数量。在这项研究中,200赫兹脉冲重复频率,因此使用200脉冲的激光束被侵犯了200分1秒。感兴趣区域的扫描时间17分钟,损害可视化图像处理时间几乎是实时的。在实验期间,带通滤波在130 kHz ~ 150 kHz范围内用于窄带波形采集高信号噪声比,QL的能量密度是91.45 mJ /厘米,和超声波传感器(65)mm对扫描区域的起源。

2.2。基本的超声波传播图像处理

UWPI方法将一维时域信号的三维数据结构。如图5(一个),一个时域波信号表达采样点,信号一个垂直线保存在一个电子表格。一个二维数组是由安排的信号如图5 (d)。后生成电子表格每一水平的道路,这些电子表格重新安排在3 d数据数组的结构如图5 (e)。地图表达强度信号的振幅为每个点的颜色范围由切片生成旋转三维数组沿着时间轴,如图5 (f)。强度的地图采取冻结帧的作用在生成波传播的视频。

图5 (b)显示了一个一维频域信号从一维时域信号通过应用快速傅里叶变换(FFT)。USI的方法,这些转换信号被用来生成一个超声波光谱视频。这些信号被安排在了UWPI一样。每一帧视频USI的表达谱振幅与颜色的空间分布规模。这里,由于当地结构面积与损害波频率变化可以识别框架在每个频率切片,受损的区域是有效的可视化。同时,频率分量在USI属于损害WUPI可以利用。当选择wavelet-transformed 1 d时域信号的小波量图呈现在图5 (c),中央频率和伤害频率发现可以选择可视化主波的传播和伤害波,分别。

WUPI方法生成一个wavelet-transformed超声波传播视频通过选择重新安排1 d wavelet-transformed信号频率相同的方式UWPI,如数据所示5 (d)- - - - - -5 (f)。

2.3。小说Dual-Directional反常波传播成像和裂纹方向

本研究中所开发的系统配备了先进的AWS方法开发一个合适的裂缝可视化方法通过修改传统的AWS (8)为区域开发类型损伤评估。区域类型的损伤如分层或脱胶,当一个超声波是由一束激光侵犯损伤区域内的波(这是一种二维驻波留在受损区域)以及激光束的散射波发生侵犯范围伤害。

如图6(一),当一个超声波是由一束激光侵犯周围的裂纹(或),部分组件超声波反射裂缝,成为散射波。本文的裂缝作为目标已经达到表面如PWSCCs,海浪和内裂纹附近生成的图来表示6 (b)应该显示出相当大的差异。在一般情况下,一波产生的激光束侵犯内损坏会有更高的振幅由于边界碰撞效应和更深层次的激励。

图7(一)显示水平方向相邻信号获得(40.0,34.2),(40.1,34.2),(40.2,34.2)的一个完整的地区。同样,图7 (b)显示垂直相邻信号获得(40.0,34.2),(40.0,34.3),(40.0,34.4)。水平或垂直相邻信号生成完整的表面显示强烈的相似性,不管方向。图7 (c)显示信号获得三个横向相邻点,(14.0,12.3),(14.1,12.3),(14.2,12.3),放置在一个位置接近人工裂缝。这些相邻信号仍然有很强的相似性。自从2毫米激光束扫描表面裂纹几乎沿着其定位、激光和裂纹之间的相互作用没有显著差异和产生的相邻信号有很强的相似性。另一方面,垂直相邻信号如图7 (d)尽管0.1毫米的小间隔差别很大,因为激光扫描表面裂纹几乎垂直的方向。

因此,传统的AWS算法,不考虑裂纹的方向性选择两个相邻信号,可能无法想象一个方向的裂纹平行处理。因此,dual-directional相邻波减法(法),提出了处理两个方向相邻的信号。

AWS算法包括一个信号处理步骤,允许两个信号的匹配有不同的到达时间。到达时间匹配是通过将时间轴的第二信号在扫描两个信号,采样点数量转移是决定减去信号时,,最小均方根(RMS)的价值 在哪里转移的数量,和表示采样间隔,在信号采集,数据点的数量。移位的时间可以表示为。第一个信号和第二信号被认为是当计算匹配在是最低的。因此,一个完整的地区获得的两个相邻波相似,甚至在时间点之前调整是减少他们的影响;然而,两个相邻波得到的受损区域调整,因此即使在不同时间点减去信号还包含一个可见的剩余组件。剩余波的性质依赖于损伤类型会导致残余入射波,散射波,和/或封闭波。

图8(一个)显示了结果的横向相邻波减法使用第一个信号在(14.0,12.3)和第二信号(14.1,12.3)的表面裂纹。减去信号显示低残余入射波的高相似性水平相邻波和裂纹方向平行。因此,AWS和横向相邻波减法未能增加可见性反常波组件,可以澄清在图9 (d)。另一方面,数字8 (b)显示垂直相邻波减法的结果使用第一个信号在(14.0,12.3)和第二信号(14.0,12.4),它显示了高残留入射波高振幅即使信号具有相同的时间间隔的信号图8(一个)。垂直相邻波减法的结果如图8 (c)计算通过使用信号(40.0,34.2)和(40.0,34.3),这是独立于表面裂纹的位置。即使它也处理垂直相邻波如如图8 (b)剩余完全删除的时间点调整和减法。因此,裂缝方向尚不清楚在实际应用;因此法不需要用来忽略随机定向裂缝。

3所示。实验结果

图9(一个)显示了定格在29.4μ年代UWPI视频结果,当扩散波与裂缝呈现在图4 (b)。由于CRDM组装的厚度处于仍被视为半无限结构的限制,瑞利面波(9)是决定性的纵向波和瑞利波UWPI中观察到的电影。的位置和形状裂纹能够被探测到从倒塌的波前的长度和长度的高振幅沿表面裂纹线模式。主要的频率分量USI的损伤可以引起的。如图9 (b)显然,定格在140 kHz隔离的形状和位置不同的焊接表面裂纹。相同的频率分量也用于生成WUPI视频结果如图9 (c)。WUPI冻结帧的视频提供了一个超声波组件对应的窄带140千赫。对于UWPI,因为所有频率成分混合在一个信号,一个非常复杂的传播模式。另一方面,WUPI显示了一个简单的传播模式,因为它仅仅使用一个选定的频率分量;因此,它可以提取信号组件相关的伤害更大的可视性。然而,所需要的步骤数找到更改的频率成分,如果损害没有引起任何变化频率成分,WUPI可能无法想象这种伤害。

法算法中描述的部分2.3应用水平和冻结帧处理AWS视频结果如图9 (d)。损失无法可视化在水平方向上因为表面裂纹的指向性也大约水平。一个小两个相邻信号之间的差异引起的;从而大大减少残余波发生率仍在减去信号。另一方面,如图9 (e),垂直AWS视频处理结果可视化人工裂缝只与高对比度。它提供了更好的可见性的裂纹通过抑制大部分入射波与破坏,也能够想象中的复杂焊珠CRDM组装。

裂纹长度估计在各自的成像方法所示冻结帧和展示良好的协议与实际裂纹长度15毫米。因为这多个图像处理平台的检视的损坏或nondamaged区域随机噪声区域,检查人员可以更可靠的决定损害。

4所示。结论

一种新颖的激光超声裂缝可视化系统设计和制造来检测和评估PWSCCs之间不同的焊缝渗透喷嘴和RVH的CRDM组装基于超声波传播成像技术。不同损伤可视化平台组成的四个算法,UWPI, USI, WUPI,装备和法,提出系统。

RVH的NPP的定期检修过程中解除。在此期间,该系统操作及其机械臂接触RVH的内表面上的超声波传感器和高速激光扫描执行在不同的焊接。概念验证,全面CRDM装配模型是捏造和15毫米人工生成表面裂纹的焊接珠。系统可行性证明通过可视化裂纹长度。特别是新开发的法能够想象的任何裂纹无论其取向。

密集的扫描网格与0.1毫米扫描间隔实现详尽检查复杂的焊接面积40毫米×50毫米。扫描时间只有17分钟和损害可视化实时图像处理完成,从而减少经济损失引起的植物的中断操作。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究支持的基础科学研究项目(2011 - 0010489)和主要外国研究所招聘程序通过韩国国家研究基金会由教育部、科技部(2011 - 0030065)。

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