CC BY
39
УДК 620.1 DOI: 10.17213/0321-2653-2014-6-60-67
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ МЕТАЛЛА В КРИТИЧЕСКИХ ЗОНАХ ОБОРУДОВАНИЯ АЭС УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МЕТОДОМ
© 2014 г. М.Б. Бакиров, А.А. Еремин, В.И. Левчук, В.П. Поваров, А.Ф. Громов
Бакиров Мурат Баязитович - д-р техн. наук, директор, ООО Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники «Центр материаловедения и ресурса».
Еремин Александр Алексеевич - инженер, ООО Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники «Центр материаловедения и ресурса».
Левчук Виталий Иванович - инженер, ООО Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники «Центр материаловедения и ресурса».
Поваров Владимир Петрович - канд. техн. наук, директор, Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция».
Громов Александр Федорович - начальник отдела, Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция».
Bakirov Murat Bayazitovich - Doctor of Technical Sciences, Director, JSC «Nauchno-sertifikatsionny uchebny center mate-rialovedeniya i resursa komponentov yadernoy tekhniki «Centre materialovedeniya i resursa».
Eremin Aleksandr Alekseevich - engineer, JSC «Nauchno-sertifikatsionny uchebny center materialovedeniya i resursa komponentov yadernoy tekhniki «Centre materialovedeniya i resursa».
Liauchuk Vitaliy Ivanovich - engineer, JSC «Nauchno-sertifikatsionny uchebny center materialovedeniya i resursa komponentov yadernoy tekhniki «Centre materialovedeniya i resursa».
Povorov Vladimir Petrovich - Candidate of Technical Sciences, Director, Rosenergoatom Concern branch of JSC «Novo-voronezh nuclear power plant».
Gromov Aleksandr Fedorovich - head department, department head, Rosenergoatom Concern branch of JSC «Novovoronezh nuclear power plant».
Методы ультразвукового контроля широко применяются на атомных станциях для выявления недопустимых дефектов в металле оборудования и трубопроводов. Однако им присущи определенные недостатки, в частности, контроль проводится на остановленном блоке АЭС в период плановых ремонтов, хотя зарождение и развитие дефектов происходит на стадии эксплуатации на работающем оборудовании. С целью обеспечения возможности контроля целостности наиболее критических зон оборудования авторами была разработана технология непрерывного ультразвукового мониторинга потенциально опасных допустимых дефектов. Технология основана на использовании специализированного волновода с высокотемпературным ультразвуковым датчиком, дефектоскопа с возможностью дистанционного управления, получения, передачи и представления данных УЗ контроля по линии интернет на персональный компьютер оператора, находящегося на сколь угодно большом расстоянии от объекта контроля. На основании проведенного комплекса лабораторных исследований разработаны технологические приемы, позволяющие обеспечить непрерывный ультразвуковой контроль выбранной несплошности при температуре поверхности контролируемого оборудования до 300 оС. Технические возможности предложенной технологии позволяют оценить кинетику развития дефекта в различных режимах эксплуатации, осуществить эксплуатационный контроль критических зон, склонных к эксплуатационному дефектообразованию и спонтанному росту дефектов от допустимых до недопустимых размеров за короткий период времени.
Ключевые слова: ультразвуковой контроль; сварное соединение; критическая зона; технология; непрерывный мониторинг.
Methods of ultrasonic control are widely applied on nuclear power plants to detection of unacceptable defects in metal of the equipment and pipelines. However certain shortcomings are inherent in them, in particular, control is carried out on the stopped block of the NPP during planned repairs though origin and development of defects happens at an operation stage on the working equipment. For the purpose of a possibility of control of integrity of the most critical zones of the equipment by authors the technology of continuous ultrasonic monitoring of potentially dangerous admissible defects was developed. The technology is based on use of a specialized wave guide with the high-temperature ultrasonic sensor, the defectoscope with possibility of re-
mote control, receiving, transfer and data presentation of BONDS of control on the line the Internet on the personal computer of the operator who is at as much as long distance from object of control. On the basis of the carried-out complex of laboratory researches the processing methods allowing to provide continuous ultrasonic control of the chosen not continuous at a temperature of a surface of the controlled equipment to 300 ° C are developed. Technical capabilities of the offered technology allow to estimate kinetics of development of defect in various modes of operation, to exercise operational control of the critical zones inclined to operational defect formation and spontaneous growth of defects from admissible to the inadmissible sizes for the short period of time.
Keywords: ultrasonic control; welded connection; critical zone; technology; continuous monitoring.
Введение
Неизбежное старение оборудования, работающего в жестких условиях термосилового нагружения и агрессивной среды, провоцирует образование дефектов на стадии эксплуатации. Образование таких дефектов на фоне снижения уровня служебных свойств за счет деградации материалов, в ряде случаев, приводит к некомпенсируемым эксплуатационным повреждениям вплоть до образования сквозных дефектов с течью теплоносителя. К большому сожалению, такая ситуация вступает в противоречие с основным тезисом безопасной эксплуатации АЭС - недопущение образования эксплуатационных повреждений в соответствии с требованиями отраслевых нормативных документов: НП-001-97 (ОПБ-88/97) [1], НП-017-2000 [2], ПНАЭ Г-7-008-89 [3] и другими.
В наиболее сложных случаях до тех пор, пока не разработаны и не реализованы эффективные компенсирующие мероприятия по исключению или предупреждению эксплуатационных повреждений, актуальной является задача организации непрерывного мониторинга критических зон конструкции, т. е. контроля за повреждаемостью металла непосредственно на стадии эксплуатации. С этой целью была разработана технология непрерывного ультразвукового (УЗ) мониторинга несплошностей, расположенных в критической зоне, склонной к быстрому спонтанному росту дефектов в течение одной топливной кампании реакторной установки (РУ).
Технология построена на использовании в качестве измерительного тракта ультразвукового преобразователя и акустического волновода, работающего при температуре поверхности до 300 °С, многоканального дефектоскопа с возможностью дистанционного управления процессом УЗ контроля, а также передачи данных по линии интернет для обработки, систематизации и экспресс-анализа.
Разработка высокотемпературного измерительного УЗ тракта
При разработке технологии высокотемпературного УЗ мониторинга основная задача заключается в обеспечении живучести (работоспособности) УЗ преобразователя с учетом необходимости контроля металла с температурой поверхности около 300 °С, а также с учетом сверхдлительного срока проведения контроля в течение всей топливной кампании РУ без
значимого понижения чувствительности. В настоящее время мировая промышленность не выпускает УЗ преобразователи, работающие столь длительное время при таких высоких температурах. Для устранения влияния температуры контролируемого оборудования на элементы конструкции и свойства УЗ преобразователя при контроле используется локальное охлаждение изделий [4], применяются волноводы, обеспечивающие возможность охлаждения преобразователя [5 - 8], сводится до минимума время контакта преобразователя с объектом контроля, что обеспечивает лишь незначительное изменение свойств преобразователя [9]. Наиболее перспективным способом решения задачи высокотемпературного УЗ мониторинга является применение акустического волновода с целью снижения температурного воздействия на УЗ преобразователь.
Протекающий во времени процесс роста дефекта в сварном соединении (СС) сопровождается увеличением его условных и реальных размеров, а также увеличением амплитуды эхо-сигнала от него. Измерение условных или реальных размеров дефекта (высоты и длины) при использовании импульсного эхо-метода требует перемещения ультразвукового преобразователя как поперек, так и вдоль оси СС, что чрезвычайно сложно реализовать на оборудовании, находящемся в эксплуатации и укрытом толстым слоем теплоизоляции. Поэтому наиболее простым способом регистрации роста дефекта является контроль за увеличением эхо-сигнала (эквивалентной площади) от дефекта. Обязательным условием для выполнения таких измерений является формирование ультразвукового пучка, размеры которого в разы превосходят реальные размеры (высоту и длину) наблюдаемого дефекта. Это условие легко выполняется за счет естественного расхождения ультразвукового поля в дальней зоне. При этом высокотемпературный ультразвуковой преобразователь должен располагаться за пределами тепловой изоляции, благодаря чему обеспечивается его продолжительная работа за счет щадящих температурных условий в зоне его расположения. Следует отметить, что лучшие образцы высокотемпературных преобразователей с диапазоном частот 2^4 МГц сохраняют работоспособность при температурах свыше 300 °С не более 10 мин, поэтому условие размещения УЗ преобразователя за тепловой изоляцией является обязательным для обеспечения его работоспособности в течение длительных сроков.
Выбор типа УЗ колебаний и преобразователя для проведения мониторинга
Основным узлом измерительного тракта для высокотемпературного УЗ контроля является преобразователь, излучающий УЗ колебания в волновод, и волновод, термоизолирующий преобразователь и обеспечивающий ввод УЗ колебаний в контролируемый материал под заданным углом. Как известно, угол падения УЗ колебаний в наклонном преобразователе выбирается таким, чтобы в контролируемом материале распространялся только один тип колебаний - поперечные. Это требование выполняется при использовании призмы из материала, в котором скорость продольных колебаний, излучаемых преобразователем, меньше, чем в контролируемом материале. Угол акустической призмы выбирается из условия распространения в волноводе только поперечных колебаний. Направление их распространения совпадает с осью волновода. Это достигается тем, что торец волновода, на котором устанавливается акустическая призма, срезается под определенным углом к его оси. Поперечные волны, распространяющиеся в волноводе, трансформируются из продольных, излучаемых преобразователем, и содержат колебания с вектором поляризации, лежащим в плоскости падения. В волноводе скорость звука близка к скорости в контролируемом материале, поэтому обеспечивается распространение в материале только одного типа колебаний -поперечного.
Для границы раздела «оргстекло - сталь» значения первого и второго критических углов примерно равны 28 о и 57 По результатам проведенных лабораторных исследований был выбран преобразователь с углом ввода 45 °, так как передача ультразвуковых колебаний к наблюдаемому дефекту под углом 45 ° исключает трансформацию этой волны в другие типы волн и появление от них ложных сигналов. При этом повышается помехозащищенность системы в целом.
Выбор формы, размеров и материала волновода
При разработке конструкции волновода должна учитываться специфика контролируемой зоны - геометрия, условия доступа, возможность размещения измерительной оснастки, температурные режимы работы и др. Длина волновода выбирается из условия обеспечения оптимальной рабочей температуры УЗ преобразователя при максимальной температуре контролируемой поверхности, а минимально возможные размеры - из условий минимума объемных ревербе-рационных помех. При разработке технологии высокотемпературного УЗ мониторинга СС были опробованы несколько схем контроля с различными типами волноводов (рис. 2).
Проверка различных схем УЗ контроля была проведена с использованием ультразвукового измери-
тельного узла, состоящего из высокотемпературного преобразователя с углом ввода 45 ° и рабочей частотой 2,25 МГц, различных типов прямоугольных волноводов с поперечными сечениями 32*40 мм и УЗ дефектоскопа.
Рис. 2. Схемы контроля СС с применением различных типов волноводов: а - односторонний доступ, прямой волновод; б - односторонний доступ, прямой волновод с зеркалом; в - двусторонний доступ, V-образный волновод; г -ограниченный двусторонний доступ, и-образный волновод с зеркалом
Контрольные лабораторные испытания, проведенные на полномасштабных тест-образцах, показали, что наименьшую чувствительность имеют измерительные узлы, показанные на рис. 2 а, б. Причина заключается в наличии высоких реверберационных шумов в зоне контакта с объектом мониторинга, связанных с многократными отражениями от нижней грани волновода. В волноводах на рис. 2 в, г применена акустическая задержка отраженных от контактной поверхности УЗ колебаний на время, большее, чем время распространения эхо-сигналов в контролируемом объекте. В качестве задержки используется дополнительная часть волновода за зоной контакта.
С целью оценки влияния характеристик материала волновода на чувствительность УЗ мониторинга были изготовлены акустические волноводы из разных материалов (Ст.3, Амг3, Амг6) и проведены лабораторные эксперименты по измерению максимальной амплитуды эхо-сигнала от отражателя 06 мм, расположенного на глубине 101 мм. Для оценки чувствительности измерительных узлов с различными типами волноводов был разработан специальный лабораторный стенд (рис. 3).
б
а
в
г
согласно паспортным данным и полностью обеспечивало его длительную работоспособность.
400 350 О 300
I 250
£
s 150 н
Рис. 3. Лабораторный стенд для оценки чувствительности измерительного узла на примере и-образного волновода с зеркалом: 1 - А-скан с изображением эхо-сигнала от отверстия 0 6 мм; 2 - ПЭП; 3 - и-образный волновод;
4 - тест-образец с отверстием 0 6 мм
В результате испытаний установлено, что при использовании металлического волновода из Ст3 чувствительность контроля ниже, чем при измерениях с использованием волноводов из АМг3 иАМгб. Ослабление эхо-сигналов в волноводе из Ст3 происходит за счет увеличенного рассеивания ультразвуковой волны на границе зерен-кристаллов металла Ст3. Интенсивность рассеяния ультразвуковой волны в Амг3 и АМгб меньше, чем в металле Ст3, что связанно с мелкодисперсной структурой этих сплавов. Интенсивность рассеяния резко падает, когда размеры кристаллов достигают 0,1 - 0,2 длины волны. На основании результатов измерения амплитуд эхо-сигналов от отражателей и сравнения акустических свойств исследованных материалов установлено, что наилучшие характеристики имеет материал Амгб. Для данного материала в результате испытаний был получен наиболее низкий уровень акустических помех, что в свою очередь обеспечило высокое отношение сигнал/помеха во всем диапазоне рабочих температур.
Поддержание требуемой температуры УЗ преобразователя, при которой сохраняется его работоспособность в течение длительных сроков, осуществляется путем выбора оптимальной длины волновода -расстояния от контролируемой поверхности до УЗ преобразователя. Для этой цели в ходе проведения лабораторных испытаний были получены экспериментальные данные по распределению температуры по длине волновода при нагреве одного конца волновода до температур более 300 °С (рис. 4). В ходе испытаний была выполнена имитация теплоизоляции поверхности контроля, для чего использованы теплоизоляционные маты, применяемые на АЭС.
При длительном нагреве волновода длиной 600 мм до температуры 300 оС, температура волновода в месте установки УЗ преобразователя не поднималась выше 75 оС, что соответствовало допускаемым условиям работы выбранного УЗ преобразователя
100 50
0
■ 2
50 100 150 200 Время, мин
250 300
Рис. 4. График изменений температуры по длине волновода при нагреве более 300 °С при комнатной температуре окружающего воздуха: 1 - температура поверхности нагрева; 2, 3 - температура волновода на расстоянии 400 и 600 мм от поверхности нагрева соответственно
С учетом того, что фактическая температура окружающего воздуха в герметичных помещениях АЭС может достигать 70 оС, были проведены дополнительные испытания с нагревом волновода до температуры 300 оС и температурой воздуха около 75 оС. Температуру окружающего воздуха 75 оС вокруг волновода поддерживали за счет кожуха, куда нагнетали горячий воздух, используя промышленный фен.
По результатам измерений на рис. 5 представлен график распределения температуры по длине волновода при нагреве более 300 °С и температуре окружающего воздуха 75 °С. Обозначения кривых см. на рис. 4.
400 350 О 300
о. 250
£
sl 200
<u
150 100 50 0
50 100 150 200 Время, мин
250 300 350
Рис. 5. График изменений температуры по длине волновода при нагреве более 300 °С при температуре окружающего воздуха 75 °С
Как видно из рис. 5, при заданных условиях эксперимента температура в месте установки УЗ преобразователя на расстоянии 600 мм от поверхности
нагрева достигала 90 °С, что потребовало дополнительного снижения температур в зоне установки ПЭП с целью смягчения условий его работы. Для этого разработана конструкция системы охлаждения, состоящая из радиатора и обдувающего его вентилятора. Натурные испытания показали, что для обеспечения требуемой паспортом на УЗ преобразователь температуры окружающей среды достаточно установить радиатор без вентилятора, что позволило упростить конструкцию (рис. 6).
2
Рис. 6. Конструкция радиатора для охлаждения УЗ преобразователя и волновода в зоне их контакта: 1 - волновод; 2 - УЗ преобразователь; 3 - радиатор
При высоких температурах многие вещества и маловязкие масла практически сразу становятся слишком текучими либо мгновенно улетучиваются, либо сгорают. Для обеспечения надежного акустического контакта была проведена серия высокотемпературных испытаний различных акустических жидкостей и уплотнительных материалов для акустических ванн, обеспечивающих контакт волновода с объектом мониторинга.
Лабораторные испытания включали продолжительный нагрев высокотемпературных масел и уплот-нительных материалов в диапазоне температур от 280 до 320 °С. На рис. 7 приведена схема стенда для испытания высокотемпературных жидкостей и герметизирующих прокладок для акустических ванн при продолжительном нагреве.
/
0
1
2
Выбор контактной жидкости
Основная трудность при длительном непрерывном УЗ мониторинге СС заключается в необходимости обеспечения надежного акустического контакта между преобразователем, волноводом и поверхностью объекта мониторинга при высоких температурах.
Решение проблемы обеспечения акустического контакта можно достичь следующими путями:
- создать акустический контакт струей воды под давлением;
- создать акустический контакт, применив электромагнитный бесконтактный способ возбуждения и приема ультразвуковых волн;
- создать акустический контакт с помощью высокого давления через мягкую звукопроводящую прокладку, установленную между поверхностью преобразователя и объектом мониторинга;
- создать акустический контакт с помощью крем-нийорганических расплавленных солей;
- создать акустический контакт преобразователя с объектом УЗ мониторинга с помощью высокотемпературной кремнийорганической жидкости.
Последний способ создания акустического контакта наиболее перспективен при рабочих температурах около 300 °С, так как обеспечивает высокую и стабильную чувствительность, при этом не требуются сложные устройства для создания высокого давления преобразователя на поверхность металла.
Рис. 7. Схема стенда для температурных испытаний: 1 -измеритель регулятор температуры; 2 - электронагреватель; 3 - поддон; 4 - песок; 5 - емкость для нагрева образцов;
6 - термопары
Для проведения испытаний были выбраны крем-нийорганические высокотемпературные жидкости и силиконовые резины:
- жидкость полиметилфенилсилоксановая Пента®-МФ-2030 (диапазон рабочих температур до 300 °С);
- теплоноситель Пента®-410 (диапазон рабочих температур до 400 °С в замкнутом контуре и до 250 °С в открытом контуре);
- резины кремнийорганические листовые (диапазон рабочих температур до 300 °С).
Для комплексного исследования поведения высокотемпературных жидкостей и кремнийорганиче-ских резин при нагреве (испарение, закипание, кристаллизация и т.д.) испытания проводились в два этапа. Образцы с жидкостями и кремнийорга-ническими резинами нагревались и выдерживались при температурах от 280 до 320 °С в течение 18 сут, что в сумме составило 238 ч, и в течение 29 сут, что составило 356 ч.
По результатам продолжительного нагрева крем-нийорганических жидкостей и герметизирующих резин установлено, что кремнийорганические масла и резины сохраняют работоспособность продолжительный период времени при температурах от 280 до
320 °С. Следует отметить, что кремнийорганические резины более длительное время сохраняют герметизирующие свойства при высоких температурах при условии отсутствия контакта с воздухом. Сравнительный анализ результатов испытаний показал, что образцы с жидкостью Пента®-МФ-2030 показали наилучшие результаты при длительном нагреве (низкое испарение и потеря массы, малое образование пленочных включений) в закрытом контуре, сохраняют хорошие акустические свойства при высоких температурах, обеспечивают надежный акустический контакт. Учитывая сказанное, данная жидкость является наиболее надежной для использования в системе натурного длительного ультразвукового контроля при высокой температуре.
Определение чувствительности УЗ мониторинга при повышенных температурах
Опыт УЗ контроля при повышенных температурах как с использованием типовых наклонных преобразователей без специального охлаждения, так и специальных высокотемпературных преобразователей показывает довольно резкое уменьшение чувствительности с увеличением температуры. Зависимость чувствительности контроля от температуры может быть охарактеризована температурной зависимостью амплитуды эхо-сигнала от цилиндрической полуповерхности [10].
Зависимость амплитуды эхо-сигнала от температуры обусловливается различными причинами, степень влияния которых можно связать соотношением:
А(/) = К (t) K2(t) К3 (t) К4 (t) К5 (t)A
(1)
щей перемещать преобразователь с волноводом по поверхности тест-образца в двух плоскостях с погрешностью измерений ±1 мм, с возможностью нагрева тест-образца в широком диапазоне температур от 20 до 300 оС с точностью ±1 °С (рис. 8).
где А(0 - амплитуда эхо-сигнала при температуре контролируемого образца и преобразователя; Ао -амплитуда того же эхо-сигнала при t = 20 °С (нормальные условия); К^) - К5(^) - функции, учитывающие влияние температуры на чувствительность контроля из-за возможных изменений: пьезоэлектрических свойств преобразователя, затухания ультразвуковых колебаний в призме преобразователя, затухания ультразвуковых колебаний в контролируемом материале, акустического контакта преобразователя с контролируемым образцом, коэффициента прозрачности (затухания) границы преобразователь - контролируемый образец (преобразователь - волновод) соответственно.
Основная трудность лабораторных испытаний в диапазоне температур от 20 до 300 оС по определению чувствительности УЗ контроля заключается в обеспечении надежного акустического контакта между преобразователем с волноводом и горячей поверхностью тест-образца. С целью исследования зависимости амплитуды эхо-сигнала от температуры был разработан специальный экспериментальный стенд, представляющий собой механический сканер, позволяю-
Рис. 8. Общий вид высокотемпературного стенда: 1 - преобразователь; 2 - акустический волновод; 3 - механический сканер; 4 - акустическая ванна; 5 - нагревательный элемент на тест-образце; 6 - регулятор температуры; 7 - дефектоскоп
По результатам лабораторных испытаний получены экспериментальные графики изменения амплитуды эхо-сигнала от бокового цилиндрического отверстия 0 6 мм (кривая 1) и от угла (кривая 2) образца СО-2 в зависимости от температуры контролируемого металла в диапазоне от 20 до 300 °С (рис. 9).
Анализ результатов измерений амплитуды эхо-сигналов при помощи высокотемпературного преобразователя А404^В с волноводом длиной 600 мм показывает, что при повышенных температурах до 100 оС амплитуда сигнала от бокового отверстия 0 6 мм остается практически постоянной, а в диапазоне температур от 100 до 300 оС изменяется на 12^15 дБ. Таким образом, при температуре 300 оС амплитуда эхо-сигнала от исследуемого отражателя уменьшилась в 2,0 - 2,5 раза по сравнению с исходным состоянием до нагрева.
30 35
„ 40
Й
Г45"
<
50 55-60L
50 100 150 200 Температура, °С
250 300
Рис. 9. Зависимость амплитуды эхо-сигнала от температуры
2
1
Минимально фиксируемый размер несплошности, характеризующий минимальную чувствительность УЗ мониторинга, должен быть определен экспериментально при максимальной температуре контролируемого объекта. Для этого необходимо провести серию измерений амплитуд эхо-сигналов от цилиндрических отверстий различных диаметров, которые расположены на глубине, равной толщине контролируемого изделия. Измерения следует проводить с применением измерительного узла, который будет использоваться при проведении УЗ мониторинга на АЭС и включающего выбранный акустический волновод и преобразователь. Цилиндрическое отверстие с минимальным диаметром, для которого амплитуда отраженного эхо-сигнала при рабочей температуре превышает уровень акустических помех (шума) не менее чем в 2 раза, принимается в качестве отражателя с минимально фиксируемой эквивалентной площадью.
В ультразвуковом контроле широко используется понятие эквивалентной площади дефекта, которое представляет собой меру выявляемости или разбраковки несплошностей. Оценку эквивалентной площади выявляемого дефекта по образцу с цилиндрическим отверстием удобно проводить с использованием формул акустического тракта, полученных путем решения задачи интерференции волн при их излучении и отражении от несплошностей различной формы [11 - 14]. Воспользуемся формулами акустического тракта для плоскодонного (2) и цилиндрического (3) отражателей:
А = Exp(-2.5R)Sm ;
A 1 I h
-= Exp(-25R)STR —. — .
A0 'TR 21VR3
(2)
(3)
В выражениях (2), (3) приняты следующие обозначения: А - амплитуда колебаний волн, отраженных от несплошности и пришедших на поверхность преобразователя (в момент приема эхо-сигнала); А0 - амплитуда колебаний акустического зондирующего импульса на поверхности преобразователя (в момент излучения эхо-сигнала); 5 - коэффициент затухания, учитывающий поглощение и рассеяние волн в материале; R - расстояние между преобразователем и отражателем; STR - площадь ультразвукового преобразователя; X - длина волны; Sd - площадь плоскодонного отражателя; Ь - радиус цилиндрического отражателя.
Согласно определению эквивалентной площади, амплитуда эхо-сигнала от цилиндра должна быть равна амплитуде эхо-сигнала от диска, расположенного на той же глубине R. Следовательно, выражения для амплитуд равны между собой:
A
-= Exp(-2SR)S.
S
A
о
TR 12 R 2
= Exp(-25R)STR —J^t .
После преобразований конечная формула для эквивалентной площади цилиндрического отверстия запишется в виде:
S.
ЭКВ.Ц
= -4Rh. 2
(4)
Представленные выше формулы (2) - (4) применимы, если прозвучивание отражателей проводится в дальней зоне ультразвукового поля, в нашем случае при использовании акустического волновода это условие выполняется.
Организация непрерывного УЗ мониторинга на АЭС
С целью получения наиболее полной и достоверной информации о целостности металла критических зон элементов АЭС УЗ мониторинг должен осуществляется непрерывно, т. е. в режиме реального времени в течение всей топливной кампании РУ. Ультразвуковой дефектоскоп целесообразно разместить, по возможности, вблизи от контролируемого оборудования с целью сокращения длины кабельных линий от УЗ преобразователей до дефектоскопа. С целью сбора, хранения и передачи данных УЗ мониторинга конечному пользователю дефектоскоп необходимо соединить с высокопроизводительным сервером, расположенным в «чистой» зоне. Данные мониторинга, хранимые на сервере, могут передаваться по внутренней сети АЭС на компьютеры дефектоскопистов либо по сети Интернет в экспертный аналитический центр для обработки. Следует отметить, что при выборе технических характеристик измерительной аппаратуры, размещаемой в помещениях АЭС с ограниченным доступом, необходимо учитывать фактические условия работы, при которых аппаратура будет находиться длительное время (повышенная температура, влажность, действие источников ионизирующих излучений и др.). При этом доступ персонала с целью технического обслуживания аппаратуры может быть осуществлен только в период проведения плановых ремонтов. Учитывая данные факты, к характеристикам надежности и живучести аппаратуры должны предъявляться повышенные требования.
Представленная выше схема организации непрерывного УЗ мониторинга обеспечивает непрерывный контроль за развитием дефектности в критических зонах оборудования АЭС. Отличительная особенность разработанной технологии заключается в том, что данные мониторинга, собираемые в различных режимах эксплуатации энергоблока, подвергаются комплексному анализу и сопоставляются по времени с проводимыми на энергоблоке технологическими операциями и реализуемыми эксплуатационными режимами с целью установления условий, при которых происходит образование и рост дефектов в контролируемом оборудовании в процессе эксплуатации. Это дает возможность разработать мероприятия по компенсации эксплуатационной повреждаемости.
Заключение
Технология непрерывного контроля целостности металла в критических зонах оборудования АЭС ультразвуковым методом разработана по результатам проведения широкого комплекса лабораторных испы-
таний, расчетно-экспериментальных исследований и проектно-изыскательских работ. Особенности применения данной технологии заключаются в использовании акустического волновода для обеспечения возможности длительного УЗ мониторинга объектов контроля с высокой температурой наружной поверхности, выборе высокотемпературной контактной жидкости и герметизирующих резин, организации дистанционного УЗ мониторинга объектов контроля в течение всей топливной кампании РУ.
Разработанная технология может быть эффективно использована для задач непрерывного мониторинга за развитием допускаемых дефектов, выявленных при проведении эксплуатационного контроля, а также для задач мониторинга за бездефектными зонами, в которых потенциально возможно образование и ускоренное развитие дефектов в процессе эксплуатации. Предложенная технология является универсальной и может быть адаптирована для УЗ мониторинга большинства потенциально опасных зон оборудования и трубопроводов, важных для безопасности и склонных к развитию эксплуатационной повреждаемости.
Литература
1. ПНАЭ Г-7-008-89. Правила устройства и безопасности эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.
2. НП-001-97 (ОПБ-88/97). Общие положения обеспечения безопасности атомных станций.
3. НП-017-2000. Основные требования к продлению срока эксплуатации блока атомной станции.
4. Beaujard L.J. Rev.Met. 1965. Р. 62 - 118.
5. Гитис М.Б., Копанский А.Г. Измерение коэффициента поглощения ультразвука в твердых телах при высоких температурах // Акустический журн. 1972. Т. 18, № 3. С. 17 - 38.
6. Лантух В.М., Гребенник В.С., Орлова Т.М. Неразру-шающий контроль горячего металла слитка // Межотраслевые вопросы науки и техники: Экспресс-информация. М., 1979. Вып 2/5, С. 1 - 6.
7. Лантух В.М., Гребенник В.С., Орлова Т.М. Ультразвуковой контроль металла при высоких температурах // Дефектоскопия. 1979. № 5. С. 52 - 59.
8. Лантух В.М., Злепко В.Ф. Контроль за состоянием металла оборудования атомных электростанций. М., 1977. С. 11 - 21.
9. Нечаев Ю.А., Пилин Б.П., Ролдугина З.И. Сборник докладов Всероссийской конференции по неразрушающим методам контроля, ч. I. Кишинев, 1977. С. 436.
10. Богод В.Б., Гребенник В.В. Чувствительность ультразвукового контроля при повышенных температурах // Дефектоскопия. 1973. № 4. С. 5.
11. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов: пер. с нем. М., 1991. 752 с.
12. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. СПб., 2011.
13. Голямина И.П. (ред.). Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М., 1979.
14. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Ультразвуковой контроль. М., 2004.
References
1. PNA'E G-7-008-89. Pravila ustrojstva i bezopasnosti 'ekspluatacii oborudovaniya i truboprovodov atomnyh 'energeticheskih ustanovok [PNAE G-7-008-89. Rules for design and safe operation of equipment and pipelines of nuclear power installations.].
2. NP-001-97 (OPB-88/97/ Obschie polozheniya obespecheniya bezopasnosti atomnyh stancij [NP-001-97 (OPB-88/97). General provisions for ensuring safety of nuclear stations].
3. NP-017-2000. Osnovnye trebovaniya k prodleniyu sroka 'ekspluatacii bloka atomnoj stancii [NP-017-2000. Basic requirements for life extension of the nuclear plant].
4. Beaujard L.J. Rev.Met, 1965, pp. 62 - 118.
5. Getis M.B., Kopanskij A.G. Akusticheskijzhurnal, 1972, vol. 18, no. 3, pp. 17 - 38.
6. Lantuh V.M., Grebennik V.S., Orlova T.M. Nerazrushayuschij kontrol' goryachego metalla slitka [Non-Destructive testing of hot metal ingot]. Mezhotraslevye voprosy nauki i tehniki: 'Ekspress-informaciya [Cross-sectoral issues of science and technology: Express-information]. Moscow, 1979, vol 2/5, pp. 1 - 6.
7. Lantuh V.M., Grebennik V.S., Orlova T.M. Ul'trazvukovoj kontrol' metalla pri vysokih temperaturah [Ultrasonic testing of metal at high temperatures]. Defektoskopiya, 1979. № 5. S. 52 - 59.
8. Lantuh V.M., Zlepko V.F. Kontrol' za sostoyaniem metalla oborudovaniya atomnyh 'elektrostancij [Monitoring of metal equipment of nuclear power plants], 1977, pp. 11 - 21.
9. Nechaev Yu.A., Pilin B.P., Roldugina Z.I. Sbornik dokladov Vserossijskoj konferencii po nerazrushayuschim metodam kontro-lya [Proceedings of all-Russian conference on non-destructive methods of control]. Kishinev , 1977, vol I., art.436.
10. Bogod V.B., Grebennik V.V. Chuvstvitel'nost' ul'trazvukovogo kontrolya pri povyshennyh temperaturah [Sensitivity of ultrasonic testing at elevated temperatures]. Defektoskopiya, 1973, no. 4, pp. 5.
11. Krautkremer J., Krautkremer G. Ul'trazvukovoj kontrol' materialov. Per. s nem [Ultrasonic testing of materials]. Moscow, 1991, 752 p.
12. Kretov E.F. Ul'trazvukovaya defektoskopiya v 'energomashinostroenii [Ultrasonic inspection in engineering], 2011.
13. Golyamina I.P. (red.). Ul'trazvuk. Malen'kaya 'enciklopediya [The ultrasound. A small encyclopedia]. Moscow, 1979.
14. Ermolov I.N., Lange Yu.V. Ul'trazvukovoj kontrol'[Ultrasonic testing]. 2004.
Поступила в редакцию 13 октября 2014 г.
