Изложена новая концепция опреде­ления качества сварных швов, состоя­щая в комплексном исследовании, включающем обнаружение дефектов ручным или автоматизированным ме­тодами контроля, экспертный конт­роль с применением системы Авгур и прочностной расчет. Дано описание и характеристики систем Авгур. При­ведены практические результаты применения нового подхода на рос­сийских АЭС.

Об авторах

  

 

Вопилкин Алексей Харитонович

 Генеральный директор научно- производственного центра «ЭХО+». Доктор технических наук, профессор. III уровень по акустическим методам контроля.

 

 

 

 

Бадалян Владимир Григорьевич

 Заместитель генерального дирек­тора НПЦ "Эхо+". Кандидат физ.-мат. наук. II уровень по акустическим ме­тодам контроля.

 

 

1. Вводные замечания

Ультразвуковой метод при сканировании вручную (УЗ ручной контроль) - один из основных методов НК оборудования АЭС. Дости­жение необходимых достоверности и эффективности широко исполь­зуемых методик (и средств) ручного УЗ контроля сварных соединений ограничивается:

Невозможностью измерения реальных (а не условных) размеров выявлен­ных дефектов. Это предопределяет весьма жесткие нормы на УЗ контроль и перебраковку сварных соединений при обнаружении в действительности допустимых дефектов.

Отсутствием, как правило, объективного документа контроля, подтверж­дающего его выполнение в строгом соответствии с требованиями методики контроля.

Значительными дозовыми нагрузками при ручном УЗ контроле, обуслов­ленными радиационным фоном, при котором он ведется; это становится особенно актуальным при переходе на предел годовой дозы 2 бэр.

НПЦ «ЭХО+» совместно со специалистами НИКИЭТ, РНЦ «Курчатовский институт» предложил и реализовал новый подход к анализу качества сварных соединений по результатам автоматизированного УЗ контроля посредством разработанных им систем серии «Авгур». В этих системах используется когерентная обработка сиг­налов, которая позволяет получать изображения дефектов и опре­делять их истинные размеры.

Рис. 1

2. Концепция анализа качества сварных швов

Упомянутые недостатки связаны, главным образом, с низ­кой фронтальной разрешающей способностью* традиционного контроля. С увеличением толщины шва разрешающая способ­ность традиционного контроля линейно уменьшается (рис.1). Применение когерентной обработки приводит к улучшению разрешающей способности, которая становится независимой от толщины шва. Принцип многочастотной акустической гологра­фии, реализованный в ультразвуковых компьютерных системах серии «Авгур», позволяет применить новый подход к анализу качества сварных швов с учетом влияния каждого выявленного дефекта на прочность шва.

Алгоритм этой концепции состоит в следующем. На первом этапе производится традиционный УЗ контроль по методикам и нормам, действующим в атомной энергетике. Он может быть как ручным, так и автоматизированным, с использованием той же системы Авгур в обзорном (поисковом) режиме. При этом одновременно устраняются два последних ограничения. На втором этапе в зонах, где обнаружены дефекты, проводится экспертный контроль системой Авгур 4.2. При этом детально регистрируется "акустическое" поле дефекта с весьма малым, приблизительно 0,12 мм, шагом сканирования. Затем, уже в лабораторных условиях, полученные данные обрабатываются: осуществляются когерентное восстановление изображения и изме­рение дефектов, составляется протокол, чем устраняется и первый недостаток действующих систем ручного УЗ контроля. Информация о параметрах дефектов передается специалистам по прочности. По результатам расчета на прочность, с учетом выяв­ленных дефектов, определяется ресурс и прини­мается решение о судьбе сварного шва: либо допускается его дальнейшая эксплуатация, либо проводится ремонт.

Следует отметить, что в теории прочностных расчетов и опреде­ления ресурса накоплен значительный опыт. Созданы и утверждены методики расчетов. Их широкое применение ограничивалось от­сутствием данных о размерах выявленных дефектов. По результа­там прочностных расчетов можно принимать решение о целесооб­разности ремонта шва.

3. Аппаратурная реализация

-         Автоматизированный аппаратурный комп­лекс, реализующий предложенную концепцию оценки качества сварных соединений, должен:

-         быть пригодным для контроля трубопроводов возможно более широкого диапазона значений диаметра и толщины без существенной пе­ределки с адаптацией к конкретному изделию лишь сканера и акустической головки;

-         иметь оптимальную с точки зрения мобиль­ности, весогабаритных характеристик и удобства пользования комплектацию, обеспечи­вающую контроль конкретного изделия;

-         позволять осуществлять дистанционный автома­тизированный контроль и обеспечивать режим поиска несплошностей по всей длине сварного шва (быстрый обзорный режим);

-         обеспечивать режим детального повторного контроля с регистрацией данных о параметрах дефектов: координаты, длина, высота, тип;

-         обеспечивать документирование и долговре­менное хранение результатов контроля.

Комплекс серии Авгур включает:

1. Базовый электронный блок с компьютером типа Note-Book.

Конфигурация электронного блока одинакова для всех вариантов контроля трубопроводов. Он выполняется в трех модификациях: в корпусе системного блока настольного компьютера; в корпусе типа «дипломат»; в корпусе промышленного компьютера типа Note-Book и снабжен, кроме компьютера, переговорным устройством дуплекс­ной связи. Все управление комплексом осуществляется с клавиатуры компьютера или мышью.

2. Выносной электронный блок, единый для всех модификаций.

Рис. 2. Общий вид системы «Авгур»:

а)  для контроля сварных швов диаметром 100 + 350 мм;

б)  с набором локальных трековых сканеров для контроля сварных швов диаметром 500 + 1250 мм, а также для плоскостных швов

 3. Набор сканеров для автоматизированного перемещения преобразователей.

 Конструктивно сканеры разделяются на две группы: сканеры для кру­гового контроля трубопроводов диаметром от 100 до 350 мм (рис. 2а) и сканеры с локальным треком длиной 700 - 1200 см (рис. 26), обес­печивающие контроль трубопроводов диаметрами от 500 до 1250 мм. На сканеры устанавливаются сменные направляющие, позволяющие перемещать акустические преобразователи (ПЭП) по образующей трубопровода на расстояния до 150 мм. Выбор длины направляющей определяется оптимальной методикой контроля конкретного трубопро­вода с толщиной стенки от 7 мм до 75 мм. На сканерах возможна уста­новка 2, 4 или 6 ПЭП, которые обеспечивают одновременный конт­роль с обеих сторон сварного шва.

4. Комплект ПЭП.

Номенклатура ПЭП определяется изделиями, подлежащими конт­ролю, их толщиной, наличием или отсутствием валика усиления, ма­териалом изделия.

5. Комплект соединительных кабелей.

Комплект кабелей, единый для всех вариантов контроля, позво­ляет осуществлять дистанционный контроль на расстоянии между сканером и базовым электронным блоком до 90 м.

6. Программное обеспечение.

Программное обеспечение (ПО) позволяет осуществлять контроль в режимах поиска дефектов и определения дефектных областей (обзорный режим) и детальной регистрации данных контроля (экспертный режим). ПО позволяет провести анализ полученных данных как во время регистрации, так и, в большей степени, после ее окончания.

Основные характеристики системы Авгур 

 1. Обзорный режим:

-         диапазон диаметров трубопроводов - 100 ÷ 1220 мм;

-         диапазон толщин сварных соединений - 5 ÷ 100 мм;

-         количество ПЭП - 1 ÷ 8 шт.;

-         минимальный эквивалентный диаметр выявляемого дефекта - 1 мм;

-         среднее время установки и съема системы на шве - 3 мин;

-         среднее время контроля 1 м шва - 7 мин;

-         отношение сигнал/шум при контроле аустенитных сварных швов - 6 ÷ 15 дБ (в зависимости от структуры шва и применяемой методики).

2. Экспертный режим:

-         фронтальная разрешающая способность - 1,5 мм;

-         лучевая разрешающая способность - 1,0 мм;

-         измеряемые характеристики - длина, высота, угол наклона, тип (плоскостной или объемный);

-         точность измерения размеров дефектов - 1,0 мм;

-         среднее время экспертного контроля одного дефект­ного места - 10 мин;

-         среднее время анализа одного дефектного места - 10 мин.

4. Практическая реализация

Система Авгур 4.2 прошла межведомст­венные испытания и рекомендована Госатомнад­зором России и Минатомом для применения на АЭС с реакторами РБМК-1000 и ВВЭР-1000.

Методика  утверждена концерном «Рос­энергоатом» и Госатомнадзором России. Получены лицензии на право разработки, изготовления систем Авгур и проведения экспертного контроля. Госстандарт России сертифицировал систему как средство измерения.

В период с 1996 по 1999 гг. был проведен массовый экспертный и обзорный контроль наиболее ответственных сварных швов первого контура на Ленинградской, Смоленской, Курской, Балаковской и строя­щейся Ростовской АЭС. В таблицу сведены обобщенные результаты контроля. Контролю подвергались швы, забракованные по результа­там штатного ручного контроля и по действующей технологии под­лежащие ремонту. Наибольший объем контроля пришелся на сварные швы труб Ду 300. По результатам контроля и прочностного анализа 490 швов 425 из них возвращены в эксплуатацию без ремонта и только 65 отправлено в ремонт. Причем экспертный контроль пока­зал, что ручному контролю свойственна как перебраковка, так и недобраковка: в 77 швах пропущены дефекты. Похожая ситуация наблю­дается и по другим категориям швов.

 

Обозначение и размеры сварного шва	Количество швов, шт.
	Забраковано ручным контролем и передано под экспертный контроль	Проверено в обзорном режиме	Пропущено в эксплуатацию по результатам экспертного контроля	Отремонтировано после экспертного контроля	С дополнительно обнаруженными при обзорном и экспертном контроле
Ду 300 ∅ 325 х 16	490	450	425	65	77
Ду 800 ∅ 870 х 35	220	10	202	18	15
Ду 850 ∅ 980 х 65	48	8	48	-	10
Ду 1200 ∅ 1344 х 72	16	4	16	-	3
Итого:	774	476	691	83	105

 

Таким образом, применение описанной концепции позволяет:

-         Существенно сократить объем необоснованного ре­монта швов благодаря оценке степени опасности вы­явленных дефектов и тем самым - затраты на ремонт. Заметим, что стоимость ремонта одного шва трубы Ду 800 составляет около 1 млн. руб.

-         Проводить мониторинг, т. е. следить за развитием де­фектов в процессе эксплуатации и планово готовить ремонт швов. Например, на Смоленской АЭС уже в течение трех лет осуществляется мониторинг 37 швов труб Ду 800 с аустенитными заварками.

Рис. 3

Рис. 4

5. Примеры применения систем Авгур на российских АЭС

На рис. 3 показано изоб­ражение экрана компьютера в момент завершения обзорного режима сварного шва Ду 300. Четыре горизонтальные раз­вертки соответствуют четырем ПЭП (по два с каждой стороны шва). Синий фон означает на­личие качественного акусти­ческого контакта. Отмеченные области для первого и второго ПЭП соответствуют зонам, выделенным под экспертный контроль. В правой части эк­рана показано поле сканиро­вания шва и местоположение акустического блока.

Дефект в шве Ду 300 по­казан на рис. 4. По развертке типа В (сечение поперек шва) определяют высоту дефекта, его местоположение относительно разделки шва, а также тип дефекта. По развертке типа Д (сечение вдоль шва) определяют длину дефекта, его сечение. Достоверность экспертного контроля многократно оценивалась сопоставлением с результатами вскрытия дефектного места.

На рис. 5 приведена фотография дефектного места, соответст­вующего изображению на рис. 4. Как видно, между измеренными и истинными значениями имеются хорошие совпадения.

По изображению на рис. 6 определено, что два дефекта представ­ляют собой несплавления по кромкам шва с высотами 4,5 и 3 мм и длинами 22 и 26 мм. Эти дефекты оказались неопасными, шов с ними пропущен в эксплуатацию на весь планируемый срок.

Третий дефект, показанный на рис. 6, не выявлен при штатном контроле. Только при дополнительном контроле на повышенной чувствительности удалось его обнаружить. По результатам эксперт­ного контроля и прочностного расчета сделан вывод о необходимости периодического слежения за ним, поскольку его влияние на проч­ность шва ощутимо. И наоборот, дефект, показанный на рис. 7, был отнесен к недопустимым по результатам штатного контроля. Эксперт­ный контроль показал, что это было ошибочное решение, поскольку имело место провисание в корне шва, не являющееся дефектом.

6. Заключение

Изложенный новый подход к определению ка­чества швов ответственного назначения путем комплексного исследования, включающего УЗ контроль системой Авгур и прочностные рас­четы, оказался весьма востребованным на российских АЭС. Он позволил существенно со­кратить объем неоправданного ремонта швов и повысить безопасность их эксплуатации.

Системы Авгур, реализующие концепцию, прошли апробацию, узаконены на АЭС и ши­роко используются при проведении ремонт­ных работ.

 Рис. 5

 Рис. 6

Применение систем Авгур позволяет свести к минимуму недостатки, присущие ручному контролю, обеспечить 100 % объем контроля, документирование результатов, существенно (в 10 раз) уменьшить дозовую нагрузку на персонал.