Разработка методики акустико-эмиссионного контроля оборудования и трубопроводов атомных электростанций

Одной из основных проблем обеспечения надежности конструкций атомных электростанций (АЭС) при эксплуатации является предотвращение хрупких разрушений трубопроводов АЭС, приводящих к катастрофическим последствиям.

Лавинные разрушения трубопроводов, аварийные разрушения труб в установках АЭС наносят очень большой ущерб, поскольку приводят к выводу из строя дорогостоящего технологического оборудования, сопровождаются утечкой радиоактивных веществ, ведущей к крупномасштабной экологической катастрофе.

Соединения между собой отдельных агрегатов АЭС требует большого числа трубопроводов. Общая протяженность трубопроводов на атомной станции, как правило, может достигать несколько километров, а количество сварных соединений (СС) до 20-К30 тысяч единиц. Все трубопроводы и устанавливаемую на них арматуру различают по назначению и основным показателям, например: трубопроводы главного циркуляционного контура, вспомогательные трубопроводы реакторного контура, питательные и конденсатные, острого и отборного пара, дренажные и др.

Наиболее ответственны главные трубопроводы, непосредственно связанные с технологическим процессом станции. Проектированию трубопроводов атомной станции уделяется большое внимание, так как стоимость их достигает 10% общей стоимости оборудования станции, а от надежности их эксплуатации во многом зависит надежность работы всей станции в целом. На электростанциях в основном используют бесшовные трубы (холоднотянутые и горячекатаные) и лишь для циркуляционных водоводов и некоторых вспомогательных трубопроводов — сварные.

Исследования последних десятилетий, направленные на предотвращение хрупких разрушений трубопроводов, привели лишь к частичному решеншо проблемы, которое достигается путем подбора оптимального химического состава стали, использования термообработки, разработки новых конструкций труб и применения специальных ловушек для трещин при лавинных разрушениях. В этих условиях очевидна необходимость непрерывного совершенствования надежных методов контроля качества и диагностики состояния трубопроводов.

В этом отношении наиболее перспективными и достоверными представляются физические методы неразрушающего контроля, в частности, метод акустической эмиссии (АЭ).

Акустико-эмиссионная диагностика основана на анализе сигналов акустической эмиссии, к излучению которых в условиях напряженно-деформированного состояния конструкций может привести локальный коллективный разрыв межатомных связей при пластической деформации, образование и развитие микротрещин, развитие макроразрушений.

Значительным достоинством метода АЭ, является то, что за короткий промежуток времени, как правило, не более 4-^5 дней, определяемый нагружением оборудования по специальному графику, контролю подвергается весь металл оборудования, при этом выявляются зоны с зарождающимися дефектами.

Метод АЭ позволяет выявлять дефекты, следить за динамикой их развития и получать информацию для оценки степени опасности дефектов, т. е. для диагностики состояния трубопровода при наличии развивающихся дефектов.

Внедрение АЭ диагностики сдерживается отсутствием методик контроля, учитывающих конструктивно-технологические и эксплуатационные особенности объектов контроля, несовершенством АЭ аппаратуры для работы в производственных условиях АЭС, а также отсутствием достоверных данных об информативных параметрах АЭ, отражающих тип дефекта и коррелированных с критериями разрушения, т. е. характеризующих степень опасности той или иной стадии предразрушения конструкции от развивающегося дефекта.

Поэтому данная работа посвящена решению актуальной задачи: разработке методики акустико-эмиссионного контроля элементов оборудования и трубопроводов АЭС.

Целью работы является предупреждение возникновения и развития критических ситуаций на оборудовании контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ).

Данная работа посвящена исследованию АЭ характеристик материалов и сварных швов металла 22К, из которого выполнено оборудование КМПЦ РБМК с целью разработки методики акустико-эмиссионного контроля элементов оборудования и трубопроводов КМПЦ РБМК. Для ее решения в работе проведена классификация и анализ дефектов, изучено влияние их на прочность материалов и сварных соединений емкостей, исследованы акустико-эмиссионные, микроморфо-логические и прочностные характеристики материалов в условиях статического нагружения.

Актуальность работы вызвана тем, что длительная эксплуатация оборудования РБМК приводит к увеличению требуемого объема регламентных работ по оценке фактического состояния металла и сварных соединений неразрушающими методами контроля. Увеличение радиационной загрязненности оборудования, приводит к существенному увеличению доз, получаемых персоналом при проведении регламентных работ. Одним из способов, позволяющим уменьшить время неразрушающего контроля оборудования, может служить комбинированное использование метода акустической эмиссии с последующим контролем выявленных зон традиционными методами неразрушающего контроля.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в работе данные: статистические характеристики дефектов, теоретические распределения, аппроксимирующие экспериментальные данные для основных видов дефектов и экспериментальные результаты анализа их прочностных характеристик позволили разработать методику акустико-эмиссионного контроля элементов оборудования и трубопроводов КМПЦ. Данная методика позволит сократить время контроля единицы оборудования при сохранении объемов контроля. Кроме того, эти результаты и полученные акустико-эмиссионные характеристики основных материалов и сварных швов позволили ориентировать систему технической диагностики элементов оборудования и трубопроводов КМПЦ на обнаружение методом АЭ наиболее опасных, часто встречающихся дефектов, плохо выявляемых другими методами.

В работе предложены практические методические рекомендации для акустико-эмиссионного контроля элементов оборудования и трубопроводов КМПЦ, таких как барабан-сепаратор, напорный и всасывающий коллектора, трубопроводы Ду800.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов к работе, списка литературы и приложения.

ВЫВОДЫ К РАБОТЕ.

Решение поставленной задачи позволило разработать методику АЭ контроля оборудования и сократить объемы контроля традиционными методами неразрушающего контроля. При этом получены следующие основные результаты, имеющие научную новизну, самостоятельное научное и практическое значение.

1. Основными проблемами ближайшего будущего в оборудовании КМПЦ следует ожидать появление небольших по размерам (длина) дефектов, которые выйдут на поверхность и приведут к утечкам. В настоящий момент наблюдались дефекты, составляющие 0,5-Ю, 75 от толщины металла объекта контроля.

2. Образование и подрастание трещины в диапазоне 2−4 мм сопровождается регистрацией АЭ сигналов от дефектов с энергией (80−105'10″ 15) Дж. Характеристикой, позволяющей отличить пластическую деформацию от подрастания трещины, может служить длительность АЭ сигнала. Так для пластической деформации характерна большая длительность АЭ сигнала ~ 1000−3000 мкс, для подрастания трещины длительность АЭ сигнала составляет ~ 300−500мкс.

3. Коэффициент Л, равный отношению частоты, на которой наблюдается максимум в спектре, к ширине спектра, где отмечаются ослабления амплитуды до величины 0.4, существенно отличается для сигналов АЭ характерных для процесса образования зон локальной пластической деформации (Q-2) от сигналов АЭ, характерных для развития трещины (Ф=8−10). Этот коэффициент может служить отличительной особенностью развития трещины.

4. Для процесса подрастания трещины характерным является средние и большие значения взаимнокорреляционной функции x (t) и y (t) двух АЭ сигналов, пришедших на два датчика. Эти значения лежат в интервале 0,44−0,82. В большинстве случаев эти значения выше 0,62 (максимального значения Рху (т), отмеченного до момента визуального обнаружения трещины).

5. Проведенные исследования на КМПЦ РБМК показали, что все рассматриваемые элементы оборудования КМПЦ могут быть проконтролированы АЭ методом. Вся поверхность объектов доступна для «прослушивания» АЭ системой. Различные сочетания расположений излучающего имитатора сигналов АЭ (возможного дефекта), установленного как на внутренней, так и на наружной поверхности БС и приемного ПАЭ показали, что зон недоступных для АЭ контроля (мертвых зон) нет.

6. Обнаружение источников АЭ от имитаторов Су-Нильсена (аналог по амплитудным и частотным характеристикам усталостных и коррозионных ' трещин) позволяет сделать заключение о возможности обнаружения основных дефектов эксплуатации оборудования КМПЦ — усталостных трещин.

7. В случае расположения источников АЭ внутри подводящих трубопроводов на расстоянии до 1 м от поверхности БС зарегистрированный спектр сигналов АЭ имеет явно выраженные отличия от спектра сигналов, зарегистрированных от источников АЭ расположенных в металле БС:

• В частотном спектре сигнала появляется низкочастотная составляющая 50−100 кГц;

• Форма сигнала оказывается более размытой по сравнению с формой сигнала от источника АЭ, расположенного в металле БС;

• Длительность сигнала увеличивается.

8. Скорость распространения ультразвуковых волн лежат в двух основных диапазонах: Vi — 5200−5-6000 м/с и Vn—3000 м/с, что примерно соответствует скоростям распространения продольной и попепечной Гповепхностнои) волн соответственно. В кажлом конкретном случае необходимо проводить проверку на правильность выбранной скорости. Однако предпочтительнее проводить локацию источников АЭ, используя скорости поперечных (поверхностных) волн.

9. Максимально установленная величина затухания ультразвуковых волн для БС 5-го блока Курской АЭС составила 7 дБ/м, что в соответствии с ПБ 03−593−03 определяет максимальное расстояние между устанавливаемыми ПАЭ в Зм. Уровень фона и превышение над ним (пороговое напряжение) определяются отдельно для каждого конкретного объекта.

Ю.Эффективность обработки сигналов с учетом корреляционной матрицы и функции когерентности оказалась выше, чем традиционный корреляционный анализ. Применение обработки сигналов по предлагаемой процедуре позволяет сохранить коэффициент корреляции Rxy на уровне 0,75 при соотношении G.

11.Предложено использование корреляционной матрицы в качестве информативного признака АЭ сигнала. Нормированный «объем» корреляционный матрицы определяет наличие сигнала АЭ в шумоподобных сигналах оборудования.

12.Использование функции когерентности позволяет оптимизировать диапазон частот огибающей сигнала и выделить АЭ сигнал от дефекта на фоне шумов оборудования.

13. Разработанная и адаптированная к условиям БС методика АЭ контроля работоспособна и обладает возможностью дальнейшего расширения объемов контроля на более простых объектах: коллекторах, трубопроводах и т. п. устройствах.