Оборудование для многочастотного вихретокового контроля парогенераторов атомных электростанций
Дано описание установки для дистанционного автоматизированного контроля теплообменных труб парогенераторов АЭС с реакторами типа ВВЭР. Методом многочастотного вихретокового контроля выявляются трещины, коррозия, износ, деформация труб, качество развальцовки, отложения материалов.
Об авторе
Чертов Святослав Иванович
Технический директор российско- французского СП "Энергоконтроль" - предприятия, специализирующегося на внедрении передовых методов и средств неразрушающего контроля оборудования атомных станций.
Задача проведения вихретокового контроля (ВТК) теплообменных труб парогенераторов (ПГ) АЭС с реакторами ВВЭР встала в конце 80-х гг. в связи с частыми повреждениями труб на вертикальных парогенераторах, находящихся в эксплуатации на АЭС в США, Франции и в других странах. Типовой программой по эксплуатационному контролю за состоянием основного металла и сварных соединений оборудования и трубопроводов атомных станций с ВВЭР предписывается обязательность вихретокового контроля металла теплообменных труб ПГ АЭС.
Качественное выполнение ВТК всего объема металла тепло- обменных труб осложняется малым радиусом изгиба труб в пучке ПГ, компактностью пучка и сложностью проведения работ в парогенераторах АЭС из-за высокого уровня радиации.
Дефекты в теплообменных трубках развиваются преимущественно от наружной поверхности и концентрируются, в основном, в местах прохождения через дистанционирующие решетки. Мешающие сигналы создаются отложениями на наружной поверхности трубок, содержащими электропроводные, в том числе ферромагнитные частицы. Многообразие дефектов и сигналов чрезвычайно затрудняет проведение анализа данных ВТК и выявление опасных дефектов.
Рис. 1
В нашей стране ВТК оборудования АЭС получил широкое внедрение, начиная с 1988 г. в связи с использованием вихре- токовых дефектоскопов ВД 73 НЦ для контроля перемычек коллекторов ПГ, действующих и вводимых в эксплуатацию АЭС с реакторами типа ВВЭР.
Что касается выполнения ВТК теплообменных труб парогенераторов (рис. 1), то он стал возможен на наших АЭС с 1990 г. после приобретения у французской фирмы «Интерконтроль» двух установок дистанционного автоматизированного контроля.
Установка базируется и затем транспортируется от одной АЭС к другой на автомобильном грузовом полуприцепе в двух контейнерах: грузовом, где располагается манипулятор, и так называемом «шептере» - передвижном устройстве для обеспечения процесса сбора, обработки и анализа сигналов вихретокового контроля.
Шелтер устанавливается вблизи реакторного помещения и соединяется кабелем длиной 200 м с двумя стойками, располагающимися на расстоянии - 25 м от парогенератора. В полной безопасности и комфортабельных окружающих условиях операторы осуществляют дистанционное управление манипулятором и сбор данных.
Установка фирмы «Интерконтроль» предназначена для автоматизированного ВТК тепло-обменных труб по всей длине*; зоны развальцовки, межтрубных перемычек коллектора и обеспечивает выявление следующих аномалий: дефектов типа «нехватка материала» (трещины, коррозия, износ), деформации трубок, отложений электропроводящих и непроводящих материалов, наличия магнитной зоны, а также качество развальцовки.
Метод многочастотного ВТК, который используется в данной установке «Интерконтроль», основан на анализе и синтезе сигналов вихретокового преобразователя, обусловленных взаимодействием электромагнитного поля разной частоты с объектом контроля.
Рис. 2
1 - блок «ФОНИК»: телефонная связь с операторами в реакторном помещении; 2,3 - видеомонитор; 4,5- дистанционное управление «Визар»; 6 - центральный процессор для подтверждения качества сигналов; 7 - дистанционное управление камерой; 8 - блок управления манипулятором; 9 - коммутатор измерительных каналов; 10 - устройство сопряжения с манипулятором; 11 - блок управления вращающимся зондом STL; 12 - пульт управления устройством для ведения зонда/ проходным зондом; 13 - экран супервизора (программируемой системы управления всем оборудованием в автоматическом режиме); 14 - клавиатура супервизора; 15-центральный процессор супервизора; 16-блок вывода данных на экран; 17 - анализатор вихретоковых сигналов (IC4AN), 18 - графопостроитель; 19 - платы с фильтрами для STL; 20 - блок «Индоник» для нормализации сигналов для записи на цифровом оптическом диске (DON) и для их отображения на экране в виде аналоговых сигналов; 21 - центральный процессор управления 12-дюймовым DON; 22 - запись данных на 12-дюймовом DON; 23 - принтер супервизора
Для возбуждения вихревых токов в объекте контроля и преобразования в измеряемый сигнал используется внутренний проходной преобразователь дифференциального типа с осевой симметрией, в дальнейшем называемый проходным зондом (SAX). Данный тип зонда может быть дополнен катушкой намагничивания, не зависящей от обмоток измерения, позволяющей преодолеть локальные изменения магнитной проницаемости.
Сигнал зонда имеет комплексный характер, что позволяет отобразить его на комплексной плоскости вихретокового преобразователя (ВТП).
Проходной зонд имеет две идентичные обмотки, включенные встречно и подключаемые в смежные ответвления измерительного моста. Обмотки лежат в плоскости, перпендикулярной направлению движения зонда.
От генератора частоты на измерительный мост подается комплексное напряжение трех частот. Уравновешивание моста (балансировка зонда) проводится в бездефектной части трубы.
При прохождении зонда в районе дефекта магнитное поле каждой катушки искажается и происходит нарушение равновесия (дисбаланс) измерительного моста. Сигнал дисбаланса после усиления и демодуляции можно визуализировать на экране монитора. Форма сигнала подобна фигуре Лиссажу: два симметричных противостоящих «лепестка», соответствующих последовательному прохождению каждой обмотки в районе дефекта.
Сигнал ВТП характеризуется амплитудой, фазой, формой. Эти величины зависят от свойств объекта контроля и параметров ВТК, в частности от электромагнитных характеристик объекта контроля, размеров ВТП и объекта контроля, частоты и силы тока возбуждения ВТП, типа, размеров и ориентации дефекта.
По значению фазы сигнала ВТП определяется тип дефекта. Для дефектов типа «нехватка материала» определение глубины дефекта проводится по кривой «фаза-глубина». Кривые снимаются экспериментально для конкретного объекта контроля при разных частотах.
Определяющим моментом для многочастотного метода ВТК является различная для разных частот зависимость фазы сигнала ВТП от параметров дефектов или объекта контроля.
Осуществляя смешивание символов, полученных на разных частотах, возможно появление мешающих факторов ВТК. Основными мешающими факторами при проведении ВТК трубчатки ПГ являются: геометрический фоновый шум, дистанционирующие решетки, край трубной доски (коллектора), случайное распределение ферритной фазы в теле трубы.
Оборудование сбора данных установки «Интерконтроль» обеспечивает доставку зонда к контролируемой трубе, проведение ВТК этой трубы, проверку и регистрацию данных, контроль и наблюдение за выполнением операций.
Выполнение операции «доставка зонда» осуществляется системой позиционирования, состоящей из манипулятора, механизма селектора направляющей трубы, блока электроклапанов и пульта управления, и системой привода зонда.
Проведение ВТК выполняется системой измерения и записи, включающей в себя зонд (проходной или вращающийся); эталонную трубу с четырьмя дефектами; эталон трубы с коллектором; многочастотный генератор «Гармоника-210»; аналого-цифровой и обратный преобразователь; блок дистанционной передачи; блок визуализации; устройство управления; ПЭВМ сбора.
При контроле проходным зондом труб из стали 08Х18Н10Т используются следующие частоты в абсолютном и дифференциальном режимах:
- 280 кГц, оптимальная частота для обнаружения дефектов, расположенных на внутренней поверхности трубы и позволяющая при смешивании устранять «геометрический фоновый шум»;
- 130 кГц, является основной частотой, на которой выделяются по фазе сигналы дефектов. Смещение по фазе сигналов от дефектов типа «нехватка материала», лежащих на внутренней и внешней поверхностях трубки, составляет 90 %;
- - 60 кГц, частота обнаружения дефектов на наружной поверхности трубы и сигналов от дистанционирующих решеток, на этой же частоте работает зонд в абсолютном режиме для выявления размерных изменений. Изменение частот генератора осуществляется заменой плат задающих частот. Аналого-цифровой и цифро-аналоговые преобразователи осуществляют соответствующие преобразования данных при передаче и записи данных.
Блок дистанционной передачи позволяет передавать данные, полученные генератором «Гармоника -210» в шелтер на устройство записи.
Устройство управления представляет собой ПЭВМ-1, на которой реализовано специальное программное обеспечение, осуществляющее дистанционное управление манипулятором, сбор данных и тестирование электронной части системы.
Рис 3
1,2- сигналы от эталонных дефектов при измерении по абсолютной схеме, фигуры Лиссажу и тактовый импульс; 3- сигнал сквозного отверстия в виде фигуры Лиссажу; 4,5- изображение, имитирующее профиль трубы в зоне упруго-вязкого перехода развальцовки; 6, 7 - компоненты X и Y сигналов, собранных при контроле трубы
Регистрация данных проводится на ПЭВМ-2 при помощи СМПО «Аида» - математического программного обеспечения для сбора и анализа данных при вихретоковом контроле.
При сборе данных «АИДА» осуществляет непосредственную запись вихретоковых сигналов, преобразованных в цифровую форму, их хранение на цифровом оптическом диске (DON), проверку качества данных при каждой записи, диалог с системой управления автоматическими средствами.
Сигнал проходного зонда SAX по четырем частотам, представленный последовательностью чисел в цифровом виде, записывается на съемный жесткий диск. При каждом сборе система «АИДА» проводит проверку качества собранной информации с выдачей сообщения на экран дисплея. Записанные данные могут быть представлены в графическом виде на дисплее ПЭВМ. В заголовке экрана указаны основные параметры текущего контроля. В нижней половине экрана отображаются проекции на оси X и Y сигнала зонда по одной из четырех частот. В верхней половине для анализа выводится в увеличенном масштабе часть записи (соответствующая 200 мм длины трубы).
Контроль и наблюдение за выполнением команд манипулятором осуществляется при помощи двух телекамер, установленных внутри коллектора. Для связи между рабочими местами используется громкоговорящая система «Фоник».
Первым этапом сбора данных является контроль всей длины трубы проходным зондом SAX. По заполнении съемного жесткого диска он заменяется на чистый и передается для оперативной обработки.
В результате обработки определяется необходимость проведения повторного контроля трубы или участка трубы зондом SAX с возможным изменением параметров контроля.
При необходимости может проводиться контроль развальцовки
определенных труб вращающимся зондом STL, а также контроль перемычек коллекторов вращающимся зондом DSR.
При возникновении проблем с качеством сбора проводится повторная балансировка зонда с возможными изменениями параметров генератора «Гармоника-210». Если это не помогает, осуществляют замену зонда с соответствующими изменениями в идентификаторе.
Схема сбора данных СМПО «АИДА»
Обработка и анализ данных проводятся на ПЭВМ-3. Загружается СМПО «АИДА», в дисковод устанавливается диск с обрабатываемой информацией. Проверяется правильность заполнения идентификатора контроля и состава системы.
Оператор в режиме «Обработка данных / Повторное считывание» задает номер обрабатываемого диска и запускает автоматическую обработку данных. Система фиксирует все аномальные превышения сигналов над заданным уровнем и отмечает их красной меткой при отображении частот на дисплее.
По окончании автоматической обработки проводится анализ данных, позволяющий определить выявленные индикации. Оператор выбирает номер обрабатываемого диска и по каждой трубе должен выполнить следующие операции: отобразить на дисплее каждую индикацию, полученную при обработке; если необходимо, провести анализ индикации; подтвердить каждую сохраняемую индикацию; при отсутствии подтвержденных индикаций оператор фиксирует бездефектность трубы.
Оператор проводит систематический анализ развальцовок в холодном и горячем коллекторах с целью обнаружения трещины в переходной зоне развальцовки и аномалии развальцовки.
Отобразив на экране частоту 130 кГц и просмотрев оба канала X и Y, оператор определяет следующие типы аномалий: ВР - фоновый шум; СН - удары в прямой части трубы и гибе; DР - удар под дистанционирующей решеткой; ММ - нехватка материала.
После выполнения анализа всех труб и перемычек коллекторов выпускается отчет, в котором указывается тип дефекта, его координаты по длине теплообмен ной трубы, количество обнаруженных дефектов, их величина. Все обнаруженные дефекты наносятся на картограмму парогенератора и записываются в память установки для хранения и последующего слежения за ростом дефектов. В зависимости от величины дефекта принимается решение о глушении тепло-обменной трубы или обязательности ВТК на следующем этапе.
Схема обработки данных СМПО «АИДА»