Исследование и разработка технологии и средств ультразвукового контроля сварных соединений и узлов атомного энергетического оборудования с ограниченной контроледоступностью

Актуальность работы.

Развитие отечественной атомной энергетики и эксплуатация действующих энергоблоков, а также задача повышения коэффициента использования установленной мощности за счет сокращения сроков ремонта определили возросшие требования к надежности и безопасной работе оборудования и трубопроводов АЭС, их качественному диагностированию и ремонту.

Используемые в атомной энергетике методы и аппаратура неразрушающего ультразвукового контроля в целом позволяют выявлять дефекты различной ориентации и местоположения в сварных соединениях и основном металле. Однако в некоторых случаях действующие методики не обеспечивают выявление трещиноподобных дефектов узлов сложной конструкции с ограниченной контроледоступностью и контролепригодностью, тогда как такие дефекты имеют большую потенциальную опасность и могут привести к повреждению элементов АЭС и большим экономическим потерям. Для обеспечения контроля сложных узлов и выявления подобных дефектов необходим качественно более высокий, чем существующий, уровень реализации потенциальных возможностей ультразвуковых средств неразрушающего контроля, выбираемых оптимальным образом в зависимости от решаемой задачи.

Это может быть сделано на основе математического и физического моделирования условий контроля, выбора адекватных схем и операций ультразвукового контроля и оптимальных параметров оборудования.

Настоящая работа выполнена применительно к контролю оборудования и трубопроводов АЭС с ограниченной контроледоступностью и контролепригодностью и посвящена решению актуальной задачи разработки эффективных средств и технологии ультразвукового контроля сварного соединения и основного металла узла приварки коллектора к парогенератору атомной энергетической установки ВВЭР-1000 для выявления трещиноподобных дефектов. Результаты работы могут быть использованы для разработки методик ультразвукового контроля других узлов и сварных соединений сложной конструкции.

Цель и задачи работы.

Цель, работы — разработка эффективной методики ультразвукового контроля узлов-приварки коллекторов к патрубкам Ду1200 парогенераторов ВВЭР-1000 на основе использования специальных операций контроля, разработкиновых специализированных преобразователей для своевременного обнаружения повреждений и сокращения сроков ремонта.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать математические модели акустических трактов УЗК методом «корневой тандем» и контроля с поверхности скоса коллектора;

• обосновать выбор комплекса оптимальных параметров специализированных преобразователей для УЗК по схеме «корневой тандем» и совмещенных наклонных преобразователей продольных волн;

• исследовать специальные операции УЗК и разработать новую методику ультразвукового контроля узла приварки коллектора к парогенератору;

• оценить эффективность разработанной методики контроля в условиях ее практического использования на АЭС.

Методы исследований.

В работе для моделирования акустических трактов и выбора оптимальных комплексов параметров преобразователей, а также при анализе и интерпретации полученных результатов использовались теоретические и экспериментальные методы исследования и моделирования процессов ультразвукового контроля. Для подтверждения достоверности результатов ультразвукового контроля использовались методы разрушающего и неразрушающего контроля, металлографического анализа, статистические методы обработки результатов экспериментов.

Научная новизна.

1. Впервые разработана модель акустического тракта ультразвукового контроля изделия методом «корневой тандем» для моделей отражателей типов «бесконечная полоса» и «плоскодонное отверстие» с учетом индикатрис рассеяния отражателей и диаграмм направленности преобразователя, обеспечивающая расчет эхосигнала при его перемещении в плоскости падения-отражения поперечной волны.

2. Разработанные модели акустического тракта ультразвукового контроля методом «корневой тандем» и способом контроля наклонными продольными волнами, позволяют для конкретных условий контроля обосновать выбор комплекса оптимальных параметров специализированных преобразователей.

3. На основе численного моделирования и результатов экспериментов с использованием разработанного преобразователя для метода «корневой тандем» установлено линейное возрастание амплитуды эхосигнала при увеличении высоты трещиноподобного корневого дефекта до высоты фокуса преобразователя и дальнейшее увеличение до наибольшего значения при высоте несплошности, равной базовому расстоянию преобразователя, что может использоваться для оценки эквивалентной высоты корневого дефекта по амплитуде эхосигнала.

4. Установлена эффективность применения схем ультразвукового контроля «корневой тандем», наклонными продольными волнами и специализированных преобразователей для выявления корневых трещин на фоне ложных сигналов различной природы.

5. На основе использования исследованных схем контроля и разработанных специализированных преобразователей создана эффективная методика УЗК узла приварки коллектора к патрубку парогенератора, анализ практики применения которой позволил обосновать обобщённую многофакторную картину характерных дефектов.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечиваются применением современных методов расчета акустических трактов и физического моделирования, непротиворечивостью полученных результатов уже известным, соответствием теоретических и экспериментальных результатов, практикой использования методики, разработанной на основе научных положений и выводов, в реальном ультразвуковом контроле.

Практическая ценность п реализация работы.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработанные технология и технические средства контроля металла и сварных соединений с ограниченной контроледоступностью и контролепригодностью увеличивают возможности и расширяют область применения ультразвукового контроля на АЭС. Результаты исследований позволили разработать «Методику ультразвукового контроля узла приварки коллектора к парогенератору ВВЭР-1000» МЦУ-11−98п [2] с использованием новых специализированных преобразователей (ПЦП-45-КТ и ПЦ-25−1,8П) и внедрить регламентный УЗК узлов приварки коллектора к парогенераторам для оценки фактического качества узлов в процессе эксплуатационного контроля и при ремонте узлов на АЭС, а также при ультразвуковом экспертном контроле на энергомашиностроительных заводах.

Разработанные в диссертации методика контроля и преобразователи использовались и используются в настоящее время на всех парогенераторах.

АЭС с ВВЭР-1000 России, Украины, Болгарии, Китая и Ирана, а также на энергомашиностроительных заводах. Экономический эффект от использования технологии на объектах с дефектами парогенераторов составил 216 млн руб.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на:

— Научно-технической конференции концерна «Росэнергоатом» «Итоги выполнения программы НИОКР и плана мероприятий по обеспечению ядерной, радиационной, технической и пожарной безопасности АЭС в 1999 году и задачи на 2000 г.». Москва. ВНИИАЭС, 16−17 марта 2000 г.

— Научно-технической конференции-выставке «Неразрушающий контроль -2002 г.».

23−26 апреля 2002 г. в г. Киев, ИЭС им. Е. О. Патона,.

— Седьмой Международной конференции «Материаловедческие проблемы при проектировании, изготовлении и эксплуатации АЭС», 17−21 июня 2002 г, Санкт-Петербург.

— Семинаре BAO АЭС-МЦ и МАГАТЭ на тему: «Оптимизация режимов работы парогенераторов энергоблоков атомных станций» Ровенская АЭС, Украина, 11−14 июня 2002 г.

— XVIII Национальной конференции «Дефектоскопия 2003». 10−13 июня 2003. Созополь. Болгария.

— Шестом международном семинаре по горизонтальным парогенераторам. 2224 марта 2004 г., ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г. Подольск.

— XIX Национальной конференции «Дефектоскопия 2004». 8−10 июня 2004 г. Созополь. Болгария.

— Международной научно-технической конференции МНТК-2006, Москва, ВНИИАЭС, 19−21 апреля 2006 г.;

— Седьмом международном семинаре по горизонтальным парогенераторам. 02−06 октября 2006 г., ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г. Подольск;

— XIX Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкцийУЗДМ-2007». 29−31 мая 2007 г. С-Петербург;

— 10-ой Международной конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС». Санкт-Петербург, 7−9 октября 2008 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 статьи и 11 докладов и тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 156 страницах, содержащих 85 рисунков, 8 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 68 наименований и приложения.

4.3.Выводы.

1. Разработана в рамках данной диссертационной работы с использованием специальных операций и специализированных преобразователей «Методика ультразвукового контроля узла приварки коллектора к парогенератору ВВЭР-1000» МЦУ-11−98п, методика допущена Госатомнадзором России к использованию на АЭС и используется для УЗК на всех парогенераторах реакторных установок ВВЭР-1000 России, Украины, Болгарии, а также в Китае и Иране;

2.В результате практического использования методики МЦУ-11−98п в период 1999;2007 гг. на парогенераторах ПГВ-1000 было выявлено одиннадцать дефектных зон, которые были отремонтированы с выемкой темплетов, изучением характера и природы повреждения;

3. Результаты УЗК парогенераторов в 2000;2006 гг., выемки темплетов, неразрушающего контроля и исследований визуальным и металлографическим методами поврежденного металла показали эффективность методики, случаев пропуска дефектов не зафиксировано;

4. Разработана обобщённая многофакторная картина повреждения узла приварки коллектора к парогенератору. По результатам анализа характеристик УЗК, установлено, что для повреждения в узле приварки коллектора к парогенератору наиболее характерными факторами являются: зона инициирования и развития трещин расположена вблизи начала галтели 1120 кармана коллектора и перехода её- в цилиндрзона инициирования и развития трещин расположена под парогенератором на участке ближе к продольной оси парогенератора, где патрубок Ду1200 имеет минимальную высотуимеется две зоны инициирования трещин: одна находится на пересечении узла с продолжением оси трубопровода ГЦКДу850, другая — расположена симметрично этой зоне по отношению к оси коллектора перпендикулярной оси парогенератора;

5. Результаты УЗК парогенераторов в 2007 подтвердили работоспособность обобщенной многофакторной картины дефектообразования — выявленные трещины имеют те же характерные признаки;

6. Полученная многофакторная картина дефектообразования узлов приварки коллектора к парогенератору блока № 5 Нововоронежской АЭС свидетельствует о наличии специфического распределения напряжений на парогенераторах реакторной установки ВВЭР-1000.

Заключение

.

В диссертации, представляющей собой законченную научную квалификационную работу, дано решение актуальной научной задачи создания эффективных средств и технологии ультразвукового контроля сварного соединения и основного металла узла приварки коллектора к парогенератору атомной энергетической установки ВВЭР-1000 для выявления трещиноподобных дефектов. Основные научные результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Разработаны расчетные модели акустических трактов при УЗК методом «корневой тандем» для моделей дефектов типа «полоса» и «плоскодонное» отверстие.

2. На основе компьютерного анализа разработанных моделей трактов теоретически обоснован и экспериментально подтвержден комплекс оптимальных параметров преобразователя при контроле методом «корневой тандем» с использованием поперечных волн. Разработаны новые специализированные преобразователи ПЦП-45-КТ для УЗК методом «корневой тандем», реализующие обоснованные параметры.

3. Разработана расчетная модель акустического тракта при контроле продольными волнами с поверхности, ориентированной под заданным углом относительно плоскости отражателя и обоснованы рабочие параметры преобразователя. Созданы реализующие эти параметры совмещённые наклонные специализированных преобразователи продольных волн с углом падения меньше первого критического ПЦ-25−1,8П.

4. Экспериментальные исследования разработанных преобразователей на стандартных и специальных образцах подтвердили реализацию в конструкциях преобразователей ожидаемых характеристик.

5. В результате исследований процессов образования и характера ложных сигналов при УЗК узла приварки коллектора к парогенератору было установлено, что комплексное использование специальных операций УЗК «корневой тандем» и наклонными продольными волнами позволяет исключить перебраковку узлов.

6. При исследовании влияния коррозионных язв на донной поверхности и галтели контролируемого узла на результаты УЗК установлено, что образование ложных сигналов происходит за счет суммирования эхо-импульсов. боковых лучей диаграммы направленности преобразователя ПЦ-25−1,8П от коррозионных язв на поверхности галтели с язвами, которые образуют «мнимые» плоскостные отражатели в районе начала галтели при УЗК продольными волнами со скоса, а также осевого и боковых лучей диаграммы направленности наклонного преобразователя поперечных волн.

7. В результате исследования возможности оценки «эквивалентной высоты» корневой трещинообразной несплошности с помощью преобразователя ПЦП-45-КТ установлено, что зависимость амплитуды эхосигнала (в дБ) от высоты трещиноподобного корневого дефекта (в мм) выражается в виде прямой линии до высоты фокуса преобразователя (10 мм) и далее увеличивается до амплитуды максимального сигнала при высоте несплошности, примерно равной базовому расстоянию преобразователя (высоте верхнего края фокусного пятна 18 мм.).

8. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований, опыта УЗК парогенераторов разработана «Методика ультразвукового контроля узла приварки коллектора к парогенератору ВВЭР-1000» МЦУ-11−98п.

9. Разработана обобщённая многофакторная картина характерного дефекта узла приварки горячего коллектора к патрубку Ду1200 по характеристикам УЗК с использованием методики. Установлены основные зоны инициирования трещин:

— вблизи начала галтели Я20 с переходом в цилиндр;

— под парогенератором на участке, где патрубок Ду1200 имеет минимальную высоту;

— на пересечении узла с продолжением оси трубопровода Ду850 и зона, симметричная последней, относительно оси коллектора, перпендикулярной оси парогенератора.

Результаты УЗК парогенераторов в 2007 подтвердили адекватность такого описания зон повреждений.

10. В результате исследования эффективности использования разработанной на основе научных результатов данной работы методики установлено, что УЗК методами «корневой тандем» и наклонными продольными волнами повышает степень контроледоступности сварного соединения до наивысшей — 1С, обеспечивает обнаружение и правильное распознавание трещин высотой б мм и более в окружении коррозионных язв высотой до 2−3 мм.

11. Обоснованность и достоверность результатов научных исследований, реализованных в методике подтверждены практикой использования при регламентном эксплуатационном контроле металла на АЭС ВВЭР-1000 России, Украины, Болгарии, Китая и Ирана (всего на 27 блоках). Экономический эффект от использования технологии — 216 млн руб.