Исследование параметров тепловыделяющих элементов энергетических реакторов современной системой вихретокового и визуального контроля.

Авторы: А.В. Елишев, ведущий специалист, С.В. Нефедов, генеральный директор, М.Ю. Редькин, ведущий специалист

ООО "Контроль. Измерение. Диагностика."

Журнал "Наука и технологии в промышленности. Выпуск 4/2006"

Компания "Контроль. Измерение. Диагностика." специализируется на разработке, производстве и поставке приборов и систем для неразрушающего контроля и технической диагностики. Коллектив сотрудников включает в себя специалистов как достаточно молодых и амбициозных, так и обладающих уникальным опытом в разработке и производстве оригинальных технических решений. Вся аппаратура построена на самой современной элементной базе с использованием лучших современных технологий, что обусловливает ее высокую надежность и широкие технические возможности. Компания "Контроль. Измерение. Диагностика." старается удовлетворить требования каждого конкретного клиента и осуществляет обучение, консультации и послепродажное обслуживание.

В данной статье представлен опыт применения системы вихретокового и визуального контроля оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) для проведения исследований по дефектоскопии, измерению диаметра и удельной электрической проводимости оболочек ТВЭЛ в условиях "горячей" камеры. Показаны особенности разработанной конструкции проходного вихретокового преобразователя с улучшенными метрологическими характеристиками, а также отмечены результаты испытаний системы на необлученных образцах ТВЭЛ.

Компанией "Контроль. Измерение. Диагностика." совместно с РНЦ "Курчатовский институт" по заказу Нововоронежской АЭС разработана система вихретокового и визуального контроля оболочек ТВЭЛ, используемых в энергетических реакторах на атомных электростанциях, на базе вихретокового дефектоскопа ВД-701.

Канал дефектоскопии	Канал удельной электрической проводимости	Канал измерения диаметра
Рис.1. Результаты контроля ТВЭЛ с диаметром оболочки 9,11 мм и удельной электрической проводимостью 0,31 МСм/м с искусственными дефектами. На оболочке ТВЭЛ сверху вниз по длине расположены: 2 сквозных отверстия диаметром 0,7 мм с расстоянием между ними 5 мм, 2 сквозных отверстия диаметром 0,7 мм с расстоянием между ними 2 мм и сквозное отверстие диаметром 0,7 мм. Как видно из диаграммы. отверстия на расстоянии 2 мм практически сливаются в одно, а на расстоянии 5 мм видны достаточно четко.

Система вихретокового и визуального контроля предназначена для выявления дефектов типа трещин, каверн, коррозионных повреждений, а также для измерения их внешнего диаметра и удельной электрической проводимости оболочек ТВЭЛ, а также обеспечивает возможность визуального телевизионного контроля выявленных дефектных участков ТВЭЛ и посадочных поверхностей поглощающих надставок ВВЭР-440. Установка осуществляет одновременную регистрацию измеряемых параметров по трем каналам (каналы измерения: диаметра оболочки, и удельной электрической проводимости, а также канал дефектоскопии), их архивацию на магнитных носителях персонального компьютера и представляет их оператору в виде графиков и таблиц, удобных для последующего анализа. В состав системы входят установка вихретокового контроля оболочек ТВЭЛ на базе вихретокового дефектоскопа ВД-701 и установка телевизионного контроля оболочек ТВЭЛ.

Основу установки вихретокового контроля оболочек ТВЭЛ составляет вихретоковый дефектоскоп ВД-701, предназначенный для контроля сплошности металла сварных, свертно-паяных, бесшовных труб, прутков и проволоки из ферромагнитных, нержавеющих марок сталей, цветных, тугоплавких металлов и сплавов. Дефектоскоп обеспечивает выявление дефектов типа нарушения сплошности (непровары, ужимы, трещины, волосовины‚ закаты, рванины) как в зоне сварного шва, так и в теле контролируемого изделия с наружным диаметром от 1 до 121 мм. Чувствительность дефектоскопа обеспечивает выполнение норм стандартов передовых зарубежных стран (американского АРI, немецкого DIN) и соответствует выявлению условного дефекта в виде отверстий, выполненных сверлением, в теле контролируемого изделия. Вихретоковый дефектоскоп ВД-701 поставляется вместе с комплектом образцов, с искусственными дефектами, предназначенными для поверки и калибровки дефектоскопа. Конструктивно дефектоскоп состоит из электронного блока, блока датчиков, сменных измерительных модулей и комплекта соединительных кабелей. Дефектоскоп может работать совместно со средствами механизации для поступательного перемещения и сортировки объектов контроля. Прибор широко применяется в трубных и прокатных цехах; при входном контроле на машиностроительных заводах.

Для выполнения функций установки вихретокового контроля оболочек ТВЭЛ дефектоскоп ВД-701 был модернизирован. Электронный блок дефектоскопа был дополнен каналом измерения диаметра с диапазоном измерения от 8 до 10,8 мм и каналом измерения удельной электрической проводимости оболочек ТВЭЛ с диапазоном измерения от 0,2 до 2 МСм/м. Конструкция блока датчиков с проходным вихретоковым преобразователем была переработана с учетом следующих требований:

• исполнение блока датчиков пылебрызгозащитное: корпус блока датчиков выполнен из нержавеющей стали, позволяющей проведение поверхностной дезактивации методом протирки наружной поверхности°
• диапазон рабочих температур от 0°С до 40°С
• влажность воздуха до 100°С
• мощность дозы у-излучения до 1 р/сек
• одновременная регистрация изменений диаметра, электропроводимости и дефектоскопия оболочек ТВЭЛ
• отсутствие влияния измеряемых параметров друг на друга в процессе контроля
• разрешающая способность для дефектоскопии оболочек ТВЭЛ, т.е. минимальное расстояние между двумя соседними отверстиями диаметром 0,7 мм (согласно требованию американского стандарта АРI и немецкого DIN) должна быть не менее 10 мм

Канал дефектоскопии	Канал удельной электрической проводимости	Канал измерения диаметра
Рис.2. Результаты контроля образца ТВЭЛ с равномерным уменьшением диаметра оболочки по длине ТВЭЛ сверху вниз с 9,15 до 8,89 мм и удельной электрической проводимостью 1,14 МСм/м. В качестве искусственных дефектов на оболочку ТВЭЛ нанесены три проточки. Результаты контроля подтверждены визуальным контролем и намерением диаметра оболочки ТВЭЛ с помощью штангенциркуля с разрешающей способностью 0,01 мм.

Измерительный модуль, имеющий форму трубы с фланцами, устанавливается в корпус блока датчиков, также представляющий собой трубу, и закрепляется четырьмя болтами М5. Проходной вихретоковый преобразователь доработан с целью увеличения разрешающей способности дефектоскопа и увеличения локальности контроля для каждого из каналов. Для каждого канала была выбрана конструкция вихретоковых преобразователей, наиболее оптимально приспособленная для измерения соответствующего параметра, а именно: для канала дефектоскопии был разработан трансформаторный проходной вихретоковый преобразователь с дифференциальной измерительной обмоткой и базой (расстоянием между включенными встречно половинками дифференциальной измерительной обмотки), равной 0,8 мм, для обеспечения требуемой разрешающей способности. Для каналов измерения диаметра и удельной электрической проводимости были разработаны трансформаторные проходные вихретоковые преобразователи с абсолютными измерительными обмотками шириной 0,8 мм. Таким образом, удалось обеспечить требуемую разрешающую способность и локальность контроля.

Для обеспечения раздельного контроля измеряемых параметров были выбраны частоты возбуждающего тока для каждого канала, соответствующие максимуму чувствительности к измеряемому параметру. Так‚ для канала дефектоскопии была выбрана частота 40 кГц, для канала измерения диаметра - 2 МГц, а для канала измерения удельной электрической проводимости - 85 кГц. Для удовлетворения требования по дезактивации и защиты вихретоковых преобразователей от повреждений в измерительном модуле было установлено защитное приспособление из нержавеющей стали. В связи с тем, что блок датчиков находится в тяжелых условиях "горячей" камеры с мощностью у-излучения до 1 р/сек, а электронный блок в нормальных условиях удален на расстояние 31 м от него, был разработан специальный длинный кабель, согласованный с измерительным модулем блока датчиков.

При обработке информации, поступающей на электронный блок дефектоскопа, было уделено особое внимание методам отстройки от влияния мешающих факторов на измеряемый параметр. Так, для канала дефектоскопии был выбран амплитудно-фазовый метод обработки для отстройки от влияния изменения диаметра и удельной электрической проводимости оболочек ТВЭЛ. Для канала измерения диаметра - амплитудный способ обработки для отстройки от влияния удельной электрической проводимости оболочек ТВЭЛ, а для канала измерения удельной электрической проводимости - фазовый метод, позволяющий уменьшить влияние изменения диаметра оболочек ТВЭЛ.

Программное обеспечение, разработанное совместно с РНЦ "Курчатовский институт", обеспечивает передачу результатов контроля оболочек ТВЭЛ на персональный компьютер и дальнейшую обработку, и архивацию этих результатов.

Установка визуального контроля обеспечивает визуальный контроль исследуемого ТВЭЛ и запись полученных результатов на персональный компьютер в виде видео- и графических файлов. Конструктивно в состав установки визуального контроля входят цветные видеокамера и монитор, а также держатель для видеокамеры.

Для контроля параметров ТВЭЛ его конец вводится в блок датчиков и ТВЭЛ опускается вниз до контакта захвата с блоком датчиков. Далее, после синхронизации системы с персональным компьютером при помощи программного обеспечения начинается равномерный подъем ТВЭЛ и регистрация получаемых результатов контроля вплоть до выхода ТВЭЛ из блока датчиков.

Возможности установки были проверены на необлученных образцах оболочек ТВЭЛ и необлученных ТВЭЛ. Некоторые из наиболее интересных диаграмм контроля необлученного ТВЭЛ представлены на рис 1, 2. Установлено, что при контроле выявляются следующие виды дефектов:

• трещины, каверны, коррозионные повреждения, потертости
• сквозные отверстия в теле ТВЭЛ диаметром 0,7 мм в соответствие со стандартами АРI и DIN
• разрешающая способность, т. е. минимальное расстояние между двумя отверстиями диаметром 0,7 мм составляет не менее 7 мм
• проточки длинной 1,5 мм и 1,7 мм различались отдельно
• области резкого изменения диаметра, например, с 9,15 мм до 9,02 мм
• области резкого изменения удельной электрической проводимости оболочек ТВЭЛ

Как показали испытания системы на необлученных образцах оболочек ТВЭЛ, она полностью удовлетворяет требованиям, заложенным в техническом задании для контроля оболочек ТВЭЛ (Техническое задание на изготовление и поставку системы вихретокового и визуального контроля оболочек тепловыделяющих элементов).

Система вихретокового и визуального контроля оболочек ТВЭЛ рекомендована к использованию для проведения материаловедческих исследований ТВЭЛ в защитных камерах научно-исследовательских организаций, а также при плановом неразрушающем контроле оболочек ТВЭЛ на АЭС, так и на предприятиях, занимающихся их производством.