Исследования методов радиографического контроля кольцевых сварных соединений узлов ядерных реакторов

Актуальность работы.

Сохранение и рациональное использование природных ресурсов газа, угля и нефти и необходимость выработки электроэнергии потребовали значительного развития атомной энергетики и ввода в эксплуатацию новых мощностей. Динамика роста атомной энергетики в РФ на ближайшую перспективу определена Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007;2010 годы и на перспективу до 2015 года» [1].

Обеспечение исполнения федеральной целевой Программы требуют одновременного совершенствования методов и средств радиографического контроля применительно к различным условиям диагностики качества ответственных сварных соединений оборудования АЭС.

Требования к повышению надежности элементов, узлов, агрегатов и сборок оборудования АЭС обусловлены эксплуатационными факторами и санитарными нормами биологической защиты персонала и окружающей среды. По мере накопления интегральной дозы облучения изменяется структура металла, появляется склонность к «распуханию», охрупчиванию, отслоению плакирующих наплавок и образованию трещин при воздействии циклических переменных нагрузок и вибраций, что может вывести из строя энергетический комплекс и привести к масштабной аварии.

Ущерб от простоя энергоблока в этом случае в течение суток составит несколько сот тысяч долларов. В случае масштабной техногенной аварии затраты на восстановление АЭС могут оказаться столь значительными, что окажется целесообразным отказ от ремонта вообще и принятии решения о сооружении новой АЭС [2, 3,4].

Вопросы создания методик и средств контроля для диагностики состояния металла ответственных сварных соединений в настоящей работе рассматриваются избирательно в соответствии поставленными перед институтом задачами применительно к узлам, сборкам и агрегатам оборудования первого контура ядерных реакторов (ЯР), теплообменных аппаратов, а также тепловыделяющих и поглощающих элементов.

Надежность оборудования АЭС находится в тесной зависимости с вопросами оптимизации конструктивно-технологических решений и проблемой совершенствования основных методов неразрушающего контроля, одним из которых является радиографический.

Указанный метод основан на регистрации макроструктуры объекта контроля в потоке ионизирующего излучения, регламентирован соответствующими нормативными требованиями и отличается высокой достоверностью [5, 6, 7, 8], т.к. позволяет документально регистрировать скрытое изображение макроструктуры материалов в условиях изготовления, монтажа, ремонтных и планово-предупредительных работ в том числе при контроле сварных соединений аустенитного класса узлов основного оборудования АЭС в условиях радиационного фона.

При расширении номенклатуры оригинальных конструктивных решений, используемых в ядерной энергетике, возникают вопросы их адаптации к технологиям неразрушающего контроля. Совершенствование технологий и средств радиографического метода контроля в настоящее время реализуется на фоне задач современной атомной энергетики с учетом конструктивной стесненности, наведенной радиации, генерации рассеянного излучения элементами контролируемого изделия в процессе контроля и сложности доставки аппаратуры и средств детектирования в зону контроля. Одновременно решается круг вопросов, связанных с ростом требований к достоверности и чувствительности метода контроля, прогнозированием чувствительности метода контроля и созданием методик оперативной коррекции технологии радиографического контроля с экстренной виртуальной оценкой ожидаемых результатов контроля без практической апробации. Указанные работы проводятся в поддержку утвержденной Правительством РФ Федеральной целевой программы [1].

Тенденцию роста требований к надежности и качеству изделий энергетического машиностроения применительно к радиографическому методу контроля иллюстрирует введение с 1992 г. правил ПН АЭ Г-7−010−89 и методики контроля ПН АЭ Г-7−017−89 (взамен ПК 1514−72), ограничивающих применение источников излучения на основе радионуклида.

192 т.

1 г для контроля стальных деталей и узлов в диапазоне радиационных толщин до 20 мм. Рекомендовано использование источников излучения с низкоэнергетическим спектром излучения на основе радионуклидов: 169УЬ, 170 Тш, 758е.

По экспертным прогнозам [9, 10, 11, 12] за радиографическим методом предполагается сохранение ведущей роли с умеренным прогрессом за счет совершенствования средств детектирования, высокоактивных радионуклидных излучателей, острофокусной рентгеновской аппаратуры и ускорителей.

Современные цифровые технологии в виде компьютерной (цифровой) радиографии после создания методик контроля и технических регламентов по их применению также найдут применение в сфере неразрушающих методов контроля основного оборудования АЭС. В этом случае будут реализованы возможности детекторов на основе люминофоров при воздействии ионизирующего излучения в режиме ограниченного времени экспонирования регистрировать скрытое изображение, сохранять его продолжительное время, обеспечивать считывание при облучении лазером и обработку информации с визуализацией изображения.

Преимущества и недостатки конкурирующих методов контроля (радиографического и ультразвукового) квалифицируются неоднозначно. Очевидно, что ультразвуковой контроль более экономичен, однако для класса аустенитных сталей, широко используемых в атомной энергетике, его применение вследствие структурных помех ограничено. Радиографический метод контроля признают более достоверным, так как радиографические снимки являются объективным документом результата инспекции макроструктуры материалов по состоянию на данное время.

При диагностике макроструктуры материалов в ответственных случаях рекомендовано применение взаимодополняющих методов: ультразвукового для составления общего представления о распределении дефектов, а радиографического для окончательной оценки качества объекта контроля.

Необходимость в исследованиях и совершенствовании методов и средств радиографического контроля в различных условиях диагностики подтверждены актуальностью научной проблемы обеспечения качества ответственных изделий, которая решалась автором применительно к элементам и узлам, оборудования АЭС.

Цель работы.

Целью настоящей работы является исследование и разработка новых методов радиографического контроля сложных сварных соединений оборудования АЭС, для чего требуются: исследования технологических процессов, разработка алгоритма автоматизированного контроля, совершенствование технологий и создание специализированных средств контроляустановление аналитических зависимостей определения рабочих параметров и количественной оценки прогнозируемого качества контроляполучение формализованных аналитических зависимостей автоматизированного управления процессами радиографического контроля в динамическом режиме;

— статистическое моделирование систем радиографического контроля сложных изделий и оптимизация режимов технологии контроляопределение фактических размеров активированных сердечников радиоизотопных излучателей методом цифровой авторадиографии;

— оптимизация конструктивных, технологических и эксплуатационных характеристик радиографической аппаратуры переносного класса и создание оптимальной базовой модели в качестве конструктивной платформы параметрического ряда универсальной аппаратуры нового поколения.

Основные задачи.

Основные задачи, которые решались при реализации указанной цели, заключались в следующем:

1 .Исследования влияния критериев выбора радиографических параметров на эффективность метода контроля и установление оптимальных областей использования каждого критерия при минимизированных затратах времени экспонирования.

2. Разработка и исследование метода радиографического контроля сварных соединений «в ус» технологических каналов с трактами ЯР РБМ К-1000, получение аналитических зависимостей для расчета чувствительности метода контроля в условиях рассеянного излучения. Создание автоматизированных средств контроля.

3. Разработка и исследование способа контроля сварных стыков толстостенных патрубков с малыми проходными сечениями Ду-250 и Ду-300 корпусов ЯР ВВЭР- 440 и ВВЭР-1000 системой фронтальных встречно-пересекающихся пучков излучения в условиях радиационного фона с получением зависимостей определения рабочих параметров контроля и количественной оценкой их стабильности. Создание специализированных средств контроля.

4. Исследования и разработка способа динамической радиографии сварных соединений оболочек твэлов и пэлов цилиндрического и эллиптического профилей тангенциальными пучками излучения щелевым методом с соблюдением стабильной оптической плотности почернения снимка и исключением возможности наложения траекторий дефектов, расположенных в одной плоскости на различной глубине. Разработка формализованных аналитических зависимостей автоматизированного управления динамическими процессами перемещений объекта контроля и детектора. Создание автоматизированных средств радиографического контроля сварных стыков тонкостенных оболочек щелевым методом.

5. Исследования рабочих параметров серийных излучателей на основе радионуклида 8е для радиоизотопной дефектоскопии и технологии их производства, количественная оценка фактических габаритных размеров активированного сердечника излучателей методом цифровой авторадиографии, оптимизация способа получения источников излучения на основе радионуклида 758е.

6. Исследования и оптимизация технологии радиографического контроля сварных соединений «труба — трубная доска» теплообменного аппарата реактора БН-800 методом статистического моделирования сложившейся системы контроля с установлением фактора «шум/сигнал» в условиях переменного фокусного расстояния, стесненной геометрии контроля, модифицируемых средств детектирования и излучателей.

7. Разработка базовых технических решений и в т. ч. универсальных переносных гамма-дефектоскопов нового поколения с оптимизированными технологическими параметрами в качестве конструктивной платформы параметрического ряда аппаратуры.

Научная новизна.

1. Применительно к регламентированной геометрии контроля согласно зависимости иг =ФЬ'(Р-Ь)" ' установлены оптимальные области эффективного использования критериев равенства: иг= ир, и,= и&bdquoи иг=0,5W, где иг, Ц, и ир — нерезкости рассеяния: геометрическая, внутренняя и рассеяния соответственно, а чувствительность, Фразмер активной части источника, Ьрадиационная толщина, Рфокусное расстояние.

2. Предложен и реализован оригинальный радиографический метод контроля торцовых сварных соединений «в ус» технологических каналов с трактами ЯР РБМ-К-1000 с использованием глубоко — коллимированного и компенсированного панорамного пучка излучения в конструктивно-стесненных условиях глубинно-лабиринтного размещения сварного стыка при наличии радиационного фона и генерации рассеянного излучения элементами конструкции в зоне детектирования. Установлена аналитическая зависимость прогнозирования чувствительности метода контроля в условиях рассеянного излучения с учетом фактора «шум/сигнал». Реализованы способы определения параметра фактора «шум/сигнал» в том числе с использованием метода Монте-Карло.

На основе результатов этих исследований предложено средство контроля, защищенное двумя авторскими свидетельствами на изобретение.

3. Установлены новые аналитические зависимости определения основных радиографических параметров и область применения радиографического способа контроля патрубков с малым проходным сечением с использованием нечетного количества встречно-пересекающихся фронтальных пучков излучения с соблюдением норм регламента, которые корреспондируются с техническими характеристиками средств контроля. Предложена методика тестирования стабильности основных радиографических параметров способа контроля. Разработаны и реализованы оригинальные радиографический способ и средства контроля патрубков. Способ и устройство контроля защищены авторскими свидетельствами на изобретение.

4. Получены формализованные аналитические зависимости управления динамическим процессом радиографического контроля тангенциальным пучком излучения сварных стыков тел вращения с регулярно изменяющейся радиационной толщиной. На основе этих закономерностей синтезирован способ контроля, одновременно обеспечивающий при регистрации макроструктуры соблюдение стабильной оптической плотности почернения снимка и исключение возможности наложения траекторий дефектов, расположенных в одной плоскости на различной глубине. Способ контроля защищен авторским свидетельством на изобретение.

5. Исследованы характерные недостатки серийных излучателей для изотопной дефектоскопии на основе радионуклида 758е с учетом специфики технологии их производства и реализована количественная оценка фактических размеров активной части излучателей методом цифровой авторадиографии. Разработан оригинальный способ получения источников излучения на основе радионуклида 758е, защищенный патентом на изобретение.

6. Реализована методика количественной оптимизации радиографического контроля сварных соединений «труба — трубная доска» теплообменного аппарата реактора БН-800 методом статистического моделирования фактора «шум/сигнал».

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы заключается в создании и внедрении аппаратно-методического комплекса как специализированных, так и универсальных средств радиографического контроля для использования предприятиями отрасли с перспективой применения для задач иных отраслей промышленности.

При участии и под руководством автора реализованы и внедрены технологии радиографии сложных изделий:

— полых тел вращения с малым проходным сечением нечетным количеством фронтальных пучков излучения;

— труднодоступных торцовых сварных соединений «в ус» глубоко коллимированным и компенсированным панорамным пучком излучения в условиях фона рассеянного излучения;

— щелевой статической радиографии сварных соединений цилиндрических оболочек пэлов и твэлов тангенциальными пучками излучения.

Предложены технологии и способы: цифровой авторадиографической оценки фактических размеров активированного сердечника серийного излучателя на основе 758е;

— получения излучателей на основе радионуклида 8е с стабильными геометрическими размерами активированных монолитных сердечников;

— оптимизации методики радиографического контроля сварных стыков «труба — трубная доска» теплообменного аппарата реактора БН-800 методом статистического моделирования Монте-Карло;

— щелевой динамической радиографии тангенциальными пучками излучения сварных стыков оболочек с регулярно изменяющейся радиационной толщиной.

Полученные аналитические зависимости определения и прогнозирования радиографических параметров контроля в условиях фона рассеянного излучения в том числе для модификации технологии контроля в рамках действующего регламента реализованы в разработанной аппаратуре.

Минимизированный модуль рабочей капсулы излучателя на основе Бе с элементами присоединения определил конструктивную платформу унификации существующих параметрических рядов серийных излучателей и открыл перспективу снижения массогабаритных характеристик радиографической аппаратуры.

Разработаны и внедрены в т. ч. на предприятиях отрасли:

— автоматизированные у-дефектоскопические установки «Дрозд», «Дятел», «Дятел-2», РИД-187/213 для контроля качества сварных соединений основного оборудования ЯР РБМ-К-1000, ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 на Ленинградской, Курской, Ново-Воронежской, Финской и Венгерской АЭСкомплекс автоматизированных средств (НГИР и НГИР-2) радиографического контроля качества сварных соединений пэлов и твэлов в производственный цикл их серийного производства;

— универсальный гамма-дефектоскоп УНИГАМ 75/40Р с излучателем на основе 8е (40Ки) для контроля качества сварных соединений оборудования Калининской АЭСкомплект экспериментальной аппаратуры ГДУ и методические рекомендации контроля во внештатных ситуациях контроля сварных соединений патрубков Ду-500 через две стенки и сварного шва парогенератора при его ремонте в условиях 4 блока НВАЭС.

Практикой внедрения аппаратуры в условиях планово-предупредительных ремонтов энергоблоков НВАЭС при контроле качества отдельных сварных стыков аустенитного класса установлены характерные особенности указанных стыков в виде химической неоднородности распределения легирующих компонентов и образования транскристаллитных структур металла, искажающих поток излучения и формирующих неравномерности оптических плотностей радиографических снимков.

При соблюдении Ц ^ФИ^Р-Ь)" 1 определены зоны эффективного использования критериев: Иг = ив, иг =)р и иг = 0,5\Л.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. На основе минимизированных затрат времени экспонирования оптимизированы области эффективного использования критериев равенства: иг = ив, Иг = ир и № =0^.

2. Методы оптимизации технологий радиографического контроля сложных объектов контроля оборудования АЭС в условиях радиационного фона и эффекта генерации рассеянного излучения элементами конструкции в зоне детектирования на основе полученных аналитических зависимостей определения рабочих параметров радиографии и алгоритмов автоматизированного контроля панорамными и встречно-пересекающимися фронтальными пучками излучения и тестирование стабильности основных радиографических параметров.

3. Метод щелевой динамической радиографии сварных соединений оболочек тел вращения с регулярно изменяющейся радиационной толщиной тангенциальными пучками излучения с соблюдением стабильной оптической плотности почернения снимка на основе полученных формализованных зависимостей управления радиографическим процессом, синтезированный со способом контроля, исключающим возможность при регистрации наложения траекторий дефектов, расположенных в одной плоскости на различной глубине.

4. Методика цифровой авторадиографии для количественной оценки фактических размеров активной части серийных радиоизотопных у-излучателей.

5. Оптимизации технологии радиографии сложных систем контроля методом статистического моделирования Монте-Карло фактора «шум/сигнал» в зоне детектирования.

Апробация работы. Публикации.

Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на 8-ми международных и отечественных конференциях и семинарах по неразрушающим методам и средствам контроля (Варшава-1973, Киев-1974, Кишенев-1974, Москва-1974, Москва-1975, Москва-1985, Москва- 2010, Салехард- 2011). опубликованы в научных журналах: Изотопы в СССР 1974 г, Энергетическое строительство 1975 г, Дефектоскопия 1979 г, Атомные электрические станции 1980 г, Вопросы атомной науки и техники 1970, 1978, 1980, 1984, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 г. г., В мире НК 2010, Атомная Энергия 2012, Известия высших учебных заведений 2012, Контроль. Диагностика 2012,.

Результаты работ отмечены серебряной медалью ВДНХ за изделия радиационной техники в 1974 г и дипломом Всесоюзного научно-технического общества энергетики и электротехнической промышленности в 1981 г за лучшую разработку решений по комплексной механизации при неразрушающем радиографическом контроле сварных соединений патрубков корпуса ЯР ВВЭР.

Непосредственно по теме диссертации автором и при его участии опубликовано 36 работ, включая 13 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. В диссертационной работе проведены исследования и разработаны новые технологии радиографии сложных сварных соединений оборудования АЭС. Осуществлено развитие радиографического метода контроля посредством создания новой методики выбора основных параметров контроля с учетом рассеянного излучения, разработки алгоритмов автоматизированного контроля и получения аналитических зависимостей определения рабочих параметров контроля.

Получены аналитические зависимости определения основных рабочих параметров и оценки качества контроля, закономерности управления процессом динамической щелевой радиографии тангенциальным пучком излучения сварных стыков тонкостенных тел вращения с регулярно изменяющейся радиационной толщиной. Проведена количественная оценка фактических размеров активированных сердечников серийных излучателей и оптимизирована технология радиографического контроля сложных объектов по фактору «шум/сигнал» (1ф/1п).

2. Разработан радиографический способ и аппаратура контроля сварных соединений толстостенных патрубков корпусов ЯР малого диаметра в рамках регламента геометрической нерезкости, чувствительности и разности оптических плотностей в условиях радиационного фона и генерации рассеянного излучения. Способ реализован просвечиванием объекта контроля изнутри нечетным количеством встречно-пересекающихся фронтальных пучков излучения и устанавливает новые закономерности выбора основных параметров радиографического процесса. Установлены характерные особенности радиографического контроля отдельных аустенитных сварных соединений патрубков в связи с химической неоднородностью распределения легирующих компонентов вследствие перегрева в процессе сварки и формированием транскристаллитных структур металла, искажающих поток излучения и создающих неравномерности оптических плотностей на радиографических снимках.

3. Разработан метод и аппаратура радиографического контроля торцового сварного соединения «в ус» технологических каналов с трактами в условиях наведенного радиационного фона из канала и генерации рассеянного излучения от рабочего излучателя.

Для радиографического контроля в конструктивно-стесненных условиях, генерирующих фон рассеянного излучения, регистрируемый детектором, установлена имеющая линейный характер упрощенная аналитическая зависимость чувствительности метода контроля >Уф=\г (1+1ф/1″) с учетом фактора «шум/сигнал» при уровнях фактора 1ф/1п < 1.

4. Предложено параметры фактора «шум/сигнал» устанавливать:

— методом статистического моделирования Монте-Карло в сложившейся системе контроля;

— соразмерным отнесением приращения оптической плотности ДЭ за счет фона рассеянного излучения к контрастности пленки у из выражения 1ф/1п = Д8/0,43у.

5. С использованием критериев равенства: иг = ив, иг = ир и иг = 0,5\^ показано, что выбор фокусных расстояний в соответствии с требованиями ГОСТ 7512 повышает производительность контроля по сравнению с другим методом исключительно на больших толщинах. Оптимизированы области эффективного использования критериев.

6. Разработан автоматизированный метод и аппаратура статической щелевой радиографии сварных соединений тел вращения в виде оболочек и автоматизированный способ динамической щелевой радиографии сварных соединений тел вращения в виде оболочек с разверткой изображения вдоль оси изделия, исключающий возможность пропуска дефектов в «мертвых зонах», характерных для метода статической щелевой радиографии по участкам. Способ исключает возможность наложения информации разноглубинных дефектов, расположенных в одной плоскости, и обеспечивает возможность установления глубин залегания дефектов. Способ сочетается с методикой динамической щелевой радиографии тангенциальными пучками излучения сварных соединений оболочек сложного профиля в виде тел вращения с регулярно изменяющейся радиационной толщиной и регистрацией макроструктуры соединений с равномерной плотностью почернения снимка согласно полученным закономерностям управления технологическим процессом динамической радиографии.

7. Метод компьютерной авторадиографии с использованием камеры обскуры адаптирован к количественной оценке фактических размеров активной части серийного радиоизотопного излучателя на основе радионуклида 758е применительно к выходному контролю в условиях серийного производства излучателей.

8. Реализована методика оптимизации технологии радиографического контроля сложных сварных соединений «труба-трубная доска» теплообменного аппарата реактора БН-800, методом статистического моделирования Монте-Карло с установлением фактора «шум/сигнал» (1ф/1п).

9. При создании базовой модели универсального гамма-дефектоскопа нового поколения переносного класса в качестве оптимальной унифицированной конструктивной платформы параметрического ряда.

100 аппаратуры с излучателями на основе ~1г активностью до 300 Ки реализована концепция синтеза трансформированного аксиального канала блока защиты с клиновидным затвором, выполненным с возможностью ограниченных плоско-параллельных перемещений в соответствующей ему направляющей.