Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика напряжений в основном металле и сварных соединениях циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 14
1.1. Характеристика объекта контроля 14
1.2. Диаграммы напряжений для материалов циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 21
1.3. Остаточные напряжения в циркуляционных трубопроводах ЯЭУ 29
1.4. Остаточные напряжения в сварных соединениях 31
1.5. Состояние современных методов измерения напряжений в металлах 43
1.6. Основные требования к автоматизированной системе контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 52
Глава 2. Теоретическое обоснование и экспериментальные исследования измерительных преобразователей автоматизированной ультразвуковой системы контроля напряжений в металлах на основе эффекта акустоупругости 55
2.1. Физические основы эффекта акустоупругости 55
2.2. Разработка ультразвуковых преобразователей для автоматизированной системы контроля на основе эффекта акустоупругости ...63
2.3. Экспериментальные исследования зависимости скорости ультразвуковых волн от напряжений в металле циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 118
Глава 3. Разработка автоматизированной системы обработки и представления информации ультразвуковых измерительных преобразователей
3.1. Функциональная схема автоматизированной системы контроля 130
3.2. Электронные блоки регистрации и обработки информации 140
3.3. Алгоритмы и программы обработки и представления информации 157
3.3.1. Состав программного обеспечения 157
3.3.2. Программное обеспечение сбора и накопления данных 163
3.3.3. Подсистема анализа ультразвуковых данных и архивации 166
Глава 4. Разработка систем автоматического управления процессом ультразвукового контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 169
4.1. Методика автоматизированного ультразвукового контроля 169
4.2. Функциональные схемы систем автоматического управления ультразвуковым контролем 180
4.3. Механизмы перемещения ультразвуковых преобразователей 182
4.4. Электронные блоки систем автоматического управления ультразвуковым контролем 186
4.5. Алгоритмы и программы систем автоматического управления .192
Глава 5. Метрологические характеристики автоматизированной системы контроля 195
5.1.Метрологические характеристики ультразвуковых преобразователей автоматизированной системы контроля 195
5.2. Влияние температуры металла на изменение скорости ультразвука200
5.3. Влияние неравномерного распределения плотности металла на точность измерения скорости ультразвука 205
5.4. Акустические и электрические помехи при контроле напряженного состояния металла 207
Заключение 216
Список литературы 217
Приложение 1 234
Приложение 2 235
- Диаграммы напряжений для материалов циркуляционных трубопроводов ЯЭУ
- Разработка ультразвуковых преобразователей для автоматизированной системы контроля на основе эффекта акустоупругости
- Функциональная схема автоматизированной системы контроля
- Механизмы перемещения ультразвуковых преобразователей
Введение к работе
Контроль состояния сварных швов и металла является одной из основных задач диагностики оборудования ядерных реакторов. Дефекты сварных швов и металла в виде несплошностей (трещин, шлаковых включений и др.) снижают безопасность эксплуатации атомных электростанций (АЭС). Существующие методы ультразвуковой диагностики позволяют проводить контроль технологического оборудования АЭС на наличие уже существующих несплошностей. Ультразвуковой контроль напряженных состояний основного металла и сварных швов позволяет предсказывать появление несплошностей. Устранение же существующих напряжений способно продлить срок эксплуатации технологического оборудования ядерных реакторов.
Основными элементами технологического оборудования ЯЭУ с реакторами ВВЭР являются корпус реактора и трубопроводы первого контура Ду 600 мм, а с реакторами РБМК — технологические каналы и трубопроводы контура многократной принудительной циркуляции (КМГЩ) Ду 800 мм. Разрыв любого из этих конструктивных элементов может привести к максимальной аварии.
В реакторах типа РБМК одним из основных элементов являются технологические каналы (ТК). ТК состоит из циркониевой части, которая находится в активной зоне ядерного реактора, и стальной, расположенной вне активной зоны. Между ТК и графитовой кладкой расположены упругие графитовые кольца. Величина зазора между ТК с графитовыми кольцами и графитовой кладкой составляет 3 мм. В результате процессов термодинамической ползучести и радиационного роста диаметры канальных труб увеличиваются, а отверстий в графитовых блоках уменьшаются [і]. Это приводит к уменьшению «зазора» и заклиниванию ТК. При этом в металле ТК
создаются механические напряжения, которые могут привести к разрушению ТК [2,3]. Особенно важным является контроль напряжений металла ТК в районе внутреннего стыка переходников сталь - цирконий, где чаще всего появляются трещины в стенках ТК.
В данной диссертации представлена разработанная автором автоматизированная система контроля напряженного состояния на основе метода акустоупругости. Разработаны ультразвуковые преобразователи для контроля напряженного состояния сварных швов и основного металла технологического оборудования, разработан опытный вариант системы контроля напряженного состояния, проведено экспериментальное обоснование.
Одной из наиболее важных задач, относящихся к развитию метода ультразвукового контроля напряженного состояния, является автоматизация процесса контроля. Она связана с совершенствованием конструкций систем контроля напряженного состояния, с разработкой специальной оснастки, необходимой для проведения контроля, а также с разработкой программного обеспечения и т.п.
Применение автоматизированных систем контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ позволяет значительно повысить эффективность обследования технологического оборудования, предсказывать появление несплошностей в сварных соединениях (трещины и др.) и тем самым снижать затраты на проведение ремонтных и ремонтно - восстановительных работ.
Таким образом тема диссертации является актуальной.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.
В первой главе проведен анализ напряжений возникающих в основном металле и сварных соединениях циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.
Соединение между собой отдельных элементов оборудования ЯЭУ требует большого числа трубопроводов. Стоимость их достигает 10% общей стоимости оборудования станции. От безопасной эксплуатации трубопроводов во многом зависит надежность работы всей станции в целом.
Трубопроводы первого и второго контуров состоят из прямолинейных участков и гибов. На отдельных участках они подвешены к опорам либо лежат на них. В зависимости от условий эксплуатации материала трубопроводов в них возникают остаточные напряжения. Величина этих остаточных напряжений, их распределение по сечению и длине трубопроводов различна.
Как показала практика, основная причина аварий трубопроводов на атомных и тепловых электростанциях заключается в повреждениях гнутых участков, являющихся компенсаторами действующих напряжений и разрушающихся в зоне термического влияния. Как раз на гибах трубопроводов остаточные напряжения имеют максимальные значения.
Неравномерный разогрев изделия при сварке порождает его неравномерную температурную деформацию. Монолитность материала изделия препятствует свободной температурной деформации его отдельных частей, в результате чего во время сварки образуются напряжения и пластическая деформация части металла соединения, а после охлаждения в изделии остаются сварочные напряжения и деформации. Для контроля напряженного состояния оборудования АЭС наиболее приемлемым методом является ультразвуковой метод (акустическая тензометрия). Кроме того применение ультразвуковых волн позволяет получить информацию о строении веществ на микро- и макроуровнях, а также определить прочностные характеристики оборудования.
Основная задача акустической тензометрии связана с определением по результатам акустических измерений тензора акустоупругих коэффициентов
скорости. Определяя скорости ультразвуковых волн по известным составляющим тензора акустоупругих коэффициентов скорости, можно рассчитать напряженное состояние металла.
Сформулированы требования к автоматизированным системам контроля напряженного состояния основного металла и сварных швов циркуляционных трубопроводов ядерных энергетических установок. Рассмотрены причины возникновения остаточных напряжений и методы их контроля. Также рассмотрены следующие основные элементы автоматизированной системы контроля: первичные ультразвуковые преобразователи, ультразвуковые генераторы, блоки регистрации и обработки информации.
Вторая глава посвящена разработке и исследованию ультразвуковых преобразователей, предназначенных для автоматизированной системы контроля напряженного состояния. Произведено обоснование автоматизированного ультразвукового метода контроля напряженного состояния металла циркуляционных трубопроводов ядерных энергетических установок. На основании концепции эффекта акустоупругости рассмотрены акустоупругие коэффициенты, применяемые к материалам циркуляционных трубопроводов ядерных энергетических установок. Дана оценка возможности описания напряженного состояния с помощью нелинейного эффекта акустоупругости. Приведены расчетные формулы для установления значений коэффициентов акустоупругости, а также акустические коэффициенты скорости и времени. Произведен расчет акустического поля пьезопреобразователя для системы автоматизированного контроля.
Рассмотрены механические и электрические методы демпфирования пьезоэлементов. Представлены экспериментальные результаты исследования ультразвуковых преобразователей автоматизированной системы на образцах оборудования первого и второго контуров ядерных энергетических установок.
Автором осуществлена разработка экспериментальных стендов, состоящих из блоков возбуждения и обработки ультразвуковых сигналов, ультразвуковых преобразователей, программного обеспечения и механических устройств нагружения. Кроме того предложены выражения для определения упругих постоянных металлов первого и второго контуров ядерных энергетических установок.
Третья глава посвящена разработке принципов построения автоматизированной ультразвуковой системы контроля напряженного состояния металла трубопроводов ядерных энергетических установок. Автором разработаны электронные блоки регистрации и обработки информации, а также алгоритмы и программы обработки и представления информации.
Четвертая глава посвящена разработке систем автоматического управления процессом ультразвукового контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений ЯЭУ. Разработана методика контроля напряженного состояния металла и сварных соединений. Разработаны элементы системы, а также алгоритмы и программы автоматическим управлением процессом контроля напряженного состояния.
Пятая глава посвящена метрологическим характеристикам автоматизированной системы контроля.
В заключении сделаны общие выводы по результатам проведенных исследований автоматизированной системы ультразвукового контроля напряженного состояния.
В приложении приведены сертификат о калибровке средства измерений и протокол испытаний автоматизированной системы контроля.
Основные научные результаты работы
В результате проведенных экспериментальных исследований осуществлено теоретическое обоснование эффекта акустоупругости применительно к исследованию напряженного состояния циркуляционных трубопроводов ЯЭУ, а также решена научно-техническая задача создания автоматизированной системы контроля напряженного состояния, позволяющая перейти к проведению ранней диагностики оборудования (предсказанию появления несплошностей).
В процессе работы решены следующие задачи:
Проверено теоретическое обоснование эффекта акустоупругости и впервые произведено его экспериментальное исследование применительно к материалам оборудования первого и второго контуров ядерных энергетических установок, что позволило выработать общий подход к созданию фокусирующих ультразвуковых измерительных преобразователей для автоматизированных систем контроля напряженного состояния;
Разработаны принципы построения автоматизированной системы контроля напряженного состояния основного металла технологического оборудования и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ. Проведено исследование влияния различных факторов на чувствительность и точность контроля. Выработаны рекомендации по использованию различных ультразвуковых преобразователей для контроля напряжений основного металла и сварных швов циркуляционных трубопроводов ЯЭУ;
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение автоматизации обработки и представления полученной в результате контроля информации;
4. Проведены экспериментальные исследования основных узлов
автоматизированной системы измерения напряженного состояния
оборудования, подтверждающие адекватность теоретических исследований их характеристик;
5. Осуществлено исследование метрологических характеристик автоматизированной системы, позволившее выработать алгоритмы выявления факторов, создающих наибольшие помехи процедурам контроля и выработать методы уменьшения погрешностей при измерениях.
Научная новизна
1. Впервые проведены теоретическое обоснование и экспериментальные
исследования нелинейного эффекта акустоупругости в материалах
циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.
2. Разработаны рекомендации по созданию ультразвуковых
преобразователей для автоматизированных систем контроля напряженного
состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных
трубопроводов ЯЭУ;
3. Разработаны алгоритмы и комплекс программ для обработки и
представления электрических сигналов ультразвуковых преобразователей;
4. Разработаны алгоритмы и комплекс программ для автоматизированных
систем управления процессом контроля;
5. Проведено исследование влияния внешних факторов на
чувствительность и погрешность контроля. Разработаны алгоритмы,
позволяющие уменьшить погрешности автоматизированной системы
контроля.
Технические решения, изложенные в материалах диссертации, защищены патентом 2188412 С2 GO 1 № 29/00 от 27 августа 2002 года.
Практическая ценность работы
Для автоматизации и управления процессом контроля создана автоматизированная система контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ на основе эффекта акустоупругости. Данная система позволяет проводить раннюю диагностику металла и сварных швов, что обеспечивает повышение безопасности ЯЭУ.
На основе эффекта акустоупругости выработан общий подход к созданию фокусирующих ультразвуковых измерительных преобразователей для автоматизированных систем контроля напряженного состояния оборудования первого и второго контуров ядерных энергетических установок;
3. Проведено исследование влияния внешних факторов на
чувствительность и погрешность контроля. Осуществлено исследование
метрологических характеристик автоматизированной системы, позволившее
разработать алгоритмы выявления факторов, создающих наибольшие помехи и
выработать методы уменьшения погрешностей;
4. Разработанная автоматизированная ультразвуковая система контроля
может быть использована и в других отраслях: нефтяной, газовой, химической
промышленностях.
На защиту выносятся;
Результаты теоретического обоснования и экспериментальных исследований ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей на основании эффекта акустоупругости;
Алгоритмы и комплекс программ обработки информации ультразвуковых измерительных преобразователей;
3. Алгоритмы и комплекс программ для автоматизированных систем
управления процессом контроля;
4. Результаты исследований разработанной автоматизированной системы
контроля напряженного состояния.
5. Результаты анализа метрологических характеристик
автоматизированной системы контроля и методы уменьшения основных
составляющих погрешности.
В основу данной работы вошли результаты исследований, проведенные автором в Обнинском государственном техническом университете атомной энергетики.
Полнота изложения материалов диссертации в работах, опубликованных соискателем
По материалам диссертации автором опубликованы 34 работы, в том числе 1 монография, 1 патент, 32 статьи в журналах и сборниках научных трудов.
Апробация результатов работы:
Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:
1. Международной конференции «Пьезотехника-96», Москва,
20-24 июля 1996 г.
2. Международной научно-практической конференции «Пьезотехника-
97», г. Обнинск, 25-27 ноября 1997 г.,
Международной конференции «Неразрушающий контроль - 98» г. Санкт-Петербург, 3-5 июня 1998 г.
Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Пьезотехника-99), Ростов-на-Дону, 15-21 августа 1999 г.
Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Пьезотехника-2000), Москва, 18-22 октября 2000 г.
Международной конференции в Испании «Неразрушающие методы контроля материалов», Севилья, сентябрь 2001 г.
Международная конференция «Безопасность АЭС». ФЭИ, Обнинск, октябрь, 2001 г.
Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Пьезотехника-2002), Тверь, 17-21 сентября 2002 г.
Международной конференции «Безопасность ядерной энергетики» в Обнинске, ОИАТЭ, октябрь 2003 г.
10. Международной конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-
энергетическая безопасность промышленных городов». - Нижневолжск. -
2004 г. - 6-9 октября 2004 г.
11. «Математические идеи П.Л. Чебышева и их приложение к
современным проблемам естествознания». - Обнинск. - 2004 г.
- 26-29 ноября.
Диаграммы напряжений для материалов циркуляционных трубопроводов ЯЭУ
При существовании герметичной проходки через стенку целесообразно обеспечивать удлинения трубопроводов по обе стороны прохода, чтобы в месте прохода трубы через кладку не требовалось ее перемещения. Опоры и подвески трубопроводов рассчитывают на вес трубопровода, наполненного водой и покрытого изоляцией. Расстояния между соседними опорами должны быть от 2 до 8 м в зависимости от диаметра трубопроводов: для меньших диаметров принимают меньшие расстояния, так как гибкость таких трубопроводов больше. Трубопроводы обычно прокладывают параллельно поперечной и продольной осям здания, а в вертикальном направлении -параллельно осям колонн. Все стали перлитного класса имеют существенно меньший коэффициент линейного расширения, чем стали аустенитного класса (смотри таблицу). Поэтому для реакторных контуров предпочтительнее стали перлитного класса, тем более что чем больше диаметр трубопровода, тем труднее его трассировка с обеспечением самокомпенсации. У труб малого диаметра, например у змеевиков поверхности нагрева, легко обеспечить компенсацию удлинений, но так как коэффициент теплопроводности углеродистых сталей выше, то их применение целесообразно и для змеевиков. Длина труб, выпускаемых промышленностью, обычно 8 - 12м; длина трубопроводов всегда больше. Места соединений участков трубопроводов между собой, с арматурой и отдельными агрегатами в реакторных контурах требуют особого внимания. Все соединения сварные; фланцевые применяются в виде исключения. Ремонт трубопроводов первого контура чрезвычайно затруднителен, поэтому качеству сварки уделяется особое внимание, так как от этого во многом зависит срок службы трубопроводов. Необходимо также иметь в виду, что сварные соединения более подвержены коррозии, чем основной материал. Из сказанного следует, что необходимо точное соблюдение технологии сварки с последующей проверкой качества сварки современными методами контроля. Трубопроводы контура многократной принудительной циркуляции соединяют с главным циркуляционным насосом и главной задвижкой также сваркой [і]. На эти трубопроводы приходятся наибольшие весовые расходы. Количество воды, циркулирующей по контуру реактора, в 5-6 раз больше его паропроизводительности, отвечающей расходам в паропроводах и питательных трубопроводах. Так как контур многократной принудительной циркуляции имеет высокую радиоактивность, то необходимо проектировать его с максимальной простотой, минимальной протяженностью и высокой надежностью. При этом должна быть обеспечена возможность естественной циркуляции в режимах как плавного, так и аварийного расхолаживания. Горизонтальные трубопроводы главного реакторного контура прокладывают с уклоном 0,001 в сторону выпуска дренажа из них. Трассировка внереакторных трубопроводов одноконтурных АЭС и трубопроводов второго контура двухконтурных, также должна быть максимально простой с учетом самокомпенсации и распределением мертвых и подвижных опор. Уклон должен быть не менее 0,004 в сторону организованного дренажа. Главные трубопроводы одноконтурных станций сооружают без застойных зон и участков резкого снижения скоростей, в которых могли бы образовываться отложения. Вся система главных трубопроводов подлежит предпусковой химической очистке и периодическим эксплуатационным промывкам. Выбор реагентов, режима и периодичности химических очисток зависит от состава и величины отложений и использованных конструкционных материалов, а также от уровня радиоактивности оборудования. Все трубопроводы, рабочая среда для которых - вода, в верхних точках снабжают воздушниками для удаления воздуха при заполнении систем. Тем самым уменьшается интенсивность коррозионных процессов и предотвращаются нарушения гидродинамики. Для трубопроводов больших диаметров и высоких температур очень важен режим прогрева в процессе пуска. В трубопроводах коммуникаций и во внереакторной части скорость прогрева ограничивается только для паропроводов, учитывая их наибольший диаметр (наибольшую толщину стенок) и наиболее высокие температуры среды. При прогреве паропроводов образуется значительное количество конденсата, для отвода которого организуется соответствующий дренаж: пусковой и постоянный. Пусковой используют только в процессе пускового прогрева паропроводов; постоянный - при эксплуатации периодически включаемых в работу участков паропроводов, для поддержания их в прогретом состоянии (например, подводы острого пара к БРУ). Постоянный дренаж трубопроводов высокого давления обычно осуществляют за счет непрерывного протока небольшого количества пара через дренажную трубу с установленной на ней дроссельной шайбой. Пар направляется в какой-либо аппарат (например, в деаэратор) или трубопровод с более низким давлением, имеющий предохранительный клапан. Трубопроводы низкого и среднего давлений могут дренироваться с помощью специальных конденсатоотводчиков, отводящих только конденсат, образующийся за счет потери теплоты в окружающую среду, но не пропускающих пар. Тупиковые участки целесообразнее не дренировать, а вентилировать для предотвращения скапливания в них конденсата [2]. Для этого трубой малого диаметра соединяют конечную точку тупикового участка с магистральным трубопроводом. Благодаря перепаду давления на участке паропровода от места подвода пара к БРУ до места врезки вентилирующей трубы создается движение пара, обеспечивающее необходимый тепловой режим.
Трубопроводы прокладывают так, чтобы была возможность их полного опорожнения, для чего предусматривают систему спускных дренажей, трубы которых имеют уклон не менее 0,002. Для сокращения потерь теплоты и конденсата дренажи паропроводов возвращают в паросиловой цикл станции. Во избежание потерь конденсата сливные дренажи собирают в дренажные баки и дренажными насосами перекачивают через очистные фильтры в деаэраторные баки. Трубопроводы низкого давления (Р 2,2 МПа) из углеродистой стали (Dy 100) и из нержавеющей (Dy 80) должны поставляться в комплекте с опорами, арматурой и крепежом [2].
Разработка ультразвуковых преобразователей для автоматизированной системы контроля на основе эффекта акустоупругости
Пьезоэлектрические преобразователи являются пассивными компонентами радиоэлектронной аппаратуры и предназначены для использования в аналоговых цепях для стабилизации и выделения электрических колебаний определенной частоты. В широкой области частот сопротивление преобразователей имеет резко выраженный резонанс, что определяет название компонента. Основным электрическим параметром преобразователя является частота его резонанса [б].
Пьезоэлектрический эффект наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации, но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это прямой пьезоэффект. Пьезоэффект обратим. Пьезоэлектрики способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Пьезоэлемент - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации), имеющее проводящие обкладки (электроды). Таким образом пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твердым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может регистрироваться соответствующим контрольным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана. Одновременно с деформацией на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и ее величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и емкость пьезоэлемента. Внешняя механическая сила, воздействуя на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию в виде энергии упругой деформации и энергии заряда емкости пьезоэлемента. Внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда емкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Включенный в электрическую цепь переменного тока, пьезоэлемент представляет для нее нагрузку, подобную обычному конденсатору. Если пьезоэлемент включить в цепь источника электрического напряжения определенной частоты, то в течение первой четверти периода напряжения, когда оно возрастает от нуля до максимального значения, происходит зарядка емкости и механическая деформация пьезоэлемента, а следовательно, накопление им энергии в виде энергии заряда емкости пьезоэлемента и упругой энергии деформации. В момент, когда внешнее напряжение достигает максимума, общая накопленная пьезоэлементом энергия также максимальна. Во вторую четверть периода, когда внешнее напряжение уменьшается от максимального значения до нуля, пьезоэлемент отдает во внешнюю цепь энергию, накопленную им за первую четверть периода. Внешне это ничем не отличается от обычной картины прохождения электрического тока через конденсатор. В следующий полупериод картина повторяется с той разницей, что ток в цепи протекает в противоположном направлении. Если пьезоэлемент не имеет электрических потерь и механически свободен, т.е. не нагружен и не совершает механической работы, то он ведет себя в электрической цепи как конденсатор. Механическая нагрузка отражается на электрическом режиме. Если пьезоэлемент совершает какую - либо работу, например излучает механические колебания в окружающую среду, то это находит отражение в изменении фазы электрического тока и появлении активной составляющей тока. Если пьезоэлемент лишить возможности совершать механические колебания, например, жестко зажав его, то это обстоятельство не может не отразится на электрическом режиме. Поскольку в этом случае пьезоэлемент лишен возможности преобразовывать электрическую энергию в механическую, следует сделать вывод об уменьшении тока в цепи пьезоэлемента по сравнению со случаем, когда последний свободно совершает колебания. Иными словами, сопротивление зажатого пьезоэлемента должно быть больше свободного в результате уменьшения его емкости. Проводимость пьезоэлемента в цепи переменного тока, частота которого плавно изменяется в широких пределах, возрастает с ростом частоты и линейно зависит от последней, т.е. имеет емкостной характер. Однако закономерный емкостной характер проводимости нарушается на некоторых частотах и характеризуется резким ростом проводимости, вслед за которым следует ее резкое падение. В момент, когда проводимость становится максимальной, ее характер изменяется - она становится активной. Активный характер проводимости наблюдается также в момент, когда она минимальна. В промежутке между максимальным и минимальным значениями проводимость имеет индуктивный характер. Эти изменения проводимости имеют типично резонансный характер. Резонансные явления в электрической цепи пьезоэлемента обусловлены резонансами его механических колебаний. Резонансные колебания в твердом упругом теле наблюдаются тогда, когда частота возбуждающей силы оказывается близкой к частоте его собственных колебаний. В момент механического резонанса возрастает ток через пьезоэлемент и частотная характеристика тока приобретает резонансный характер, точно соответствующий характеристике механических резонансных колебаний.
Функциональная схема автоматизированной системы контроля
Система построена на использовании ультразвукового эффекта акустоупругости. Основные принципы организации системы определяются требованиями, предъявляемыми к системе методикой контроля, и функциями, возлагаемыми на систему. В соответствии с методикой контроль напряженного состояния производится в сварных швах и основном металле трубопроводов первого и второго контуров ядерных энергетических установок. Контроль производиться путем возвратно - поступательного перемещения ультразвуковых преобразователей по окружности трубы с шагом построчного перемещения 4 мм [51-74]. Перемещение вдоль окружности осуществляется на угол 360 градусов. Функциональная схема автоматизированной системы контроля приведена на рис. 51 (см. стр. 132).
Требования к характеристикам ультразвуковых преобразователей со стороны генераторов и усилителя определяются типом технологического процесса и необходимостью обеспечения заданной точности измерения. Целесообразно рассмотреть основные из них. К ним относятся: 1. частота излучаемого ультразвука - 5 МГц± 05 МГц; 2. чувствительность по глубине контроля - от 0 до 50 мм; 3. фокусирование ультразвукового пучка с диаметром фокуса 2 мм; 4. производительность имеет важное значение при большом объеме работ. В большинстве случаев она должна быть не менее 0,1 м/мин; 5. обязательное наличие возможности автоматизации процесса контроля. Приведенные количественные параметры были определены, исходя из необходимости автоматизированного контроля напряженного состояния. Важное значение имеют наличие возможности визуализации напряженного состояния по толщине оборудования и получения документа о результатах контроля, простота в эксплуатации и технологичность процесса контроля. Большинству требований удовлетворяет именно рассматриваемый ультразвуковой метод контроля. Необходимость выполнения большого объема контролирующих работ определила следующие принципы их проведения: 1) весь процесс контроля разбивается на две независимые процедуры: а) процедуру сбора и накопления данных и б) их обработки и анализа; 2) сбор, накопление и предварительная обработка данных контроля осуществляется в реальном времени; 3) обработка и анализ данных контроля осуществляется в отложенном времени. При определении состава и выборе технических средств были сформулированы следующие основные требования, предъявляемые к системе. Она должна обеспечивать: 1) контроль напряженного состояния основного металла и сварных швов трубопроводов первого и второго контуров ядерных энергетических установок, при этом настройка системы на объект контроля должна производиться в соответствии с вводимым в неё идентификатором, присваиваемом каждому объекту контроля; 2) сбор данных контроля напряженного состояния в виде и объеме, достаточном для воспроизведения процесса контроля в так называемом отложенном времени. Для этого траектория движения механизма и алгоритм функционирования должны обеспечить плотность посылок УЗ импульсов, позволяющую зафиксировать полную информацию о состоянии объекта, причем в пределах каждого отдельного зондирования должны быть зафиксированы все данные, относящиеся к зоне контроля; 3) достоверность собранной информации; 4) накопление данных контроля для последующей обработки и анализа; 5) регистрацию оперативной информации о ходе самого процесса контроля, а также регистрацию предварительных результатов контроля, включающих информацию о предполагаемых уровнях напряжений; 6) возможность изменения оператором параметров и алгоритма контроля, а также возможность командного управления процессом контроля; 7) обработку и анализ данных контроля в отложенном режиме. В соответствии с принятым методом контроля напряженного состояния основного металла и сварных швов и со сформулированными требованиями к системе, она производит следующие действия: - генерирование УЗ импульсов и возбуждение ультразвуковых преобразователей (УЗП) в соответствии с общим алгоритмом контроля, приводимым в методике контроля; - прием любым УЗП возможного отраженного УЗ сигнала и его регистрация; - регистрацию времени прохождения отраженного УЗ сигнала и его амплитуды; - фильтрацию отраженных от дефектов сигналов от помех; - перемещение УЗП по заданной траектории в автоматическом и командном режимах и отработку блокировок; - регистрацию координат УЗП; - обработку принятой информации; - вывод обработанной информации в символической и графической форме, а также в виде протокола; - накопление информации о контролируемом объекте, архивацию и сохранение ее в течение всего времени его работы.
Механизмы перемещения ультразвуковых преобразователей
Важнейшими элементами в системах контроля, управления и диагностики являются измерительные преобразователи во всех отраслях промышленности, но особенно в атомной и химической, где измерительные преобразователи работают в условиях воздействия высоких температур, химически активных сред и радиационных облучений.
Вычислительные системы, микропроцессорные устройства обеспечили скачкообразное развитие систем контроля и управления, но только для обработки и хранения информации. Получение же информации происходит только с помощью измерительных преобразователей неэлектрических величин, которые преобразуют температуру, давление, расход, поток нейтронов в ядерном реакторе и другие технологические параметры в электрический сигнал, который потом уже может поступать на вычислительные устройства. Скачкообразное развитие измерительных преобразователей невозможно, т.к. каждый преобразователь работает на определенном физическом эффекте. Появление нового преобразователя связано с открытием нового физического эффекта.
Для построения измерительных преобразователей большой интерес представляют пьезоэлектрические материалы. Они обладают большими конструктивными возможностями, имеют высокие значения чувствительности, жесткости, надежности, радиационной стойкости. Пьезоэлектрические материалы не изменяют своих свойств при потоке нейтронов 7х1017 нейтр/см2 [20]. Таким образом, они могут работать непосредственно в активной зоне ядерного реактора [21]. На основе пьезоэлектрических материалов разработаны измерительные преобразователи усилий, давлений, расхода, уровня, температуры, влажности, параметров вибраций, микроперемещений. Широкое применение они получили в акустических методах контроля состояния металлов и сварных швов, в эхолокации. На их же основе разработаны вибродвигатели. Долгое время применение пьезоэлектрических преобразователей в атомной и химической промышленности сдерживалось низкой температурной стабильностью пьезоэлектрических материалов. Температура точки Кюри первых пьезокерамик была менее 200 С. В последние годы получены высокотемпературные пьезоэлектрические материалы, что сняло температурное ограничение их применения. Проведены исследования по изучению воздействия на пьезоэлектрические преобразователи реакторных излучений. Установлена возможность надежного использования пьезоэлектрических преобразователей на основе пьезокерамики ЦТС при флюенсе тепловых и быстрых нейтронов 1,9 1013 и 1,2 1012 нейтр/см2 вплоть до достижения 2,7 1019 и1,62 1018 нейтр./ см2 соответственно ]. При проведении экспериментальных работ выявлено достаточно быстрое уменьшение эффективности преобразователя в начальный период облучения при флюенсе тепловых и быстрых нейтронов 1,9 10,J и 1,2 10" нейтр./ см . Троекратное снижение эффективности наблюдается при флюенсе тепловых нейтронов (0,6 - 0,8) 1019 нейтр./см2 (соответствующий флюенс быстрых нейтронов составляет (0,4 - 0,5) 1018 нейтр./см , полученная плотность дозы у - излучения (1,4 - 1,8) 10 Гр). Эти результаты получены в России для пьезокерамики ЦТС и за рубежом для пьезокерамики аналогичного класса [7]. Полный выход пьезопреобразователей из строя наступает после 400 ч. облучения, что соответствует флюенсу тепловых и быстрых нейтронов 2,7 1019 и 1,62 1018 нейтр./ см2. Выход из строя сопровождается резким снижением электрического сопротивления пьезоэлектрического преобразователя. Под воздействием у - излучения на пьезокерамику происходит снижение диэлектрической проницаемости и тангенса диэлектрических потерь при дозе облучения 5 109 Р. Электрическое сопротивление после облучения уменьшается почти в 2 раза. Пьезомодуль после максимальной дозы облучения уменьшается в среднем на 5 - 10% [7]. Таким образом пьезоэлектрические материалы можно отнести к числу радиационно - стойких материалов. Они могут применяться для контроля параметров вплоть до достижения флюенса тепловых и быстрых нейтронов 2,7 10 и 1,62 10 нейтр./см соответственно. Влияние температуры на частоту пьезоэлементов сложно и многообразно и является предметом многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. Изменения температуры могут вызвать как обратимые, так и необратимые изменения частоты. Обратимые изменения намного, обычно на несколько порядков, больше необратимых. Нестабильность частоты, обусловленная изменением температуры в интервале 50 - 100 С, для большинства пьезоэлементов из керамики достигает (50...60) КГ6С . Зависимость частоты от температуры определяется преимущественно физическими свойствами пьезоэлемента. Однако и другие элементы, например электроды, и элементы крепления влияют на температурно-частотную характеристику. Кроме того, температурно-частотная характеристика зависит от электрической нагрузки пьезоэлемента. Для одномерных колебаний частота пьезоэлемента может быть достаточно точно описана формулой Поскольку температурные коэффициенты жесткости и линейного расширения сами являются сложными функциями температуры, последнее уравнение выполняется только при определенных значениях температуры. Описанные выше температурные закономерности справедливы для относительно медленных изменений (меньших 1....2С в минуту). При быстром изменении температуры (термоударе) наблюдается существенно иной характер изменения частоты, объясняющийся другим механизмом влияния. Причиной нестабильности частоты при этом являются градиенты температуры в пьезоэлементе и механические напряжения, возникающие вследствие градиентов. Медленные изменения параметров пьезоэлементов наблюдающиеся по истечении достаточно длительного времени, в процессе эксплуатации или хранения вызваны их старением. Прежде всего важно следить за изменением частоты как основного параметра. Из других параметров наиболее подверженными изменениям с течением времени являются сопротивление и добротность. Изменение частоты пьезоэлемента во времени наблюдается независимо от того, совершает ли он колебания или находится в покое. Как правило, изменения частоты в первое время после изготовления оказываются больше, чем в последующее время. Старение пьезоэлемена представляет собой процесс стабилизации состояния его колебательной системы, при котором многие факторы, определяющие старение, приходят в равновесное состояние. С течением времени наблюдается увеличение сопротивления и соответствующее уменьшение добротности.
