Автоматизированная ультразвуковая система контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ на основе эффекта акустоупругости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Минин, Сергей Иванович

• Минин, Сергей Иванович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Минин, Сергей Иванович

Введение.

Глава 1. Характеристика напряжений в основном металле и сварных соединениях циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

1.1. Характеристика объекта контроля.

1.2. Диаграммы напряжений для материалов циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

1.3. Остаточные напряжения в циркуляционных трубопроводах ЯЭУ.

1.4. Остаточные напряжения в сварных соединениях.

1.5. Состояние современных методов измерения напряжений в металлах.

1.6. Основные требования к автоматизированной системе контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

Глава 2. Теоретическое обоснование и экспериментальные исследования измерительных преобразователей автоматизированной ультразвуковой системы контроля напряжений в металлах на основе эффекта акустоупругости.

2.1. Физические основы эффекта акустоупругости.

2.2. Разработка ультразвуковых преобразователей для автоматизированной системы контроля на основе эффекта акустоупругости.

2.3. Экспериментальные исследования зависимости скорости ультразвуковых волн от напряжений в металле циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

Глава 3. Разработка автоматизированной системы обработки и представления информации ультразвуковых измерительных преобразователей.

3.1. Функциональная схема автоматизированной системы контроля.

3.2. Электронные блоки регистрации и обработки информации.

3.3. Алгоритмы и программы обработки и представления информации

3.3.1. Состав программного обеспечения.

3.3.2. Программное обеспечение сбора и накопления данных.

3.3.3. Подсистема анализа ультразвуковых данных и архивации.

Глава 4. Разработка систем автоматического управления процессом ультразвукового контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

4.1. Методика автоматизированного ультразвукового контроля.

4.2. Функциональные схемы систем автоматического управления ультразвуковым контролем.

4.3. Механизмы перемещения ультразвуковых преобразователей.

4.4. Электронные блоки систем автоматического управления ультразвуковым контролем.

4.5. Алгоритмы и программы систем автоматического управления

Глава 5. Метрологические характеристики автоматизированной системы контроля.

5.1.Метрологические характеристики ультразвуковых преобразователей автоматизированной системы контроля.

5.2. Влияние температуры металла на изменение скорости ультразвука

5.3. Влияние неравномерного распределения плотности металла на точность измерения скорости ультразвука.

5.4. Акустические и электрические помехи при контроле напряженного состояния металла.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированная ультразвуковая система контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ на основе эффекта акустоупругости»

Контроль состояния сварных швов и металла является одной из основных задач диагностики оборудования ядерных реакторов. Дефекты сварных швов и металла в виде несплошностей (трещин, шлаковых включений и др.) снижают безопасность эксплуатации атомных электростанций (АЭС). Существующие методы ультразвуковой диагностики позволяют проводить контроль технологического оборудования АЭС на наличие уже существующих несплошностей. Ультразвуковой контроль напряженных состояний основного металла и сварных швов позволяет предсказывать появление несплошностей. Устранение же существующих напряжений способно продлить срок эксплуатации технологического оборудования ядерных реакторов.

Основными элементами технологического оборудования ЯЭУ с реакторами ВВЭР являются корпус реактора и трубопроводы первого контура Ду 600 мм, а с реакторами РБМК — технологические каналы и трубопроводы контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) Ду 800 мм. Разрыв любого из этих конструктивных элементов может привести к максимальной аварии.

В реакторах типа РБМК одним из основных элементов являются технологические каналы (ТК). ТК состоит из циркониевой части, которая находится в активной зоне ядерного реактора, и стальной, расположенной вне активной зоны. Между ТК и графитовой кладкой расположены упругие графитовые кольца. Величина зазора между ТК с графитовыми кольцами и графитовой кладкой составляет 3 мм. В результате процессов термодинамической ползучести и радиационного роста диаметры канальных труб увеличиваются, а отверстий в графитовых блоках уменьшаются [l]. Это приводит к уменьшению «зазора» и заклиниванию ТК. При этом в металле ТК создаются механические напряжения, которые могут привести к разрушению ТК [2,3]. Особенно важным является контроль напряжений металла ТК в районе внутреннего стыка переходников сталь - цирконий, где чаще всего появляются трещины в стенках ТК.

В данной диссертации представлена разработанная автором автоматизированная система контроля напряженного состояния на основе метода акустоупругости. Разработаны ультразвуковые преобразователи для контроля напряженного состояния сварных швов и основного металла технологического оборудования, разработан опытный вариант системы контроля напряженного состояния, проведено экспериментальное обоснование.

Одной из наиболее важных задач, относящихся к развитию метода ультразвукового контроля напряженного состояния, является автоматизация процесса контроля. Она связана с совершенствованием конструкций систем контроля напряженного состояния, с разработкой специальной оснастки, необходимой для проведения контроля, а также с разработкой программного обеспечения и т.п.

Применение автоматизированных систем контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ позволяет значительно повысить эффективность обследования технологического оборудования, предсказывать появление несплошностей в сварных соединениях (трещины и др.) и тем самым снижать затраты на проведение ремонтных и ремонтно - восстановительных работ.

Таким образом тема диссертации является актуальной.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Минин, Сергей Иванович

Выводы:

В результате проведенных экспериментов и анализа литературных данных установлено, что на результаты акустических измерений для материалов трубопроводов влияют следующие факторы:

1. Изменение температуры на 1°С приводит к приращению скорости поперечной ультразвуковой волны от 0 до 0,6 м/сек и приращению скорости продольной ультразвуковой волны от 0 до 1,0 м/сек.

1 Q Л

2. Нейтронное облучение при величине потока 10 нейтрон/см дает приращение скорости поперечной ультразвуковой волны от 0 до 3,2 м/сек и приращение скорости продольной ультразвуковой волны от 0 до 1,6 м/сек.

3. Наличие переходного слоя в виде воды или машинного масла дает приращение скоростей продольной и поперечной волн от 0 до 3 м/сек.

4. Непостоянство удельной плотности материала, электрические и акустические помехи также оказывает влияние на точность измерений.

5. Величина текстуры влияет не на все результаты измерений. В общем случае текстурная анизотропия дает приращение скоростей продольной и поперечной волн от 0 до 250 м/сек.

6. Действие рассматриваемых факторов происходит не одновременно. Поэтому при разработке данной методики учитывалась как длительность действия внешних факторов, так и длительность сохранения его последствий. При определенных условиях они не могут оказывать существенного влияния на результат контроля, например, в случаях измерения изменений напряжений в отрезок времени, много меньший длительности воздействия.

Заключение

1. Проведены исследования эффекта акустоупругости в материалах циркуляционных трубопроводов ЯЭУ. Получены расчетные формулы.

2. Получены экспериментальные зависимости «напряжение-скорость» в материалах циркуляционных трубопроводов ЯЭУ: аустенитной стали 08Х18Н10Т, Ст.З и сплаве ZrNb при нагрузках от 0 до 100 МПа, которые находятся в соответствии с теоретическими расчетами .

3. Разработана и сконструирована автоматизированная система контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

4. Разработана методика автоматизированного контроля напряженного состояния основного металла и сварных швов циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

5. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение автоматизации обработки и представления полученной в результате контроля информации.

6. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение автоматизированной системы управления процессом ультразвукового контроля.

7. Проведены экспериментальные исследования ультразвуковых преобразователей и электронных блоков автоматизированной системы контроля напряженного состояния оборудования.

8. В ходе проведенного исследования метрологических характеристик автоматизированной системы выработаны алгоритмы повышения точности измерений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Минин, Сергей Иванович, 2005 год

1. Белянин, В.И. Лебедев, Ю.В. Гарусов и др. Безопасность АЭС с канальными реакторами. Конструкция активной зоны. -М. Энергоатомиздат. - 1997. -94 С.

2. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. -М. Атомиздат. -1980.- 186 С.

3. Никулина А.В., Некрасова Г.А., Крысанов Д.Л. Циркониевые сплавы для канальных труб тяжеловодных реакторов // Атомная техника за рубежом. -1990. -№ 1.- С.9-12.

4. Трофимов А.И. Ультразвуковые системы контроля искривлений технологических каналов ядерных реакторов. -М. -Энергоатомиздат. -1994. 122 С.

5. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. -М. Машиностроение. -1986. -87 С.

6. Королев М.В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. М. -Машиностроение. -1982. - 148 С.

7. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы. М. - Энергия. -1965. - 244 С.

8. Комлякова Н.С. и др. Влияние облучения на свойства керамики ЦТС-19.// Сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики. Калининград. -КГУ.-1980. -С. 148-156.

9. Щедровицкий С.С. Приборостроение и средства автоматики. -М.- Машиностроение. -1984. 135 С.

10. Ю.Горских В.В. Неразрушающий контроль в производстве и эксплуатации канальных труб. // Атомная техника за рубежом. -1985. -№1. -С.3-11.

11. Трофимов А.И. Приборы контроля ядерных реакторов. Обнинск. - ИАТЭ.- 1991.-113 С.

12. Вострокнутов Н.Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. -М. Энергоатомиздат. -1990.-246 С.

13. Benson R.W., Raelson V.G. Aconstoelastiking.-KWU. -1959. -296 С.

14. Зарембо JI.K., Красильников В.А., Введение в нелинейную акустику. -М. -Наука.-1966.-237 С.

15. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоу пру гость. —Киев. Наукова думка. -1977. 248 С.

16. Гуща О.И. Анализ неоднородных полей остаточных напряжений в сварных соединениях.// Автоматическая сварка. 1994. -№7-8. -С.3-5. -С.62.

17. Бобренко В.М., Вангели М.С., Куценко А.Н. Акустические методы контроля напряженного состояния материала деталей машин. — Кишинев. -Штиинца.- 1981.-245 С.

18. Бобренко В.М., Вангели М.С., Куценко А.Н. Акустическая тензометрия. Кишинев. -Штиинца. - 1991. -267 С.

19. Перевалов С.П., Пермыкин B.C. Прогнозирование ресурса энергооборудования ТЭС по результатам неразрушающего контроля.// Сборник докладов С.-Петербургской конференции по ультразвуковой дефектоскопии металлоконструкций. С-Пб. - 1998. - С. 114-117.

20. Нигул У. К. Нелинейная акустодиагностика (одномерные задачи). -Л. -Судостроение. 1981. - 128 С.

21. Энгельбрехт Ю.К., Нигул У.К. Нелинейные волны деформации. -М. -Наука.-1981.-348 С.

22. Секоян С.С. О вычислении констант упругости третьего порядка по результатам ультразвуковых измерений. //Акустический журнал, -т. 16. -1970. -С. 124-126.

23. Бобренко В.М. Куценко Л.Н., Малахов В.П. Акустический контроль механических напряжений. Одесса. - 1997. - 169 С.

24. Бобренко В.М., Куценко А.Н. Матричная теория акустоупругости в приложении к задачам тензометрии. // Дефектоскопия. 1988. - №8.- С.28-32.

25. Бобренко В.М., Куценко А.Н. Акустоупругие коэффициенты объемных ультразвуковых волн при наклонном прозвучивании. // Дефектоскопия. 1987.-№3.-С.46-49.

26. Бобренко В.М., Куиенко А.Н., Лесников В.П. Упругие волны при наличии деформации сдвига. // Прикладная механика. 1990. - Т. 26. - № 1. — 245 С.

27. Бобренко В.М., Куценко А.Н., Рудаков А.С. Метрологические принципы акустической тензометрии разъемных изделий. // Акустика и ультразвуковая техника. Киев. - Техника. - 1991. - Вып. 26. - С. 26-30.

28. Бобренко В.М., Куценко А.Н., Рудаков А.С. Акустическая тензометрия -новое направление в неразрушающих испытаниях материалов.// Дефектоскопия. -1989. №4. - С. 93-94.

29. Анисимов В.А., Куценко А.Н., Шереметнков А.С. Метод мультипликативного совмещения эхоимпульсов для измерения времени распространения ультразвука. //Тезисы докладов II всесоюзной конференции. -М. -1991. — С 32 38.

30. Анисимов В.А., Куценко А.Н. Ультразвуковая диагностика напряженного состояния элементов конструкций космических аппаратов. // Материалы научно-технической конференции «ЛЕОТЕСТ-98». М. - 1998. - С43-46.

31. Р. Труэлл, Ч. Эльбаум, Б. Гик. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. Пер. с англ. под ред. И.Г. Михайлова. М. - Мир. - 1972. - 275 С.

32. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М. - Физматгиз. - 1963. - 325 С.

33. Пигулевский Е.Д. Акустические сигналы и их обработка. -JL -ЛЭТИ. -1984. -253 С.

34. Клюев В.В. Приборы для неразрушающе го контроля материалов и изделий. Справочник. М. -Машиностроение. 1986. -242 С.

35. Веревкина Л.В., Прохоров А.Т. Корреляционный анализ и его применение в акустике. Л. - ЛЭТИ. - 1981. -97 С.

36. Добротин Д.Д., Паврос С.К. Обработка сигналов при неразрушающем контроле. Л. - ЛЭТИ. - 1986. - 358 С.

37. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. М. -Машиностроение. - 1976. -12 С.

38. ГОСТ 11.004-74. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения. -М. -Машиностроение. 1974. — 24 С.

39. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. -М. -Сов. Радио.- 1977.-65 С.

40. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М. - Радио и связь. - 1983. -89 С.

41. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М. - Физматгиз. - 1963. - 265 С.

42. Пигулевский Е.Д. Акустические сигналы и их обработка. Л. - ЛЭТИ.- 1984.- 125 С.

43. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М. -Машиностроение. - 1981,- 243 С.

44. Веревкина Л.В., Прохоров А.Т. Корреляционный анализ и его применение в акустике. Л. - ЛЭТИ. - 1981. - 112 С.

45. Добротин Д.Д., Паврос С.К. Обработка сигналов при неразрушающем контроле. Л. -ЛЭТИ. - 1986. - 87 С.

46. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М. - Сов. Радио.- 1977.-231 С.

47. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М. - Радио и связь. - 1983. -85С.

48. Трофимов А.И., Минин С.И. Ультразвуковые преобразователи для автоматизированных систем контроля. // Международная научно-практическая конференция «Пьезотехника 97». Обнинск. - ИАТЭ. - 25-27 ноября 1997 г.- С. 56-59.

49. Трофимов М.А., Минин С.И., Савин А.Н. Ультразвуковые преобразователи для автоматизированной ультразвуковой установки дефектоскопии гибов трубопроводов АЭС. // Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. -2004. №2.- С. 20-24.

50. Трофимов А.И., Минин С.И. Автоматизированная система ультразвукового контроля переходных соединений технологических каналов реакторов РБМК.// Сборник трудов международной конференции «Безопасность АЭС».- Обнинск. ФЭИ. - 2001 г. - С. 35-36.

51. Трофимов А.И., Минин С.И. Ультразвуковой дефектоскоп для контроля сварных соединений АЭС. // Сборник научных трудов кафедры «Автоматика, контроль и диагностика». Обнинск. - ИАТЭ - 1998 г. - С. 20-26.

52. Трофимов А.И., Минин С.И. Ультразвуковые преобразователи контроля металлов. // Сборник научных трудов кафедры «Автоматика, контроль и диагностика». Обнинск. - ИАТЭ. - 1998 г. - С. 26-30.

53. Трофимов А.И., Минин С.И. Автоматизированная система ультразвукового контроля толщины стенок гибов. // Сборник научных трудов кафедры «Автоматика, контроль и диагностика». — Обнинск. ИАТЭ.- 1998 г. - С. 3844.

54. Трофимов А.И., Минин С.И. Автоматизированный цифровой ультразвуковой дефектоскоп для контроля сварных соединений на АЭС. // Сборник научных трудов кафедры «Автоматика, контроль и диагностика». — Обнинск. -ИАТЭ. 1998 г. - С. 61-67.

55. Трофимов А.И., Минин С.И. Автоматизированная система контроля напряженного состояния металла технологического оборудования.// Сборник трудов международной конференции «Безопасность ядерной энергетики».- Обнинск. ИАТЭ. - Октябрь 2003 г. - С. 143-145.

56. Трофимов А.И., Минин С.И., Трофимов М.А. и др. Акустический метод измерения напряженного состояния главных циркуляционных трубопроводов АЭС с реакторами типа ВВЭР. // Ядерная энергетика. 2003.- №3. - С. 14-20.

57. Трофимов А.И., Минин С.И. Ультразвуковое устройство для использования при определении напряженного состояния металла стенок технологических каналов ядерных реакторов типа РБМК. Патент №2188412 С2 G01№ 29/00.- 27 августа 2002 г.

58. Трофимов А.И., Минин С.И., Савин А.Н. Ультразвуковые преобразователи для автоматизированной установки дефектоскопии гибов трубопроводов АЭС. Известия ВУЗов. //Ядерная энергетика. 2004. - №2. - С. 20-24.

59. Трофимов А.И., Минин С.И., Трофимов М.А. Методы контроля и снятия напряжений в основном металле и сварных соединений конструкций АЭС. —М. Энергоатомиздат. - 2005 г. — 272 С.

60. Pressure tube failure at Bruce-2.- Nuclear Engineering International. —1986. -v.31. -№382. -P.4.

61. Field G., Dunn J., Cheadle B. Analysis of the pressure tube failure at Pickering NGS "A" unit 2.// Canadian Metallurgical Quarterly. -1985. V.24. -№3. -P. 181188.

62. Ells C., Coleman C.,Chow C. Properties of a CANDU calandria tube. // Canadian Metallurgical Quarterly. -1985. -V.24. -№3. -P. 215-233.

63. Causey A., Norsworthy A., Schulte C. Factors affecting creep sag of fuel channels in CANDU calandria tube. // Canadian Metallurgical Quarterly. -1985. -V.24. -№3. P. 207-214.

64. Baron J.,Dolbey M.,Erven J. Improved pressure tube inspection in Candu reactors. // Nuclear Engineering International. -1981. -V.26. -№321. -P.45-48.

65. Fitchard E.E. Randomly simulated borehole tests accuracy of directional survey methods.// Oil and Gas Journal. -1981 June. V.79. -№ 26. -P. 140 - 150.

66. Wolf C.J.M., J.P. de Wardt. Borehole Position uncertainty analysis of measuring methods and derivation of systematic error model. // Journal of Petroleum Technology. -1981. -V.33. -№ 12. -P. 339 - 350.