Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Минин Сергей Иванович. Автоматизированная ультразвуковая система контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ на основе эффекта акустоупругости : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.06 : Обнинск, 2005 248 c. РГБ ОД, 61:05-5/3519

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Характеристика напряжений в основном металле и
сварных соединениях циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 14

  1. Характеристика объекта контроля 14

  2. Диаграммы напряжений для материалов циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 21

  3. Остаточные напряжения в циркуляционных трубопроводах ЯЭУ 29

  1. Остаточные напряжения в сварных соединениях 31

  2. Состояние современных методов измерения напряжений в металлах 43

1.6. Основные требования к автоматизированной системе контроля
напряженного состояния основного металла и сварных соединений
циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 52

Глава 2. Теоретическое обоснование и экспериментальные
исследования измерительных преобразователей
автоматизированной ультразвуковой системы контроля
напряжений в металлах на основе эффекта акустоупругости 55

  1. Физические основы эффекта акустоупругости 55

  2. Разработка ультразвуковых преобразователей для автоматизированной системы контроля на основе эффекта акустоупругости ....63

  3. Экспериментальные исследования зависимости скорости ультразвуковых волн от напряжений в металле циркуляционных трубопроводов ЯЭУ 118

Глава 3. Разработка автоматизированной системы обработки и
представления информации ультразвуковых измерительных
преобразователей ш

  1. Функциональная схема автоматизированной системы контроля 130

  2. Электронные блоки регистрации и обработки информации 140

  3. Алгоритмы и программы обработки и представления информации 157

  1. Состав программного обеспечения 157

  2. Программное обеспечение сбора и накопления данных 163

  3. Подсистема анализа ультразвуковых данных и архивации 166

Глава 4. Разработка систем автоматического управления процессом ультразвукового контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных

трубопроводов ЯЭУ 169

  1. Методика автоматизированного ультразвукового контроля 169

  2. Функциональные схемы систем автоматического управления ультразвуковым контролем 180

  3. Механизмы перемещения ультразвуковых преобразователей 182

  1. Электронные блоки систем автоматического управления ультразвуковым контролем 186

  2. Алгоритмы и программы систем автоматического управления ....192

Глава 5. Метрологические характеристики автоматизированной

системы контроля 195

5.1.Метрологические характеристики ультразвуковых преобразователей
автоматизированной системы контроля 195

  1. Влияние температуры металла на изменение скорости ультразвука200

  2. Влияние неравномерного распределения плотности металла на точность измерения скорости ультразвука 205

  3. Акустические и электрические помехи при контроле напряженного состояния металла 207

Заключение 216

Список литературы 217

Приложение 1 234

Приложение 2 235

Введение к работе:

Контроль состояния сварных швов и металла является одной из основных задач диагностики оборудования ядерных реакторов. Дефекты сварных швов и металла в виде несплошностей (трещин, шлаковых включений и др.) снижают безопасность эксплуатации атомных электростанций (АЭС). Существующие методы ультразвуковой диагностики позволяют проводить контроль технологического оборудования АЭС на наличие уже существующих несплошностей. Ультразвуковой контроль напряженных состояний основного металла и сварных швов позволяет предсказывать появление несплошностей. Устранение же существующих напряжений способно продлить срок эксплуатации технологического оборудования ядерных реакторов.

Основными элементами технологического оборудования ЯЭУ с реакторами ВВЭР являются корпус реактора и трубопроводы первого контура Ду 600 мм, а с реакторами РБМК — технологические каналы и трубопроводы контура многократной принудительной циркуляции (КМГЩ) Ду 800 мм. Разрыв любого из этих конструктивных элементов может привести к максимальной аварии.

В реакторах типа РБМК одним из основных элементов являются технологические каналы (ТК). ТК состоит из циркониевой части, которая находится в активной зоне ядерного реактора, и стальной, расположенной вне активной зоны. Между ТК и графитовой кладкой расположены упругие графитовые кольца. Величина зазора между ТК с графитовыми кольцами и графитовой кладкой составляет 3 мм. В результате процессов термодинамической ползучести и радиационного роста диаметры канальных труб увеличиваются, а отверстий в графитовых блоках уменьшаются [і]. Это приводит к уменьшению «зазора» и заклиниванию ТК. При этом в металле ТК

создаются механические напряжения, которые могут привести к разрушению ТК [2,3]. Особенно важным является контроль напряжений металла ТК в районе внутреннего стыка переходников сталь - цирконий, где чаще всего появляются трещины в стенках ТК.

В данной диссертации представлена разработанная автором автоматизированная система контроля напряженного состояния на основе метода акустоупругости. Разработаны ультразвуковые преобразователи для контроля напряженного состояния сварных швов и основного металла технологического оборудования, разработан опытный вариант системы контроля напряженного состояния, проведено экспериментальное обоснование.

Одной из наиболее важных задач, относящихся к развитию метода ультразвукового контроля напряженного состояния, является автоматизация процесса контроля. Она связана с совершенствованием конструкций систем контроля напряженного состояния, с разработкой специальной оснастки, необходимой для проведения контроля, а также с разработкой программного обеспечения и т.п.

Применение автоматизированных систем контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ позволяет значительно повысить эффективность обследования технологического оборудования, предсказывать появление несплошностей в сварных соединениях (трещины и др.) и тем самым снижать затраты на проведение ремонтных и ремонтно - восстановительных работ.

Таким образом тема диссертации является актуальной.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

В первой главе проведен анализ напряжений возникающих в основном металле и сварных соединениях циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

Соединение между собой отдельных элементов оборудования ЯЭУ требует большого числа трубопроводов. Стоимость их достигает 10% общей стоимости оборудования станции. От безопасной эксплуатации трубопроводов во многом зависит надежность работы всей станции в целом.

Трубопроводы первого и второго контуров состоят из прямолинейных участков и гибов. На отдельных участках они подвешены к опорам либо лежат на них. В зависимости от условий эксплуатации материала трубопроводов в них возникают остаточные напряжения. Величина этих остаточных напряжений, их распределение по сечению и длине трубопроводов различна.

Как показала практика, основная причина аварий трубопроводов на атомных и тепловых электростанциях заключается в повреждениях гнутых участков, являющихся компенсаторами действующих напряжений и разрушающихся в зоне термического влияния. Как раз на гибах трубопроводов остаточные напряжения имеют максимальные значения.

Неравномерный разогрев изделия при сварке порождает его неравномерную температурную деформацию. Монолитность материала изделия препятствует свободной температурной деформации его отдельных частей, в результате чего во время сварки образуются напряжения и пластическая деформация части металла соединения, а после охлаждения в изделии остаются сварочные напряжения и деформации. Для контроля напряженного состояния оборудования АЭС наиболее приемлемым методом является ультразвуковой метод (акустическая тензометрия). Кроме того применение ультразвуковых волн позволяет получить информацию о строении веществ на микро- и макроуровнях, а также определить прочностные характеристики оборудования.

Основная задача акустической тензометрии связана с определением по результатам акустических измерений тензора акустоупругих коэффициентов

скорости. Определяя скорости ультразвуковых волн по известным составляющим тензора акустоупругих коэффициентов скорости, можно рассчитать напряженное состояние металла.

Сформулированы требования к автоматизированным системам контроля напряженного состояния основного металла и сварных швов циркуляционных трубопроводов ядерных энергетических установок. Рассмотрены причины возникновения остаточных напряжений и методы их контроля. Также рассмотрены следующие основные элементы автоматизированной системы контроля: первичные ультразвуковые преобразователи, ультразвуковые генераторы, блоки регистрации и обработки информации.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию ультразвуковых преобразователей, предназначенных для автоматизированной системы контроля напряженного состояния. Произведено обоснование автоматизированного ультразвукового метода контроля напряженного состояния металла циркуляционных трубопроводов ядерных энергетических установок. На основании концепции эффекта акустоупругости рассмотрены акустоупругие коэффициенты, применяемые к материалам циркуляционных трубопроводов ядерных энергетических установок. Дана оценка возможности описания напряженного состояния с помощью нелинейного эффекта акустоупругости. Приведены расчетные формулы для установления значений коэффициентов акустоупругости, а также акустические коэффициенты скорости и времени. Произведен расчет акустического поля пьезопреобразователя для системы автоматизированного контроля.

Рассмотрены механические и электрические методы демпфирования пьезоэлементов. Представлены экспериментальные результаты исследования ультразвуковых преобразователей автоматизированной системы на образцах оборудования первого и второго контуров ядерных энергетических установок.

Автором осуществлена разработка экспериментальных стендов, состоящих из блоков возбуждения и обработки ультразвуковых сигналов, ультразвуковых преобразователей, программного обеспечения и механических устройств нагружения. Кроме того предложены выражения для определения упругих постоянных металлов первого и второго контуров ядерных энергетических установок.

Третья глава посвящена разработке принципов построения автоматизированной ультразвуковой системы контроля напряженного состояния металла трубопроводов ядерных энергетических установок. Автором разработаны электронные блоки регистрации и обработки информации, а также алгоритмы и программы обработки и представления информации.

Четвертая глава посвящена разработке систем автоматического управления процессом ультразвукового контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений ЯЭУ. Разработана методика контроля напряженного состояния металла и сварных соединений. Разработаны элементы системы, а также алгоритмы и программы автоматическим управлением процессом контроля напряженного состояния.

Пятая глава посвящена метрологическим характеристикам автоматизированной системы контроля.

В заключении сделаны общие выводы по результатам проведенных исследований автоматизированной системы ультразвукового контроля напряженного состояния.

В приложении приведены сертификат о калибровке средства измерений и протокол испытаний автоматизированной системы контроля.

Основные научные результаты работы

В результате проведенных экспериментальных исследований осуществлено теоретическое обоснование эффекта акустоупругости применительно к исследованию напряженного состояния циркуляционных трубопроводов ЯЭУ, а также решена научно-техническая задача создания автоматизированной системы контроля напряженного состояния, позволяющая перейти к проведению ранней диагностики оборудования (предсказанию появления несплошностей).

В процессе работы решены следующие задачи:

  1. Проверено теоретическое обоснование эффекта акустоупругости и впервые произведено его экспериментальное исследование применительно к материалам оборудования первого и второго контуров ядерных энергетических установок, что позволило выработать общий подход к созданию фокусирующих ультразвуковых измерительных преобразователей для автоматизированных систем контроля напряженного состояния;

  2. Разработаны принципы построения автоматизированной системы контроля напряженного состояния основного металла технологического оборудования и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ. Проведено исследование влияния различных факторов на чувствительность и точность контроля. Выработаны рекомендации по использованию различных ультразвуковых преобразователей для контроля напряжений основного металла и сварных швов циркуляционных трубопроводов ЯЭУ;

  3. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение автоматизации обработки и представления полученной в результате контроля информации;

4. Проведены экспериментальные исследования основных узлов
автоматизированной системы измерения напряженного состояния

оборудования, подтверждающие адекватность теоретических исследований их характеристик;

5. Осуществлено исследование метрологических характеристик автоматизированной системы, позволившее выработать алгоритмы выявления факторов, создающих наибольшие помехи процедурам контроля и выработать методы уменьшения погрешностей при измерениях.

Научная новизна

1. Впервые проведены теоретическое обоснование и экспериментальные
исследования нелинейного эффекта акустоупругости в материалах
циркуляционных трубопроводов ЯЭУ.

2. Разработаны рекомендации по созданию ультразвуковых
преобразователей для автоматизированных систем контроля напряженного
состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных
трубопроводов ЯЭУ;

3. Разработаны алгоритмы и комплекс программ для обработки и
представления электрических сигналов ультразвуковых преобразователей;

4. Разработаны алгоритмы и комплекс программ для автоматизированных
систем управления процессом контроля;

5. Проведено исследование влияния внешних факторов на
чувствительность и погрешность контроля. Разработаны алгоритмы,
позволяющие уменьшить погрешности автоматизированной системы
контроля.

Технические решения, изложенные в материалах диссертации, защищены патентом 2188412 С2 GO 1 № 29/00 от 27 августа 2002 года.

Практическая ценность работы

  1. Для автоматизации и управления процессом контроля создана автоматизированная система контроля напряженного состояния основного металла и сварных соединений циркуляционных трубопроводов ЯЭУ на основе эффекта акустоупругости. Данная система позволяет проводить раннюю диагностику металла и сварных швов, что обеспечивает повышение безопасности ЯЭУ.

  2. На основе эффекта акустоупругости выработан общий подход к созданию фокусирующих ультразвуковых измерительных преобразователей для автоматизированных систем контроля напряженного состояния оборудования первого и второго контуров ядерных энергетических установок;

3. Проведено исследование влияния внешних факторов на
чувствительность и погрешность контроля. Осуществлено исследование
метрологических характеристик автоматизированной системы, позволившее
разработать алгоритмы выявления факторов, создающих наибольшие помехи и
выработать методы уменьшения погрешностей;

4. Разработанная автоматизированная ультразвуковая система контроля
может быть использована и в других отраслях: нефтяной, газовой, химической
промышленностях.

На защиту выносятся;

  1. Результаты теоретического обоснования и экспериментальных исследований ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей на основании эффекта акустоупругости;

  2. Алгоритмы и комплекс программ обработки информации ультразвуковых измерительных преобразователей;

3. Алгоритмы и комплекс программ для автоматизированных систем
управления процессом контроля;

4. Результаты исследований разработанной автоматизированной системы
контроля напряженного состояния.

5. Результаты анализа метрологических характеристик
автоматизированной системы контроля и методы уменьшения основных
составляющих погрешности.

В основу данной работы вошли результаты исследований, проведенные автором в Обнинском государственном техническом университете атомной энергетики.

Полнота изложения материалов диссертации в работах, опубликованных соискателем

По материалам диссертации автором опубликованы 34 работы, в том числе 1 монография, 1 патент, 32 статьи в журналах и сборниках научных трудов.

Апробация результатов работы:

Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:

1. Международной конференции «Пьезотехника-96», Москва,
20-24 июля 1996 г.

2. Международной научно-практической конференции «Пьезотехника-
97», г. Обнинск, 25-27 ноября 1997 г.,

  1. Международной конференции «Неразрушающий контроль - 98» г. Санкт-Петербург, 3-5 июня 1998 г.

  2. Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Пьезотехника-99), Ростов-на-Дону, 15-21 августа 1999 г.

  3. Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Пьезотехника-2000), Москва, 18-22 октября 2000 г.

  4. Международной конференции в Испании «Неразрушающие методы контроля материалов», Севилья, сентябрь 2001 г.

  5. Международная конференция «Безопасность АЭС». ФЭИ, Обнинск, октябрь, 2001 г.

  6. Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения» (Пьезотехника-2002), Тверь, 17-21 сентября 2002 г.

  7. Международной конференции «Безопасность ядерной энергетики» в Обнинске, ОИАТЭ, октябрь 2003 г.

10. Международной конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-
энергетическая безопасность промышленных городов». - Нижневолжск. -
2004 г. - 6-9 октября 2004 г.

11. «Математические идеи П.Л. Чебышева и их приложение к
современным проблемам естествознания». - Обнинск. - 2004 г.
- 26-29 ноября.

Подобные работы
Цибизов Григорий Павлович
Автоматизированная система контроля качества производства асфальтобетонных смесей
Шараф Фади
Автоматизированная система контроля качества стеклянной бутылки
Петров Сергей Владимирович
Автоматизированная система контроля углов установки лопаток в лопаточных решетках ГТД
Дроздов Юрий Владимирович
Разработка автоматической системы контроля и управления положением слоя стеблей при получении тр#паного льна
Савченко Александр Владимирович
Разработка корабельной автоматизированной системы контроля и диагностики аккумуляторных батарей дизель-электрических подводных лодок
Зиятдинов Рустем Раисович
Автоматизированная система контроля шероховатости поверхности
Андриевский Александр Леонидович
Разработка системы контроля движения нефтепродуктов нефтехимического предприятия (На примере Ангарской Нефтехимической Компании)
Посмитный Евгений Владимирович
Разработка автоматизированной системы контроля игристых свойств шампанских вин на основе анализа динамики выделения CO2 из вина
Ивахненко Андрей Михайлович
Научные основы комплексной автоматизации и моделирования характеристик технологических процессов в системе контроля качества продукции промышленного производства
Бобырь Максим Владимирович
Автоматизированная система контроля и управления технологическим процессом высокоточной обработки деталей

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net