基于时间反转和非线性声学的核电站主管道微裂纹超声无损评价研究

Main pipes are import parts of a power station. Some micro cracks may be produced in the pipes and then grow continuously under the worst conditions with high temperature, high pressure and high radioactivity, which is potential safety hazard for a nuclear power station. Nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS) had been shown to exhibit a high degree of sensitivity to micro cracks in solids. Acoustic time-reverse (TR) method is a good way for self-focusing. To combine acoustic time-reverse method with nonlinear elastic wave spectroscopy is becoming a new research direction for non-destructive evaluation. TR-NEWS and NEWS-TR are both applied in this project. Numerical simulation and experiment research will be done for the non-destructive evaluation on micro cracks in main pipes of nuclear power station. It is possible to set up a suitable method to non-destructively evaluate the micro cracks in main pipes of nuclear power station.

核电站主管道作为核电站的重要构件，在核电站高温高压高辐射的极端条件下会形成微裂纹并不断生长和发育，对核电站的安全构成隐患。多年来的非线性声学研究发现，非线性弹性波谱法对微小裂纹等损伤具有很高的灵敏度。由于声学时间反转法可以实现自适应聚焦，将非线性声波对损伤的敏感性和时间反转过程的自适应聚焦特性结合进行无损评价研究成为近年来非线性声学和时间反转领域一个新的研究动向。本项目分别应用时间反转-非线性波谱法和非线性波谱-时间反转法，通过大量的数值模拟和实验研究，开展对核电站主管道中的微裂纹进行无损评价的研究工作，争取建立适于核电站主管道微裂纹的时间反转和非线性声学无损评价方法。

核电站主管道作为核电站的重要构件，在核电站高温高压高辐射的极端条件下会形成微裂纹并不断生长和发育，对核电站的安全构成隐患，所以对微裂纹的检测有助于预防和提前发现安全隐患。. 本项目从与微裂纹检测相关的基础研究入手开展相关研究工作。首先应用摄动法对非线性声波方程进行了求解，发现二次谐波的振幅与传播距离和其它一些参数（非线性系数、输入信号波数以及幅度的平方）成正比，而高阶次的谐波是由低阶次的谐波和基波共同产生的。我们接着又利用有限差分和有限元的方法对该方程分别进行了数值求解，都得到了含有谐波成分的有畸变的非线性纵波，两种方法结果基本相同，也与摄动解的结果一致。数值计算还发现二次谐波幅度在近场与传播距离近似成正比线性增加，但到一定距离后谐波幅度开始减小，这是从近似的摄动法无法得到结论。通过非线性声波传播实验也验证了这一结果的正确性。有限差分计算还发现横波激发能产生非线性的纵波，但不能产生非线性横波，而这个纵波却以横波速度传播，是一种奇特的现象，有待更深入的研究工作以揭示其本质。.为了模拟微裂纹或微缺陷对非线性声波的产生和传播的影响，我们也建立了不同的物理模型来进行模拟分析。首先将模拟迟滞应力应变关系的一维PM模型扩展到二维，利用应力-速度差分方程对含有微损伤的二维声场进行了计算，分析了普通缺陷与微缺陷的异同，并应用时间反转方法将高次谐波信号聚焦到微缺陷处，实现了对微缺陷的检测。. 还建立了基于非线性弹簧的粗糙接触界面微裂纹模型，分析了静压力、表面粗糙度、超声波强度等参数对声波非线性特性的影响，得到了一些新颖的结论，同时开展实验研究，验证了这些结论。. 通过建立不同试样的微裂纹实验模型，开展了微裂纹的非线性声波实验研究，有效的实现了对材料微裂纹的检测。. 这些研究进展和主要研究结果对于深入认识非线性声波传播的特性有很重要的学术价值，对于将非线性声学方法应用于实际检测中也有非常重要的参考价值。