CC BY
137
УДК 620.179.15
Ю.В. Обидин, К.В. Петухов, А.К. Поташников, В.Ю. Сартаков КТИ НП СО РАН, Новосибирск
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТОМОГРАФ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТВЭЛ
В атомной промышленности поставлена задача увеличения срока службы тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) с целью более рационального использования ядерного топлива и снижения затрат на производство электроэнергии. Решение этой задачи невозможно без повышения надежности и всестороннего контроля изделий при их производстве. В КТИ НП СО РАН разработан и сертифицирован высокопроизводительный рентгеновский компьютерный томограф для контроля сварных швов тепловыделяющих элементов ядерных энергетических реакторов ВВЭР-1000 [1]. Внешний вид томографа представлен на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид Томографа
Особенность томографа состоит в том, что для обеспечения необходимого сочетания чувствительности и производительности, максимум времени, отведенного на контроль, используется для получения проекций, а все вычисления выполняются за время загрузки изделия (1 - 2 секунды).
Томограф содержит источник рентгеновского излучения, сканирующее устройство, рентгеновский детектор и персональный компьютер с программными средствами для управления узлами томографа, сбора проекционных данных, реконструкции цилиндрических слоев, обнаружения и измерения дефектов.
В качестве источника излучения в томографе используется двухфокусная трубка Comet, подключенная к рентгеновскому аппарату YXLON-226. Рабочее напряжение 180-200 кВ. Прецизионное сканирующее устройство с микропроцессорным управлением обеспечивает подачу изделий в зону контроля, их фиксацию с помощью цангового пневмозажима и вращение вокруг продольной оси. Сканирующее устройство имеет малые габариты, автономное питание и управляется от ЭВМ через последовательный интерфейс RS-232 или шину USB.
С целью получения максимальной экспозиционной дозы в пределах времени, отведенного на контроль, в томографе применен многоэлементный детектор, позволяющий при любых ракурсах наблюдать зону контроля целиком и регистрировать двумерные проекции.
Оптическая схема детектора приведена на рис.2. Для преобразования рентгеновского излучения, прошедшего через объект контроля, в видимый свет используется монокристалллический сцинтиллятор CsJ(Tl). Полученное на сцинтилляторе видимое изображение переносится на фотокатод усилителя яркости объективом «Вега-20». В качестве усилителя используется микроканальный ЭОП типа ЭПМ-44Г с диаметром фотокатода 18 мм. Изображение проекции с экрана ЭОП регистрируется цифровой видеокамерой VSCTT-249 фирмы “Видеоскан”. В камере применен объектив A13444 с фокусом 8 мм фирмы WPI. Камера подключена к видеоадаптеру VS2001, установленному в PCI слот компьютера.
Защита ЭОП и видеокамеры от рентгеновского излучения обеспечена конструкцией детектора, так как эти элементы выведены из-под прямого рентгеновского излучения и, кроме того, они закрыты сверху свинцовыми
экранами. В томографе предусмотрена возможность юстировки детектора непосредственно под рентгеновским излучением с помощью специального тест объекта, устанавливаемого в сканирующую систему вместо тепловыделяющего элемента.
В процессе контроля ТВЭЛ делает полный оборот за 1 минуту, а детектор регистрирует при этом 400 проекций размером 200x50 пикселей.
На рис. 3 показана схема получения теневых проекций, где схематически изображены медные компенсаторы, установленные в блоке коллиматоров. Компенсаторы служат для ограничения динамического диапазона сигнала. Их положение регулируется с помощью микроподвижек так, чтобы избежать пересвечивания ЭОП. В схеме получения проекций расстояние от трубки до ТВЭЛа составляет 200 мм, диаметр ТВЭЛа - 9,1 мм. Зона контроля имеет следующие размеры: диаметр цилиндра - 8,8 мм, высота - 3,5 мм, толщина стенок - 0,7 мм.
Все элементы канала регистрации проекций установлены внутри
защитной камеры, обеспечивающей защиту персонала от излучения, что позволяет применять томограф вне специальных помещений.
Программное обеспечение (ПО) работает под управлением
операционной системы Windows 2000 и состоит из двух программ: исследовательской и рабочей. Исследовательская программа создана на этапе разработки томографа специально для моделирования и проверки технических решений. Она позволила оценить влияние параметров регистрации на качество проекций, исследовать на моделях объект контроля и канал регистрации томографа, выбрать оптимальные параметры детектора и режим регистрации. Моделирование выполнялось с помощью специальной библиотеки, подключаемой к программе вместо библиотеки обслуживания детектора. В существующих библиотеках, предназначенных для построения 3D моделей (например, DirectX и OpenGL), трехмерные поверхности представляются треугольниками, при этом имеются средства, позволяющие рассчитывать отражённый и рассеянный свет при визуализации объектов. В созданной библиотеке кроме треугольников в набор базовых элементов введены простейшие 3х-мерные фигуры - цилиндр и сфера, имеется возможность расширения этого списка. Такое представление выгодно отличается от триангулярного меньшим количеством хранимых и обрабатываемых данных и приводит к снижению погрешности моделирования. Кроме того, для каждой поверхности задается коэффициент поглощения и направление (по какую сторону от поверхности находится поглощающая среда).
Рис. 3. Схема получения проекций
В соответствии с заказанной сценой регистрации (рис. 3) программа проводит луч, соединяющий источник излучения с детектором и определяет координаты точек пересечения луча с объектами сцены. Таким образом, луч разбивается на отрезки, на каждом из которых задан коэффициент поглощения. Программа производит Рис. 4. Модельная проекция с необходимые вычисления, в результате профилем сигнала которых получается 2-х мерная проекция,
вид которой приведен на рис. 4.
Библиотека моделирования позволяет вводить шумы в процесс регистрации и учитывать не моноэнергетический характер излучения, получаемого с рентгеновской трубки. С помощью исследовательской программы выбран оптимальный для сварного шва ТВЭЛ алгоритм реконструкции - получение многослойного панорамного изображения методом фильтрации и обратного проецирования. Оптимальное количество одновременно реконструируемых слоев равно пяти. При фильтрации используется фильтр вида 8т(х)/х. Граничная частота (размер фильтра) оптимизированы с целью получения минимальной погрешности при измерении пор размером 200 мкм. Результаты реконструкции представляются в 3D-графике (рис.
5) или в виде развернутой двумерной панорамы (рис. 6).
Рабочая программа содержит минимальный набор алгоритмов, необходимых для функционирования аппаратных средств томографа.
Кроме этого в нее встроены функции, реализующие алгоритм реконструкции многослойных панорамных изображений и алгоритм обнаружения и измерения дефектов типа пор в двумерном панорамном изображении сварного шва.
Рис. 5. Цилиндрический слой шва
Рис. 6. Панорамное изображение шва с профилем сигнала
Вкратце существо задачи измерения дефектов по их панорамным изображениям заключается в получении такой оценки реконструированного изображения дефекта, которая бы удовлетворяла требованиям точности и однозначности при преобразовании в размер дефекта. Исследовалось несколько алгоритмов измерения пор. Лучшие результаты достигнуты при использовании алгоритма, описанного в [2]. Суть его приведена ниже.
Находится точка изображения, яркость которой превышает заданный порог Р. Вычисляется центр массы изображения в окрестности найденной точки. В центр массы помещается центр окружности, радиус R которой выбирается равным размеру фильтра. Граничная частота фильтра (и радиус R) подбирались экспериментально. Далее определяется суммарная яркость всех точек, которые располагаются внутри окружности и считаются принадлежащими дефекту. Преобразование яркости в размер дефекта производится по калибровочной кривой.
Для производителя тепловыделяющих элементов очень важно точное измерение пор, имеющих размер, близкий к границе, разделяющей годные изделия и брак (200 мкм). В ходе экспериментов выбраны такие параметры
обработки изображений, при
£1,6 а 1 4 ^ 1,4 К 1,2 § 1,0 К 0,8
I 0,6
К 0,4
О 0,2
0
200 400 600 800 1000
Размер фильтра, мкм Рис. 7. Сигнал/шум от размеров фильтра
которых ошибка измерения дефектов минимальна. На рис. 7 представлены зависимости отношения сигнал/шум от диаметра круга, по которому считается суммарная яркость. Как видно из рисунка наилучшее отношение сигнал/шум достигается при размере фильтра равном 400 мкм. Этот размер соответствует
размеру передаточной
функции томографа.
При подготовке томографа к сертификации как средства измерений был разработан комплект метрологических средств и документов. Калибровка томографа и проверка его метрологических характеристик осуществлялись с использованием стандартных образцов (СО), которые созданы при участии лаборатории СОП ОАО «НЗХК». СО представляет собой обрезок оболочки ТВЭЛ с заглушкой, приваренной на установке электронно-лучевой сварки в соответствии с техпроцессом. На наружной поверхности СО высверлено глухое цилиндрическое отверстие, имитирующее пору. Было изготовлено и сертифицировано два комплекта стандартных образцов: один - рабочий и один - контрольный, всего 14 штук. В силу того, что нанесенные на СО дефекты имеют форму, отличную от шара, был аттестован такой параметр как «эффективный диаметр», т.е. диаметр шаровой поры, объем которой эквивалентен объему эталонного отверстия. Размеры отверстий в микронах (диаметр/глубина) для контрольных СО приведены в табл. 1.
Таблица 1
Размер мкм К-Т797 К-Т798 К-Т799 К-Т800 К-Т801 К-Т802 К-Т803
По чертежу 100/100 120/120 150/150 200/200 250/250 300/300 350/350
По паспорту 113/112 124/122 145/163 202/195 262/257 301/306 352/351
Эффективный 109 120 150 193 252 296 342
Из табл. 1 видно, что в изготовленных СО отклонения линейных размеров отверстий
от заданных не превышает 13% (в случае минимального дефекта) и 3% - для разбраковочного размера (200 мкм).
В ходе подготовки томографа к испытаниям каждый из 14 стандартных образцов был измерен по 25 раз. Зафиксировано среднее значение суммарной
яркости и ее
среднеквадратическое отклонение от среднего значения. Полученные данные использованы для
построения калибровочной кривой (рис. 8), в соответствии с которой осуществляется преобразование суммарной яркости в размер дефекта.
С целью сертификации томографа как средства измерений были проведены испытания в соответствии с программой, согласованной с ОАО «НЗХК» и ФГУП СНИИМ. В процессе испытаний томографа максимальная погрешность измерений по всем образцам составила не более 27 мкм, подтверждена возможность обнаружения пор диаметром 120 мкм. Среднеквадратическое отклонение измеренных значений получено равным 11 мкм. Комиссия признала результаты испытаний положительными.
0 1000 2000 3000 4000 5000
Рис. 8. Калибровочная кривая
Создан высокопроизводительный томограф для измерения дефектов сварного шва ТВЭЛ в темпе 1 изделие в минуту. Основные характеристики томографа:
Оптимизированы алгоритм быстрой реконструкции зоны сварного шва ТВЭЛ. Разработана методика и программное обеспечение автоматического обнаружения и измерения дефектов типа пор по панорамным изображениям, полученным методом реконструктивной томографии.
Томограф сертифицирован ВНИИМС как средство измерений, используемое при контроле внутренних пор сварных швов ТВЭЛ. Получен сертификат RU.E27.007A № 21866.
1. Рентгеновская томографическая станция контроля сварных соединений ТВЭЛов. Воробьев В.В., Карлов Ю.К., Обидин Ю.В. и др. Датчики и системы. - 1999. - № 2. - С. 6-9.
2. Определение размеров дефектов сварного шва по томограммам. Обидин Ю.В., Поташников А.К., Тяжев И.В. Автометрия. - 2001. - № 5. - С. 37-43.
Чувствительность к порам Диапазон измерений Погрешность измерений Время контроля
100 мкм
от 150 до 350 мкм 50 мкм 1 минута
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
© Ю.В. Обидин, К.В. Петухов, А.К. Поташников, В.Ю. Сартаков, 2006
