CC BY
27
УДК 53.083.9
ОБРАБОТКА ДАННЫХ В СИСТЕМЕ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ КРИТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
© 2018 В.П. Поваров1, М.Б. Бакиров2, А.Д. Данилов3
Филиал АО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция»,
г. Нововоронеж, Россия 2ООО «Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники "Центр материаловедения и ресурса"», г. Жуковский, Россия 3Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассмотрена процедура обработки данных в системе непрерывного мониторинга эксплуатационной повреждаемости критических элементов энергетических установок атомной электростанции (АЭС). Приведены состав системы ультразвукового (УЗ) мониторинга и технология сбора и анализа информации об исследуемом процессе образования механических повреждений. За основной информативный параметр роста дефекта принято увеличение амплитуды эхо-сигнала (эквивалентной площади), которая изменяется во времени в процессе роста дефекта. В процессе мониторинга записываются все собираемые данные, так называемые А-сканы эхо-сигналов в каждом из 3-х измерительных стробов, установленных на дефектоскопе УМД-8, и определяются максимальные амплитудные значения зарегистрированных величин эхо-сигналов. А-скан представляет собой изображение эхо-сигналов, отраженных от дефектов в сварных соединениях или конструктивных элементов контролируемой зоны. При этом временной промежуток между зондирующим импульсом и отраженным от дефекта эхо-импульсом с учетом скорости распространения ультразвуковых колебаний определяет расстояние от УЗ-преобразователя до дефекта, а амплитуда эхо-сигнала пропорциональна величине дефекта. Проведенные исследования показали, что ультразвуковой метод контроля в настоящее время является наиболее эффективным и достоверным способом выявления и измерения характеристик дефектов оборудования и трубопроводов АЭС
Ключевые слова: УЗ-мониторинг, А-сканы, эхо-сигналы, измерительные стробы, цифровая обработка, анализ данных, зона несплошности
Введение
Практика эксплуатации объектов ядерной энергетики показывает, что существуют критические элементы (узлы, зоны, сварные соединения), склонные к повышенной повреждаемости в условиях действия высоких эксплуатационных нагрузок, в том числе непроектных, и негативного влияния окружающей среды. Все это может стать причиной нарушения целостности оборудования при работе энергоблока на мощности и перспективой развития исходного дефекта до критических размеров. Одним из путей контроля за развитием подобных ситуаций стало внедрение системы многопараметрического мониторинга параметров состояния критических элементов энергетических элементов АЭС (СНМЭП) [1]. Концепция применения такой системы является универсальной, а в зависимости от физических особенностей контролируемых величин используются те или иные измерительные приборы и в каждом конкретном случае формируется своя база знаний.
Все данные мониторинга записываются в автоматическом режиме и затем по линии
Internet передаются в удаленный аналитический центр для обработки и детального анализа.
Параллельно с получением диагностических данных, записываемых системой непрерывного мониторинга, также выполняется рас-четно-экспериментальное обоснование прочности и долговечности критической зоны на базе трехмерной конечно-элементной расчетной модели.
В работе такой системы большой научный и практический интерес представляет процедура обработки информации, которая будет рассмотрена ниже на примере ультразвукового мониторинга дефектности сварного соединения №111-1 парогенератора №4 пятого энергоблока (СС №111-1 5ПГ-4) [2].
Система ультразвукового мониторинга СС №111-1
На основании проведенного многофакторного анализа в качестве объекта для установки системы непрерывного мониторинга дефектности был выбран 5ПГ-4, где признано наиболее вероятным развитие в течение ближайшей топливной кампании трещиноподобного дефекта
(несплошности), обнаруженного в СС № 111-1. Данный дефект был выявлен в ППР-2009-2011 гг. системами «OmniScan» и «Авгур 5.2». Несплошность, не превышающая контрольный уровень фиксации, была обнаружена в галтели (у радиусного перехода R20 внутреннего «кармана») горячего коллектора №111-1 5ПГ-4.
Анализ характерных признаков эхо-сигналов, полученных от несплошности, а также место ее расположения в зоне СС №111-1 5ПГ-4 дали основания считать выявленную зону потенциально опасной с точки зрения возможного образования и развития плоскостных несплошностей (типа трещин). С учетом этого данная зона была выбрана для проведения детального ультразвукового (УЗ) on-line монито-рирования в течение 28 топливной кампании реакторной установки, что позволило оценить начало развития выявленного дефекта (или подтвердить отсутствие динамики роста дефекта) в зависимости от фактической эксплуатационной нагруженности 5ПГ-4 на всех этапах эксплуатации энергоблока (пуск - работа на мощности - останов).
Система УЗ-мониторинга состоит из следующих основных компонентов (см. рис. 1):
- высокотемпературный УЗ-датчик с элементами крепления и подключения;
- блок сбора и обработки данных на базе ультразвукового многоканального дефектоскопа УМД-8.00, включая промышленный компьютер с операционной системой;
- блок хранения и передачи данных (общий для единой СНМЭП).
Блок сбора и обработки данных выполняет первичную обработку сигналов, поступающих от УЗ-датчика, синхронизированную оцифровку сигналов, запись информации в собственную память. УЗ-датчики подключаются к блоку сбора и обработки данных через герметичные специализированные разъемы.
УЗ-дефектоскоп размещается в шкафу-термостате в гермозоне в непосредственной близости от мониторируемого парогенератора на постаменте бокса ПГ и рассчитан на непрерывную круглосуточную работу в течение, как минимум, 12 месяцев (до окончания топливной кампании). В шкафу-термостате поддерживается температура, оптимальная для работы аппаратной части. Управление системой терморегулирования осуществляется от встроенного компьютера.
Управление работой дефектоскопа происходит по длинной линии (до 200 м) от внешней
специально разработанной для этого управляющей ЭВМ с установленным программным обеспечением (ПО) для управления работой в выбранном канале. ПО управления предоставляет оператору возможность установки параметров работы каждого канала дефектоскопа и визуализации ультразвукового сигнала в выбранном канале.
Вся информация с блока сбора и обработки данных, записанных системой УЗ-мониторинга, поступает в блок хранения и передачи данных, сохраняется и затем передается конечному пользователю по линии Интернет.
Результатом работы каждого канала дефектоскопа УМД-8.00 является измерение следующих параметров принятого ультразвукового сигнала:
- максимальная амплитуда сигнала в измерительных зонах контроля, в % высоты экрана;
- временное положение максимума сигнала в измерительных зонах контроля;
- временное положение фронта сигнала (момента пересечения сигналом порога) в измерительных зонах контроля.
Основным информативным параметром роста дефекта является измерение увеличения амплитуды эхо-сигнала (эквивалентной площади), которая изменяется во времени в процессе роста дефекта [3].
В процессе мониторинга записываются все собираемые данные - так называемые А-сканы эхо-сигналов в каждом из 3-х измерительных стробов, установленных на дефектоскопе УМД-8, и определяются максимальные амплитудные значения зарегистрированных величин эхо-сигналов. А-скан представляет собой изображение эхо-сигналов, отраженных от дефектов в сварных соединениях или конструктивных элементов контролируемой зоны. При этом временной промежуток от зондирующего импульса до отраженного эхо-импульса от дефекта через скорость распространения ультразвуковых колебаний определяет расстояние УЗ-преобразователь - дефект, а амплитуда эхо-сигнала связана с величиной дефекта. Условный вид А-скана с изображением эхо-сигналов в каждом из 3-х измерительных стробов (зонах контроля) приведен на рис. 2.
Такой А-скан будет получен при проведении ультразвукового мониторинга в случае появления несплошности (дефекта) металла СС № 111-1, амплитуда эхо-сигнала от которого превышает пороговое значение.
Наличие эхо-сигнала в стробе 1 от точки А в волноводе свидетельствует о наличии акустического контакта в верхней части волновода, что является подтверждением работоспособности акустического тракта волновода.
Наличие эхо-сигналов в стробе 2 свидетельствует о наличии сигнала от дефекта с эк-
вивалентной площадью равной или выше уровня чувствительности.
Наличие эхо-сигнала в стробе 3 свидетельствует о наличии акустического контакта между волноводом и объектом мониторинга и подтверждает работоспособность всей СНМЭП.
Рис. 1. Структурная схема ультразвукового on-line мониторинга эксплуатационной повреждаемости в зоне СС№ 111-1
А. дБ
Рис. 2. А-скан с изображением эхо-сигналов в каждом из 3-х измерительных стробов (зонах контроля)
При проведении УЗ-мониторинга состояния металла СС №111-1 используются 3 канала восьмиканального дефектоскопа. В каждом из 3-х каналов устанавливаются по одному измерительному стробу [4]:
- положение центра измерительного строба первого канала дефектоскопа по ходу луча I должно быть равно 654 мм, ширина строба должна составлять 654 ±25мм;
- положение центра измерительного строба второго канала дефектоскопа по ходу луча 1+11 должно быть равно 734 мм, ширина строба должна составлять 734 ±25мм;
- положение центра измерительного строба третьего канала дефектоскопа по ходу луча 1+П+Ш должно быть равно 839 мм, ширина строба должна составлять 839±25мм.
Следует отметить, что при УЗ-мониторинге зоны СС №111-1 на стадии разогрева и выхода энергоблока на мощность происходит изменение амплитуды по величине эхо-сигнала и сдвиг по развертке в связи с температурным изменением скорости и угла ввода ультразвуковой волны.
Обработка данных УЗ-мониторинга
Сбор показаний УЗ-датчика в процессе мониторинга зоны СС №111-1 5ПГ-4 осуществляется в автоматическом режиме. Все данные результатов ультразвукового мониторинга поступают в режиме реального времени в блок сбора и обработки данных от многоканального дефектоскопа УМД-8.00, передаются в блок хранения и передачи данных и сохраняются в нем в течение всего срока мониторинга СС №111-1.
Одновременно с записью информации в блок хранения и передачи данных, размещенный на НВАЭС, все данные УЗ-мониторинга через сеть Интернет передаются на внешний сервер, размещенный в экспертной лаборатории, для обработки и детального анализа.
Сбор и анализ данных УЗ-мониторинга СС №111-1 производится в два этапа:
- на первом этапе проводится сбор данных УЗ-мониторинга (на этапе пуска и останова энергоблока временной интервал между опросами УЗ-преобразователя составляет 10 мин., на этапе эксплуатации опрос УЗ-преобразователя осуществляется 1 раз в час), на данном этапе (сразу после получения данных измерений) проводится предварительная обработка (экспресс-анализ) результатов с целью
получения информации о максимальных значениях зарегистрированных величин сигналов и их соответствия установленным критериям оценки целостности металла СС №111-1 5ПГ-4;
- на втором этапе ежедневно производится окончательная обработка и анализ полученных эхо-сигналов УЗ-контроля (в виде А-сканов) от наблюдаемой несплошности и их сравнение с амплитудой эхо-сигнала, установленной в процессе настройки системы сбора данных, с целью оценки динамики развития несплошности в СС №111-1 в различных режимах эксплуатации энергоблока.
Для сбора, обработки и анализа результатов УЗ-мониторинга СС №111-1 5ПГ-4 было использовано специальное программное обеспечение разработанное специалистами ООО «НСУЦ «ЦМиР», в котором реализованы современные математические подходы по цифровой обработке сигналов. ПО позволяет осуществлять контроль на максимально возможной чувствительности с запоминанием амплитуд и времен прихода всех акустических сигналов, выполнять их амплитудную селекции с целью определения целостности металла СС №111-1, комбинировать результаты контроля с различной чувствительностью и с анализом полученных результатов, выделять и подробно анализировать любой по глубине мониториру-емый участок СС №111-1.
Вид двух А-сканов, записанных с промежутком времени 30 мин., в программе обработки данных показан на рис. 3. Из рисунка видно отсутствие пиков и хорошее совпадение их формы.
Затем отфильтрованный (усредненный) А-скан преобразовывается в исходный код для вставки данных в Ехсе1. После цифровой обработки сигналов имеется возможность изменения настроечных данных дефектоскопа:
-изменение уровня чувствительности при УЗ-контроле (усиление дБ),
-изменение настройки скорости развертки (в мкс или мм).
Общий вид изображения эхо-сигналов после статической фильтрации А-сканов, полученных на УМД-8 через волновод длиной 600 мм в зонах контроля, показан на рис. 4.
После цифровой обработки эхо-сигналов и амплитудной селекции получено эталонное измерение А-скана, записанного на УМД-8 в каждом из 3-х измерительных стробов через акустический волновод длиной 600 мм, (см. рис. 5). Данное эталонное измерение соответ-
ствует начальному состоянию объекта контроля после монтажа системы УЗ-мониторинга (температура 1, 2 контуров 30 0С, давление отсутствует) и в дальнейшем используется для установления по амплитуде эхо-сигнала момента времени, когда произойдет рост дефекта в зоне СС №111-1.
При анализе результатов данных УЗ-мониторинга учитываются значения температуры в месте установки УЗ-датчика и в зоне дефектности СС №111 в течение всех пусковых операций и работы энергоблока на мощности.
Рис. 3. Вид двух отфильтрованных А-сканов с изображением эхо-сигналов в измерительных стробах (зонах контроля)
Рис. 4. А-скан с изображением эхо-сигналов, полученных на УМД-8 через волновод длиной 600 мм в зонах контроля
Рис. 5. Эталонное измерение А-скана с изображением эхо-сигналов в каждом из 3-х измерительных стробов (усиление 61 дБ)
Рис. 6. Измерение температуры в зоне установки высокотемпературного датчика и на патрубке ПГ Ду1200 в период с 23 августа по 12 сентября 2011 года
300
250
200
150
|= 100
50
У ■**
—•— Волновод —— Ду1200
1 § |
0
Рис. 7. Измерение температуры в зоне установки высокотемпературного датчика и на патрубке ПГ Ду1200 в период с 12 сентября по 15 ноября 2011 года
Следует отметить, что при изменении температуры в зоне установки высокотемпературного датчика на волноводе и на патрубке Ду 1200 5ПГ-4 с 30-40° «холодное» состояние до 3100 «горячее» состояние РУ при эксплуатации, происходят изменения амплитуд по величине эхо-сигнала и сдвиг по развертке, в связи с температурным изменением скорости и угла ввода ультразвуковой волны [5, 6].
Значения температуры металла в зоне установки высокотемпературного датчика на волноводе и на патрубке Ду 1200 5ПГ-4 регистрировались по показаниям термопар системы СНМЭП.
В качестве примера на рис. 6-7 представлены графики измерения температур в период с 23 августа по 15 ноября 2011 года.
За истекший период работы системы СНМЭП ни на одном из этапов мониторинга не отмечено появление эхо-сигнала в стробе 2 на достигнутом уровне чувствительности, соответствующем эквивалентной площади 33 мм2. При этом в стробе 1 и стробе 3 на всех записанных А-сканах присутствовали эхо-сигналы самоконтроля, свидетельствующие о штатной работе системы мониторинга. Таким образом, анализ результатов непрерывного УЗ-мониторинга зоны СС № 111-1 5ПГ-4, выполненного в период проведения пуско-наладочных операций и выхода энергоблока на мощность, работы на мощности и останова позволяет сделать вывод о работоспособности системы непрерывного мониторинга и об от-
сутствии роста наблюдаемой несплошности за истекший период.
Проведенный в ППР-2012 экспертный УЗ-контроль с использованием фазированных решеток контролируемой несплошности показал отсутствие роста, что коррелирует с результатами УЗ-контроля СНМЭП.
Заключение
Проведенные исследования показали, что ультразвуковой метод контроля в настоящее время является наиболее эффективным и достоверным способом выявления и измерения характеристик дефектов оборудования и трубопроводов АЭС и позволяет определить:
- тип дефекта (объемный непротяженный, объемный протяженный, плоский);
- амплитуду эхо-сигнала от дефекта (эквивалентную площадь);
- условную протяженность, условную высоту дефекта;
- реальные размеры дефекта (длину, высоту);
- координаты дефекта в сварном соединении.
- дату и время роста дефекта в сварном соединении по сигналу от системы традиционного эхо-импульсного ультразвукового контроля;
- оценку динамики развития дефекта на этапе пуска, эксплуатации и останова энергоблока;
- оценку эффективности применения новых подходов при проведении контроля.
По результатам комплекса проведенных работ и на основании полученного опыта эксплуатации системы УЗ-мониторинга сделаны соответствующие выводы о возможности эксплуатации энергетических установок с существующими дефектами и были реализованы мероприятия по модернизации системы с целью повышения ее эффективности и чувствительности ультразвукового мониторинга.
Литература
1. Бакиров М.Б., Поваров В.П. Разработка и внедрение технологии оперативной диагностики повреждения ответственного оборудования как процедуры управления ресурсом АЭС // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Физика. Математика. 2015. № 1. С. 5-17.
2. Анализ эксплуатационной нагруженности узла приварки коллектора к патрубку парогенератора ПГВ-1000М при нестационарных термосиловых воздействиях / М.Б. Бакиров, А.С. Киселев, В.И. Левчук, В.П. Поваров, А.Ф. Громов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Т. 10. № 6. С. 111-117.
3. Данилов А.Д., Головнев В.Н. Цифровые системы управления. Воронеж: ВГЛТА, 2007. 235 с.
4. Данилов А.Д., Пилеич А.В. Математическое обеспечение распределенных вычислений гетерогенных динамических параметров систем в режиме реального времени. Воронеж: ВГТУ, 2015. 160 с.
5. Данилов А.Д. Микропроцессорные элементы и устройства локальной автоматики. Воронеж: ВГЛТА, 2005. 267 с.
6. Данилов А.Д. Технические средства автоматизации. Воронеж: ВГЛТА, 2007. 340 с.
Поступила 08.12.2017; принята к публикации 25.01.2018 Информация об авторах
Поваров Владимир Петрович - канд. техн. наук, директор, филиал АО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция» (396072, Россия, Воронежская обл., г. Нововоронеж, ул. Набережная, д. 8 Б, офис, 13), e-mail: [email protected]
Бакиров Мурат Баязитович - д-р техн. наук, генеральный директор, ООО «Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники "Центр материаловедения и ресурса"» (140180, Россия, Московская обл., г. Жуковский, ул. Жуковского, 1), e-mail: [email protected]
Данилов Александр Дмитриевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected]
DATA PROCESSING WITHIN THE SYSTEM OF CONTINUOUS OPERATIONAL MONITORING OF CRITICAL ELEMENTS DAMAGES OF BASIC INSTALLATION UNITS
OF POWER PLANTS
V.P. Povarov1, M.B. Bakirov2, A.D. Danilov3
xThe branch of JSC «Rosenergoatom» «Novovoronezh nuclear power plant»,
Novovoronezh, Russia 2 Center of materials and resource, Zhukovski, Russia 3Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: ultrasonic monitoring procedure for the collection and analysis of information about the studied process of formation of mechanical damages of critical elements of the nuclear plant is reviewed in the article. The composition of the ultrasonic monitoring system and the technology for collecting and analyzing information about the process of formation of mechanical damage are presented. The main informative growth parameter of the defect is the increase in the amplitude of the echo signal (equivalent area), which varies with time during defect growth. During the monitoring all collected data are recorded to the so called A-scans of echoes in each of the 3 measuring gates installed on the UMD-8 flaw detector, and the maximum amplitude values of the registered echo values are determined. A-scan is an image of echoes reflected from defects in welded joints or structural elements of the controlled zone. In this case, the time interval between the probing pulse and the echo pulse reflected from the defect, taking into account the velocity of ultrasonic vibrations, determines the distance from the ULTRASONIC transducer to the defect, and the amplitude of the echo signal is proportional to the size of the defect. The studies performed have shown that the ultrasonic method of control is currently the most effective and reliable way to identify and measure the characteristics of defects in equipment and pipelines of nuclear power plants
Key words: ultrasonic monitoring, A-scans, echo-signals, measuring gates, digital processing, data analysis, area of defect
References
1. Bakirov M. B., Povarov V. P. "Development and implementation of technologies for real time diagnostics of damage of critical equipment as procedures for the management for nuclear power plant operations", Herald of the Voronezh state University. Series: Physics. Math. (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Fizika. Matematika.), 2015, no. 1, pp. 5-17.
2. Bakirov M. B., Kiselev A. S., Levchuk V. I., Povarov V. P., Gromov A.F. "The analysis of the operational loading site welding of the collector to the inlet of the steam generator PGV-1000M at non-stationary thermal-force effect", Bulletin of Voronezh state technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2014, vol. 10, no. 6, pp. 111-117
3. Danilov A. D., Golovnev V. N. "Digital control system" ("Tsifrovyye sistemy upravleniya"), Voronezh, 2007, 235 p.
4. Danilov A. D., Pileich A. V. "Software for distributed computing of heterogeneous dynamic parameters of the system in real time ("Matematicheskoye obespecheniye raspredelennykh vychisleniy geterogennykh dinamicheskikh parametrov sistem v rezhime real'nogo vremeni"), Voronezh, 2015, 160 p.
5. Danilov, A. D. "Microprocessor elements and devices of local automatic", "Mikroprotsessornyye elementy i ustroystva lo-kal'noy avtomatiki"), Voronezh, 2005, 267 p.
6. Danilov, A. D. "Technical means of automation" ("Tekhnicheskiye sredstva avtomatizatsii"), Voronezh, 2007, 340 p.
Submitted 08.12.2017; revised 25.01.2018 Information about authors
Vladimir P. Povarov, Cand.Sc. (Technical), Director, The branch of JSC "Concern Rosenergoatom" "Novovoronezh nuclear power plant" (8b, Office 13, Naberezhnaya Str., Novovoronezh, 396072, Russia), e-mail: [email protected] Murat B. Bakirov, Dr.Sc. (Technical), Director, "Center materials and resource" (1, Zhukovskogo, Zhukovski, Moscow region,
140180, Russia), e-mail: [email protected]
Alexander D. Danilov, Dr.Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14, Moskovsky Prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: [email protected]
