【摘要】：聚乙烯(PE)管具有韌性好、耐腐蝕、抗積垢、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),已在核電站核級(jí)輸水管線中使用。應(yīng)用現(xiàn)有的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)核電站厚壁PE電熔接頭(厚度大于40mm)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí),聚焦能量不足,信噪比和分辨力不能滿足檢測(cè)要求。厚壁PE管超聲檢測(cè)技術(shù)的缺失嚴(yán)重制約了 PE管在核電站中的推廣和應(yīng)用,引起了各核能發(fā)達(dá)國(guó)家的密切關(guān)注。與金屬不同,受黏彈性材料PE聲衰減和聲頻散特性的影響,超聲波在PE介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生波形畸變。波形畸變?cè)趥鞑シ较虻姆e累影響了聚焦聲束的合成,進(jìn)而對(duì)缺陷識(shí)別與成像產(chǎn)生干擾。因此,考慮PE黏彈性的相控陣聚焦聲場(chǎng)的研究是開(kāi)發(fā)厚壁PE管電熔接頭超聲檢測(cè)技術(shù)的前提。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“聚乙烯管道電熔焊接接頭超聲檢測(cè)特征線的形成機(jī)理研究”(項(xiàng)目編號(hào):51305394)和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于粘彈性損傷模型的聚乙烯管材慢速裂紋擴(kuò)展機(jī)理研究”(項(xiàng)目編號(hào):51575480)的支持下,以核電站用厚壁PE管電熔接頭為研究對(duì)象,從PE聲波動(dòng)方程理論、PE相控陣聚焦聲場(chǎng)模擬、厚壁PE管電熔接頭檢測(cè)參數(shù)設(shè)計(jì)三個(gè)方面展開(kāi)研究,主要完成的工作有:(1)考慮PE黏彈性,基于Szabo模型在時(shí)域上建立了聲場(chǎng)數(shù)值分析模型:首先通過(guò)時(shí)域有限差分法,將連續(xù)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散問(wèn)題;再對(duì)PE聲波動(dòng)方程的差分格式進(jìn)行修正,以消除超奇異性、改善穩(wěn)定性、提高計(jì)算精度;然后結(jié)合工程實(shí)際,建立吸收邊界條件,將空間無(wú)限問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樵谟邢蘅臻g上的求解;最終利用數(shù)值分析方法求得PE聲場(chǎng)中任意質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻的聲壓。本文對(duì)比了數(shù)值模型求解結(jié)果與超聲顯微鏡試驗(yàn)值,在頻域和時(shí)域上驗(yàn)證了模型的有效性,并確定了時(shí)空四階空間3層逼近差分算法為最優(yōu)模型。(2)基于相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)原理,建立了平面波與輻射波聲波動(dòng)方程的理論關(guān)系,進(jìn)而提出了 PE中相控陣聚焦聲場(chǎng)數(shù)值分析模型。本文提供了在PE中實(shí)現(xiàn)相控陣聚焦聲場(chǎng)所需延遲時(shí)間的計(jì)算方法,并討論了現(xiàn)有超聲檢測(cè)設(shè)備延遲時(shí)間確定方法的有效性。同時(shí),本文分析了不同孔徑下聚焦聲場(chǎng)軸線聲壓分布和聚焦直徑的變化規(guī)律,確定采用“聚焦直徑減小到接近穩(wěn)定值”作為備選檢測(cè)參數(shù)的判斷依據(jù)。(3)討論了探頭孔徑、陣元間距和掃描方式對(duì)厚壁PE管電熔接頭(聚焦位置80mm)檢測(cè)聚焦性能的影響。結(jié)合檢測(cè)空間、探頭加工難度、檢測(cè)便利性等因素,提供了 5組備選檢測(cè)參數(shù),并最終在現(xiàn)有檢測(cè)條件下實(shí)現(xiàn)了核電站厚壁PE管電熔接頭的超聲檢測(cè)。同時(shí),基于一個(gè)綜合了靈敏度、分辨力、信噪比、穿透力和精度的檢測(cè)效果指標(biāo),對(duì)采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)地檢測(cè)時(shí)使用的不同檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),獲得了與理論分析結(jié)果一致的最優(yōu)參數(shù),從而驗(yàn)證了基于PE相控陣聚焦聲場(chǎng)分析模型提出的檢測(cè)參數(shù)和判斷依據(jù)有效。
【圖文】：

ＰＥ管的連接方式主要有電熔連接、熱熔連接和機(jī)械連接。逡逑１．２．１．１電熔連接逡逑電熔連接是一個(gè)材料物理熔接的過(guò)程［３４］，其工藝流程如圖１－１所示。首先逡逑將待連接ＰＥ管端部插入埋有電阻絲的電熔套筒中，并使管材外表面和套筒內(nèi)表逡逑面緊密接觸。再將電熔套筒與焊機(jī)連接，使電阻絲通電發(fā)熱。熱量逐漸由電阻絲逡逑向兩側(cè)管材和套筒傳遞，使管材外表面ＰＥ和套筒內(nèi)表面ＰＥ逐浙熔融并相互滲逡逑透。焊接一定時(shí)間后，斷開(kāi)電源，待接頭慢慢冷卻，最終形成具有一定強(qiáng)度的電逡逑熔接頭（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｆｕｓｉｏｎｊｏｉｎｔ，邋ＥＦ邋接頭）。逡逑：d剩у危璤L邐ＬＴ：贏：灥逡逑１＾——ｉ邋ｂ—ｉ逡逑（ａ）準(zhǔn)備階段邐（ｂ）定位階段逡逑｜邋｜邋ｊ邋？■■■邋Ｉ逡逑Ｉ邐Ｉ逡逑一邋？邋ｍ邐Ａ．…＿］逡逑１１１１１１１１１＾W１１１WＢ逡逑ＨｍａｎＫ邋ｔ邋，，ａ—ａ逡逑（ｃ）焊接階段邐（ｄ）保持階段逡逑圖１邋－１電熔連接主要工藝逡逑電熔焊接自動(dòng)化程度高

緒論逡逑使兩端面接觸、熔融為一體，待充分冷卻后形成具有一定強(qiáng)度的熱熔接頭［３６］逡逑（Ｂｕｔｔ－ｆｉｉｓｉｏｎｊｏｉｎｔ，ＢＦ接頭）。熱熔焊接工藝過(guò)程如圖１－２所示。逡逑１逡逑（ａ）預(yù)熱階段邐（ｂ）加熱階段逡逑ＢＨＢＢＨＨＨｈＪ邋ＨＨＢＨＨＢＨＨＲＥＢＢ邐：ｚ＝逡逑（ｃ）切換階段邐（ｄ）冷卻階段逡逑圖１－２熱熔連接主要工藝逡逑ＰＥ管材熱熔焊機(jī)主要包括液壓裝置、夾持導(dǎo)向裝置、加熱裝置和銑削裝置。逡逑熱熔焊接主要控制參數(shù)有：預(yù)熱溫度，預(yù)熱時(shí)長(zhǎng)，焊接溫度，焊接壓力，焊接時(shí)逡逑長(zhǎng)，保持壓力，保持時(shí)長(zhǎng)等。熱熔焊接過(guò)程操作復(fù)雜，參數(shù)繁多，焊接結(jié)果易受逡逑人為因素影響。但是熱熔接頭避免了菅件的使用，大大節(jié)約了成本，并且對(duì)焊接逡逑管道的尺寸具有很好的靈活性［３７］。逡逑１．２．１．３機(jī)械連接逡逑對(duì)于核電站用ＰＥ管，機(jī)械連接常用于特殊施工環(huán)境或鋼塑連接［３８］。例如，逡逑埋地管道環(huán)境潮濕有水或焊接裝置安裝不便，不具備電熔或熱熔焊接的環(huán)境條件逡逑時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用機(jī)械連接。又例如，當(dāng)ＨＤＰＥ管與其他金屬管材或配水器連接時(shí)，逡逑可在低壓輸送管線上采用法蘭連接。逡逑１．２．２邋ＨＤＰＥ管在核電站的應(yīng)用現(xiàn)狀逡逑國(guó)內(nèi)外在役核電站承壓水輸送系統(tǒng)絕大部分采用碳鋼、鑄鐵等傳統(tǒng)金屬材料。逡逑隨著核電廠服役時(shí)間的增長(zhǎng)，埋地管道的防腐措施失效，相繼發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕、逡逑結(jié)垢等問(wèn)題。據(jù)中廣核集團(tuán)研究人員統(tǒng)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM623.4

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本文編號(hào)：2638577