【摘要】：聚乙烯(PE)管具有韌性好、耐腐蝕、抗積垢、使用壽命長等優(yōu)勢,已在核電站核級輸水管線中使用。應用現(xiàn)有的相控陣超聲檢測技術對核電站厚壁PE電熔接頭(厚度大于40mm)進行無損檢測時,聚焦能量不足,信噪比和分辨力不能滿足檢測要求。厚壁PE管超聲檢測技術的缺失嚴重制約了 PE管在核電站中的推廣和應用,引起了各核能發(fā)達國家的密切關注。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介質中傳播時會發(fā)生波形畸變。波形畸變在傳播方向的積累影響了聚焦聲束的合成,進而對缺陷識別與成像產(chǎn)生干擾。因此,考慮PE黏彈性的相控陣聚焦聲場的研究是開發(fā)厚壁PE管電熔接頭超聲檢測技術的前提。本文在國家自然科學基金青年基金項目“聚乙烯管道電熔焊接接頭超聲檢測特征線的形成機理研究”(項目編號:51305394)和國家自然科學基金面上項目“基于粘彈性損傷模型的聚乙烯管材慢速裂紋擴展機理研究”(項目編號:51575480)的支持下,以核電站用厚壁PE管電熔接頭為研究對象,從PE聲波動方程理論、PE相控陣聚焦聲場模擬、厚壁PE管電熔接頭檢測參數(shù)設計三個方面展開研究,主要完成的工作有:(1)考慮PE黏彈性,基于Szabo模型在時域上建立了聲場數(shù)值分析模型:首先通過時域有限差分法,將連續(xù)問題轉化為離散問題;再對PE聲波動方程的差分格式進行修正,以消除超奇異性、改善穩(wěn)定性、提高計算精度;然后結合工程實際,建立吸收邊界條件,將空間無限問題轉變?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聲場中任意質點在任意時刻的聲壓。本文對比了數(shù)值模型求解結果與超聲顯微鏡試驗值,在頻域和時域上驗證了模型的有效性,并確定了時空四階空間3層逼近差分算法為最優(yōu)模型。(2)基于相控陣超聲檢測技術原理,建立了平面波與輻射波聲波動方程的理論關系,進而提出了 PE中相控陣聚焦聲場數(shù)值分析模型。本文提供了在PE中實現(xiàn)相控陣聚焦聲場所需延遲時間的計算方法,并討論了現(xiàn)有超聲檢測設備延遲時間確定方法的有效性。同時,本文分析了不同孔徑下聚焦聲場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厚壁PE管電熔接頭(聚焦位置80mm)檢測聚焦性能的影響。結合檢測空間、探頭加工難度、檢測便利性等因素,提供了 5組備選檢測參數(shù),并最終在現(xiàn)有檢測條件下實現(xiàn)了核電站厚壁PE管電熔接頭的超聲檢測。同時,基于一個綜合了靈敏度、分辨力、信噪比、穿透力和精度的檢測效果指標,對采用現(xiàn)有技術實地檢測時使用的不同檢測參數(shù)進行評價,獲得了與理論分析結果一致的最優(yōu)參數(shù),從而驗證了基于PE相控陣聚焦聲場分析模型提出的檢測參數(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、熱熔連接和機械連接。逡逑１．２．１．１電熔連接逡逑電熔連接是一個材料物理熔接的過程［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表逡逑面緊密接觸。再將電熔套筒與焊機連接，使電阻絲通電發(fā)熱。熱量逐漸由電阻絲逡逑向兩側管材和套筒傳遞，使管材外表面ＰＥ和套筒內表面ＰＥ逐浙熔融并相互滲逡逑透。焊接一定時間后，斷開電源，待接頭慢慢冷卻，最終形成具有一定強度的電逡逑熔接頭（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｆｕｓｉｏｎｊｏｉｎｔ，邋ＥＦ邋接頭）。逡逑：d剩у危�，画_L邐ＬＴ：贏：灥逡逑１＾——ｉ邋ｂ—ｉ逡逑（ａ）準備階段邐（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度的熱熔接頭［３６］逡逑（Ｂｕｔｔ－ｆｉｉｓｉｏｎｊｏｉｎｔ，ＢＦ接頭）。熱熔焊接工藝過程如圖１－２所示。逡逑１逡逑（ａ）預熱階段邐（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管材熱熔焊機主要包括液壓裝置、夾持導向裝置、加熱裝置和銑削裝置。逡逑熱熔焊接主要控制參數(shù)有：預熱溫度，預熱時長，焊接溫度，焊接壓力，焊接時逡逑長，保持壓力，保持時長等。熱熔焊接過程操作復雜，參數(shù)繁多，焊接結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機械連接逡逑對于核電站用ＰＥ管，機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，應當采用機械連接。又例如，當ＨＤＰＥ管與其他金屬管材或配水器連接時，逡逑可在低壓輸送管線上采用法蘭連接。逡逑１．２．２邋ＨＤＰＥ管在核電站的應用現(xiàn)狀逡逑國內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間的增長，埋地管道的防腐措施失效，相繼發(fā)生了嚴重的腐蝕、逡逑結垢等問題。據(jù)中廣核集團研究人員統(tǒng)計
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM623.4

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本文編號：2638577