Розробка системи неруйнівного контролю конструкційних елементів реактора ВВЭР-1000

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка системи неруйнівного контролю конструкційних елементів реактора ВВЭР-1000

Зміст

Вступ

1. Постановка задачі

2. Опис установки

3. Ультразвуковий неруйнівний контроль

4. Створення програми інтерфейсу для управління системою

Висновки

Список літератури

Вступ

Підчас використання будь яких, потенційно небезпечних, об'єктів особливо важливим є питання забезпечення максимально можливого рівня надійності роботи всіх відділень та конструкційних елементів. До таких об'єктів належать атомні електростанції (далі АЕС) .

Безпека є головною і обов'язковою умовою експлуатації діючих енергоблоків АЕС і забезпечується шляхом виконання комплексу технічних і організаційних заходів. Для реакторів ВВЭР-1000 до таких заходів відноситься періодичний експлуатаційний неруйнівний контроль стану металу конструкційних елементів ядерного реактора.

Окрім цього на сьогоднішній день встановлений термін експлуатації АЕС розташованих на території України підходить до завершення. Для прийняття рішення про продовження експлуатації чи припинення роботи потрібно підтвердити надійність матеріалів, з яких виконані елементи АЕС. Та вказати термін в продовж якого дані елементи зможуть надійно виконувати свої функції.

Для виконання перевірки якості матеріалів та підтвердження надійності матеріалів використовують методи неруйнівного контролю. Основними методами неруйнівного контролю є ультразвуковий метод та метод вихрових струмів.

В силу своїх особливостей для внутрішньо корпусного неруйнівного контролю краще підходитиме ультразвуковий контроль. Тому саме цей метод був взятий за основу для розробки системи неруйнівного контролю конструкційних елементів реактора типу ВВЕР-1000

1. Постановка задачі

Для забезпечення надійної роботи АЕС необхідно виконувати періодичний контроль стану матеріалу з якого складаються елементи реактора.

Одним з найбільш ефективних методів неруйнівного контролю являється ультразвуковий метод контролю. Основана на ультразвуковому методі технологія "". Дозволяє за допомогою аналізу форми сигналу та часу пробігу сигналу від передавача до приймача. На основі аналізу цих даних можна робити висновки про надійність матеріалів та практичну можливість їх подальшого використання.

Для якомога точніших вимірювань необхідна організація позиціювання сигналів з датчика та зразка. Що розширює можливості аналізу та дозволяє організувати збереження даних.

Керування та збереження даних. За допомогою програмного забезпечення організовується зв'язок. Зв'язок між детектором та системою переміщення детектора. В результаті чого стає можливим збереження даних з детектора та прив'язка їх до координати зразка.

2. Опис установки

Для виконання поставленої задачі було організовано систему яка основана на таких комплектуючих:

1. Маніпулятор.

Основною задачею даної складової являється фіксація зразка та переміщення датчика по поверхні зразка. Основні складові : корпус, крокові двигуни, контролери крокових двигунів.

2. Дефектоскоп UNS 52.

Призначений для зняття ультразвукового сигналу з поверхні зразка. Даний дефектоскоп обладнаний різноманітними датчиками що дає можливість працювати в різних режимах збору інформації. Окрім цього забезпечує можливість роботи в широкому частотному діапазоні.

3. Програма інтерфейс.

Програма яка організовує зв'язок між комп'ютером кроковими двигунами та дефектоскопом. За допомогою даної програми виконується переміщення детектора, забір даних з датчика та збереження даних для подальшого їх аналізу

Опис маніпулятора.

Маніпулятор складається з декількох основних складових:

1. Кроковий двигун

Електричний двигун робота якого основана на послідовному включенні електромагнітів. За допомогою системи послідовних сигналів даний двигун забезпечує можливість пересуватись на чіткого встановлену величину. Це дає можливість організувати зв'язок координатами пов'язаними з зразком та положенням датчика. Для виконання поставленої задачі використовуються три крокові двигуни. Кожен з двигунів виконує рух по одній з координат. Це забезпечує можливість сканування складних поверхонь та надання можливості їх аналізу.

2. Контролер крокового двигуна

Контролери крокових двигунів спрощують управління двигунами та дозволяють спростити алгоритми роботи програми. Оформлений даний контролер в вигляді паяної плати. Закріпленої на радіаторі для покращення відведення тепла.

3. Корпус та система кріплення датчиків

Корпус оформлений з легкого та міцного сплаву. Система кріплення організована з декількох шарнірних з'єднань які забезпечують максимальне прилягання детектора до поверхні сканування.

3. Ультразвуковий неруйнівний контроль

ультразвук дефектоскоп дифракція реактор

Одним з основних методів неруйнівного контролю являється ультразвуковий метод контролю (УЗК). Вперше здійснити неруйнівний контроль ультразвуковою хвилею пробували ще в 1930-му році. Через 20 років ультразвуковий контроль якості зварюваних швів та матеріалів набув найбільшої популярності в порівнянні з іншими методами контролю якості матеріалів та зварювальних швів. Окрім цього він став єдино можливим методом контролю та навіть обов'язковим для деяких матеріалів та виробів.

Суть ультразвукового методу полягає в опромінюванню зразка та після цього зняття сигналу відбитих ультразвукових коливань з за допомогою спеціального обладнання - ультразвукового дефектоскопа та п'єзоелектричного перетворювача і подальшого аналізу отриманих даних з метою визначення наявності дефектів а також їх еквівалентного розміру форми (об'ємної/площинної) вигляду (точковий/повздовжній) глибина залягання і тому подібні геометричні та фізичні параметри.

Параметри виявлених дефектів визначаються за допомогою ультразвукових дефектоскопів. Так наприклад за допомогою аналізу часу поширення ультразвукової хвилі в виробі (якщо відома швидкість поширення ультразвукових хвиль в різних середовищах) в даному металі визначають відстань до дефекту а за допомогою аналізу амплітуди відбитого сигналу визначають відносний розмір дефекту.

Для проведення ультразвукового контролю в залежності від конкретних умов (тип матеріалу, його фізичних та геометричних особливостей поверхні контролю, мінімально розміру дефектів які можливо виміряти і тп.) є достатньо широкий асортимент засобів контролю. До головних переваг ультразвукового контролю кості металів та зварних швів можна віднести такі:

· Висока точність і швидкість дослідження а також відносно не висока вартість

· Безпечність для людини (на відміну від для прикладу рентгенівської дефектоскопії)

· Висока мобільність як наслідок використання портативних ультразвукових дефектоскопів

· Можливість проведення ультразвукового контролю (в окремих випадках) на діючих об'єктах, тобто на час проведення контролю УЗК не потрібно виведення контролюючої деталі/об'єкта з експлуатації.

· При проведені УЗК досліджуваний об'єкт не пошкоджується

До основних недоліків ультразвукового контролю можна віднести:

· При даному типі ультразвуковій дефектоскопії неможливо дати відповідь на питання про реальні розміри дефекту так як розмір дефекту визначається його відбиваючою здатністю і тому по результатам контролю дається еквівалентний розмір дефекту (наприклад: в деталі є два дефекти однакового розміру форми, які знаходяться на одній глибині про те один з них заповнений повітрям а інший шлаком будуть давати відбиті імпульси різної амплітуди а відповідно будуть оцінені як дефекти різних розмірів). Ще варто відмітити, що деякі дефекти в силу їх характеру форми чи розміщенні в об'єкті контролю практично неможливо виявити ультра звуковим методом. Також є неможливим виявити матеріал дефекту

· Складність при ультразвуковому контролі матеріалів з грубозернистої структури, через сильне розсіяння і затухання ультразвукового сигналу

· Підготовка поверхні контрольованого об'єкту до контролю а саме очищення поверхні від забруднень, іржі та інше і створення необхідної шершавості поверхні не гірше заданого рівня для хорошого прилягання п'єзоелектричного перетворювача так як навіть зазор погіршує проходження ультразвукових хвиль а відповідно і якості аналізу;

· Необхідність нанесення на об'єкт контролю контактних рідин (в залежності від типу дефектоскопа наприклад спеціальні гелі, гліцерин, вода) для забезпечення стабільного акустичного контакту.

Метод аналізу часу пробігу заломлених ультразвукових хвиль (TOFD)

Даний метод не залежить від амплітуди і оснований на аналізі часу проходження заломлених сигналів від вершини дефекту з метою точного визначення розмірів та положення дефекту. Метод TOFD був відкритий в якості більш точного інструменту для дослідження дефектів.

Так як і в інших методів неруйнівного контролю, існують обмеження, які варто врахувати до проведення контролю. Важкості виникають коли метод може як виявляти так і обезрозмірити дефекти і визначити границі виконуваних ними двох функцій.

Звичайною умовою до методу контролю являється виявлення дефектів які є більше певного визначеного розміру. Це можна визначити як пошук дефектів. Також основною з вимог контролю можна назвати визначення його довжини поперек перерізу сітки. Це називається обезрозміренням дефекту. Метод TOFD являє собою як високоточну техніку локалізації так і обезрозмірення дефектів, що дозволяє зменшити кількість помилок.

Коли ультразвукова хвиля попадає на витягнутий дефект чи не проварену ділянку зварки, то генерується фронт хвилі, який являє собою комбінацію відбитих сигналів і циліндричних дифрагованих сигналів від вершин дефекта. Ці дифраговані сигнали має відносно не високу амплітуду але розповсюджуються в всі напрямки вздовж тої самої площини, що і початкова ультразвукова хвиля.

Ефект дифракції від країв часто розглядається як новий научний метод и метод неруйнівного контролю. Проте це не більше ніж додаткова техніка в загальній палітрі ультразвукового контролю. Використання дифрагованих сигналів від країв властиво ехо-імпульсному методу при пошуку і обезрозміренні дефектів типу міжкристалічна корозія розтріскування під напругою наприклад в ядерній галузі. Цей метод часто називають дифракцією зворотнього розсіяння від країв (США), в той час як в Європі зазвичай використовують як дифракцію зворотнього розсіяння, так і пряме розсіяння (TOED)

Перевага методу TOFD чи прямого розсіяння, яке передбачає доступ з двох сторін зварювального шва полягає в спрощенні сигналу навіть якщо дефект знаходиться під кутом по відношенню до ультразвукового променю. Використання випрямленої дифракції привело до широких можливостей по вдосконаленню точності обезрозмірення внутрішніх і поверхневих дефектів.

Пошук дефектів за допомогою TOFD

Використовування дифракції в ультразвуковому середовищі для покращення процесу пошуку дефектів являється вдосконаленням. Це досягається завдяки комбінації відбитої енергії и широкому куту дифрагованої енергії від вершин дефектів.

Метод тільки має часкову залежність від кута подзвонювання пошукового пучка, а дифраговані сигнали можна прийняти і під різними кутами. Потрібно зауважити, що існує різниця в магнітуді дифрагованої енергії, відбитої від країв, в залежності від кута дифракції, властивості матеріалів і т.п. Ці особливості, зазвичай вони лежать в нормальних межах ультразвуку в діапазоні - 20 дБ. На даний час існує можливість використання двух чи більше каналів з різними настройками підсилення. Наприклад, одного каналу з настроєною чутливістю для повздовжньої хвилі,а другого - з настройкою підсилення таким чином щоб не було насичення сигналу від донної поверхні.

Завдяки використанню двох настройок чутливості створюється можливість більш точного вимірювання максимуму дефекту по відношенню до максимуму донного сигналу. Розташовуючи шукачі TOFD таким чином щоб вони охоплювали весь шов і використовуючи контролери які мають можливість обійти всі можливі обмеження це дозволяє добитись того що відгук системи не буде чутливим до точності геометричної форми контрольованого об'єкту. Вона буде надійно виявляти дефекти навіть тоді коли орієнтація дефектів, зазвичай створює проблеми для традиційного ультразвуку.

Вимірювання дефектів.

Основу вдосконалення точності обезрозмірювання дефектів склала комбінація дефракції і часу проходження сигналу. Цей тріангуляційний процес за якого два перетворювача випромінюють і приймають широкий промінь ультразвукової енергії дозволяє напряму знаходити співвідношення розмірів дефекту з часом пробігу ультразвукових імпульсів що дає можливість використовувати амплітуду відбитого від дефекту сигналу.

Джерелом діафрагованих сигналів є краї дефекту. Різниця значень часу пробігу між дифрагованими сигналами від верхнього і нижнього краю означає розділення країв дефекту, і тим самим довжину по глибині перерізу стінки чи розмір дефекту

Аналіз імпульсів

Головна хвиля - це повздовжня хвиля, якій необхідно найменший час щоб пройти шлях від джерела до приймача. Вона проходить найменшу відстань шукачами з швидкістю, рівною швидкості повздовжньої хвилі. Це перший сигнал від обмежуючих поверхонь.

Донне ехо

При правильній побудові схеми TOFD з точки зору фокусної відстані другий сигнал від обмежуючих поверхонь буде отриманий з значенням часу пробігу, який рівний товщинні матеріалу. Зазвичай цей сигнал називають донним ехом і його швидкість така ж як і швидкість головної хвилі. Донне ехо - це відбита хвиля, яка отримується пізніше ніж головна через різницю в пройденій довжині.

Сигнали від дефекту

Якщо між двома основними сигналами від обмежуючих поверхонь знаходиться дефект, тріщина чи дефект зварювального шву то відбудеться відбивання і переломлення ультразвукової енергії, яка випромінюється краями дефекту. Ця переломлена енергія від країв дефекту розповсюджується в всіх напрямках, і її частина буде отримана в вигляді ультразвукового імпульсу перетворювачем - приймачем, незалежно від відносного положення перетворювача та дефектів. Не важко бачити що приймач в загальному отримує чотири сигнали в наступній часовій послідовності.

a) Головна хвиля

b) Сигнал від верхнього краю

c) Сигнал от нижнього краю

d) Донний ехо-сигнал

Звернувши увагу на зміну фази періодичних сигналів. Фази сигналів головної хвилі і донного ехо-сигнала будуть перевернені по відношенню один до одного рівно як і фази діафрагофаних сигналів від верхнього і нижнього країв дефекту.

Використання правильного положення фаз в ході вимірювання часу пробігу головної хвилі донного єхо сигналу чи інших важливих сигналів являється основою для точності вимірювань і зменшення небажаних помилок.

Це є причиною того що в методі TOFD завжди використовуються неопрацьовані сигнали для отримання необхідної інформації про фази.

Розмір і положення дефектів

Траєкторії променів в методі TOFD основані на тріангуляції, через це залежність між часовою затримкою і наступним істотним сигналом не являється лінійною. Положення сигналів від вершини можна розрахувати через значення часу проходу імпульсу шляхом простої тригонометрії. Після чого інформація про положення сигналів від країв дефекту дає припущення про істинний розмір дефекту а також глибині його залягання під поверхнею протяжність поперек перерізу стінки. Процес виконання таких розрахунків називається лінеаризацією, і може бути виконаний контролером чи з використанням системи аналізу даних.

Точність, розширення і загальна похибка

Точність представляє собою похибку з якою можна визначити час отримання сигналу. Таким чином похибка, з якою можна визначити положення дефекту. Точність методу TOFD можна збільшити шляхом одночасного скорочення можливих похибок. Наприклад точність залежить від степені оцифровавання часова похибка, скорочується покращує таким чином, точність.

Розширення - це мінімальна відстань між двома сигналами необхідне для їх коректного розпізнання. Таким чином розширення це степінь з якою можуть розрізнятись дефекти (чи розділятись), якщо вони знаходяться близько один до одного. Це взаємопов'язаний момент так як він відноситься як до тимчасового розширення, так і до здібності розрізняти близько розташованих ультразвукових імпульсів.

Загальну похибку методу TOFD важко визначити по тій причині що вона залежить від різних факторів. Незалежні вимірювання доказують, що доступною похибкою являється значення ±1мм. Було продемонстровано, що поторність може бути в межах ±0.3мм. Очевидно що точність залежить від виключення помилок, а загальна похибка буде комбінацією кількості складових похибки, таких як похибка скорості, похибка розділення, часова похибка і т.д.

Границя Найквиста

Деякі проблеми пов'язанні з обмеженою чи низькою швидкістю передачі інформації. Деякі з проблем зображенні на зображеннях нижче перше показано процес відбору дискретних даних форми коливання хвилі з частотою 10 МГц з швидкістю дискретизації 20 МГц, при якому генеруються як мінімум 2 точки вибірки на період, в результаті чого синусоїдальна хвиля правильної частоти може бути відновлена з точок вибірки. Якщо розглядати синусоїдальну хвилю з частотою >10МГц і з такою ж швидкістю дискретизації 20МГц, то можна побачити що на період більше не буде 2-ох точок виборок. Це може призвести до помилок в визначені амплітуди, а при реконструкції оригінальна синусоїдальна хвиля не може бути точно відновлена. Замість цього буде отримана хвиля з більш низькою частотою. Важливо те що не можна збирати дані з частотою оцифровування нище, ніж половина значення основної частоти шукача. Даний єфект відомий як границя Найквиста.

Калібрування

Виконання попереднього і пост калібрувальних сканувань має важливе значення для забезпечення надійного автоматичного контролю. В умовах збору даних методом TOFD вони надають ряд точок перевірки і через це повинні виконуватися регулярно.

1. Насамперед вони служать для перевірки системи і того що всі перетворювачі, що всі перетворювачі кабелі попередні підсилювачі, плати і жорсткий диск працюють правильно і можуть використовуватись для записування та відтворювання даних

2. Вони являються засобом зниження рівня похибок при настройці наприклад, вимірювання відстані між джерелом та приймачем ультразвукової хвилі до початку контролю.

3. Виконання пост калібрування надає доказ того що всі параметри в ході контролю знаходились в рамках, допустимих похибок, і контроль вважається таким який відбувся. В випадку виявлення відхилення, контроль необхідно повторити чи надати пояснення даним не відповідностям.

Опрацювання даних. Вимірювання дефектів.

Вимірювання дефекту виконується в ході визначення глибини залягання сигналів і (чи) нижнього краю з використанням даних паралельного сканування. Це можна трактувати як висоту дефекту з включенням в висновки про виконання сканування.

4. Створення програми інтерфейсу для управління системою

Основною з задач поставленою перед програмним забезпеченням написаним для обслуговування даної системи являється забезпечення організації прив'язки координати в системі пов'язаній з детектором та системи пов'язаної з вимірюваним зразком.

Процес розробки програмного забезпечення для простоти виконання було розбито на декілька етапів. Перший етап організація доступу до зовнішніх пристроїв. Другий етап організація зчитування даних з дефектоскопа UNS-52. Третій етап організація запису файлу. Четвертий етап організація функцій пересування датчика. П'ятий етап організація процесу сканування площі в автоматичному режимі.

Розглянемо детальніше кожен з пунктів.

Під першим пунктом розуміється організація зв'язку з детектором під'єднаного до COM port та маніпулятора приєднаного до LPT порту. На зображенні нижче показано вигляд Com порту та призначення кожної контактної ніжки.

Вході написання програми виникла проблема з керуванням кроковими двигунами, переміщення займало тривалий час в силу необхідності часової затримки на виконання механічного процесу. Тому була написана функція яка виконувала штучну часову затримку за рахунок виконання простих математичних операцій задану кількість раз. Тому при заміні комп'ютера необхідно буде встановити константу яка організовує часову затримку. Так як час затримки напряму зв'язаний з потужністю комп'ютеру, кількості виконуваних ітерацій на одиницю часу.

Зовнішній вигляд Lpt порта та призначення його контактних ніжок.

Другий етап виконаний за допомогою уже організованого зв'язку в попередньому пункті. За перериванням на дефектоскоп подається сигнал на запит передачі даних. Після чого виконується передача даних на комп'ютер. Дані для простоти зберігаються в вигляді одновимірного масиву. Після збереження даних в масив вони відображаються на екрані. Дана функція організована для більшої наочності.

Третій етап це організація збереження інформації. А саме створення файлу в який послідовно записується інформація в такому форматі: х, y, z (координати положення датчика) P[n] (сигнал з датчика). Сигнал з датчика. Довжина масиву даних залежить від поточних параметрів дефектоскопа. Параметри дефектоскопа записуються в кінець файлу сканування.

Четвертий етап. Для організації мобільності системи була організована функція яка дала змогу переміщувати датчик на нову позицію вимірювання. Встановлюючи відповідні значення для пересування по 3-ох координатах по натисканні кнопки Move датчик переїзд жав на нове положення. Для того щоби вказати напрямок пересування датчика використовувався знак встановленого числа.

П'ятий етап. Для забезпечення простоти процесу сканування було організовано функцію автоматичного сканування. В даному випадку під автоматичним скануванням розуміється автоматичне пересування датчика по певній площі з певним кроком по двох з координат. Початкове положення датчика вважається лівим нижнім кутом прямокутника. Задавши такі параметри як відстань між точками вимірювання та сторони прямокутника запускаємо сканування. Для більшої наочності організована візуалізація пересування датчика по зразку. При пресуванні датчика на нове положення воно відмічається на екрані комп'ютера.

Для збільшення зручності при користуванні кожен з елементів форми підписний та до кожного з них прикріплена текстова підказка яка в широкій формі описує призначення конкретного елементу.

Збереження файлів. До початку процедури автоматичного сканування вибраної площі необхідно задати назву та адресу файлу в який буде записуватись інформація. Якщо дана процедура не буде виконана то дані не збережуться, а тільки будуть відображатись на екрані. Для зручності автоматична адреса для збереження файлів "C:\USN-52\". Проте це не знімає необхідності в встановленні назви файлу.

Зовнішній вигляд оболонки програмного забезпечення для даної системи.

Висновки

У ході виконання бакалаврської роботи було створено систему за яка дозволяє виконувати неруйнівний контроль стану матеріалу як конструкційних елементів реактора тупу ВВЕР 1000, так і будь-яких інших металів. Дана система основана на ультразвуковій техніці неруйнівного контролю. Для забезпечення високої ефективності даної системи було використано широкий спектр засобів: сучасні технології та фізичні методи.

Особливу роль в даній системі можна віднести технології ультразвукового сканування яка основана часі проходження ультразвукової хвилі через середовище. Та її від слідкування їх змін а відповідно і дефектів. В силу не складного математичного апарату який використовується для даного методу забезпечується відносно висока ефективність.

Іншою важливою складовою даної системи являється програмне забезпечення. Програма яка організовує зв'язок між комплектуючими системи виконує управління ними, та зберігає дані для можливості їх подальшого аналізу.

Мінуси даної програми:

Прив'язаність до конкретного комп'ютера. Для коректної роботи на іншому комп'ютері дану програму потрібно ре-компілювати та виставити коректні значення констант.

Плюси

Швидкість пересування детектора

Можливість автоматичного сканування поверхні зразка

Простота в користуванні. Управління системою за допомогою даного програмного забезпечення є простим за рахунок використання підказок. Підказки можна прочитати навівши на конкретний елемент програми мишку, в результаті чого появиться текст підказки.

Якщо узагальнити то можна зробити короткий висновок:

Організована система виконує поставлене перед нею завдання. Дозволяє виконувати сканування складних поверхонь в ручному режимі, та у випадку простих поверхонь автоматичному режимі роботи. Зберігає дані в зручному для подальшого опрацювання форматі.

Список літератури

1. Г.В. Мамчев Основи системи неруйнівного контролю. Учбовий посібник.- Новосибірськ, 2010;

2 Г.В. Мамчев Реактори. Навчальний посібник для Внз М., "Гаряча лінія - Телеком", 2007;

3. А.В. Смирнов " Реактор ввэр-1000. Учбовий посібник " 2009 года.

Размещено на Allbest.ru