RU2188412C2 - Ultrasonic device for detecting stressed state of process-channel wall metal in fast reactors - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has ultrasonic transducer unit disposed in process channel path filled with water. Ultrasonic transducer unit incorporates ten piezoelectric transducers of which tenth one is straight and nine transducers are tilted; straight transducer functions as radiating detector for exciting and detecting longitudinal waves and for measuring wall thickness in process channel. Sixth tilted transducer is used as radiator for exciting longitudinal wave in process-channel wall metal; first and second tilted transducers function as detectors for detecting transverse wave arriving from sixth transducer and transformed in process-channel metal. Second through ninth transducers enable checking for metal discontinuity flaw in process channel; inclination angle of tilted transducers is 21^°37′. EFFECT: enhanced speed of metal nondestructive inspection. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения напряженного состояния металла технологического канала и, в частности, в районе верхних и нижних технологических каналов (ТК) ядерных реакторов типа РБМК. Устройство позволяет измерять изменение скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн при изменении механических напряжений металла. Зная напряжения в металле, можно предсказать появление трещин в переходных соединениях, что важно для безопасной эксплуатации реакторов. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used to measure the stress state of the metal of the technological channel and, in particular, in the region of the upper and lower technological channels (TC) of RBMK type nuclear reactors. The device allows you to measure the change in the velocity of longitudinal and transverse ultrasonic waves when changing mechanical stresses of the metal. Knowing the stresses in the metal, it is possible to predict the appearance of cracks in the transition joints, which is important for the safe operation of reactors.

Известны устройства, позволяющие определять напряженные состояния и физико-механические параметры металла разрушающими методами контроля. Недостатком этих устройств является невозможность их применения для оперативного контроля металла технологического канала без его разрушения, а также низкая разрешающая способность, громоздкость оборудования. Known devices that allow you to determine the stress state and physico-mechanical parameters of the metal destructive control methods. The disadvantage of these devices is the impossibility of their use for the operational control of the metal of the technological channel without its destruction, as well as low resolution, cumbersome equipment.

Известно устройство Ю.В. Бельского (а.с. 1518779, G 01 N 29/00), позволяющее определять физико-химические свойства материала за счет определения изменения скорости поперечных волн. The device is known Yu.V. Belsky (AS 1518779, G 01 N 29/00), which allows to determine the physico-chemical properties of the material by determining the change in the velocity of transverse waves.

Недостатком данного устройства является необходимость определения задержки ультразвуковых волн в эталонном направлении, возможность сформировать поверхностную волну в металле стенки технологического канала, покрытого слоем окисных отложений, а также плотное прижатие ультразвуковых преобразователей к контролируемому металлу и отсутствие предварительной дефектоскопии. Отсутствие предварительной дефектоскопии металла может привести к возможности появления в зоне контроля различных несплошностей и, как следствие, к неточности измерения физико-химических параметров. Таким образом данное устройство можно использовать только в лабораторных условиях, проводить контроль напряженного состояния металла технологических каналов в производственных условиях им невозможно. The disadvantage of this device is the need to determine the delay of ultrasonic waves in the reference direction, the ability to form a surface wave in the metal wall of the technological channel coated with a layer of oxide deposits, as well as the tight pressing of ultrasonic transducers to the controlled metal and the absence of preliminary flaw detection. The lack of preliminary metal flaw detection can lead to the possibility of the appearance of various discontinuities in the control zone and, as a result, to inaccurate measurements of physicochemical parameters. Thus, this device can only be used in laboratory conditions, it is impossible to control the stress state of the metal of the technological channels in a production environment.

Предлагаемое устройство по сравнению с известными устройствами контроля напряженного состояния определяет напряженное состояние металла и производит дефектоскопию стенок технологического канала без извлечения канала из реактора, в период плановых ремонтных работ. The proposed device in comparison with the known devices for monitoring the stress state determines the stress state of the metal and performs a flaw detection of the walls of the technological channel without removing the channel from the reactor during the scheduled repair work.

Предлагается ультразвуковое устройство для использования при определении напряженного состояния металла стенок технологических каналов ядерных реакторов типа РБМК, в частности в переходных соединениях сталь -цирконий, в районе внутреннего стыка, на основе нелинейного акустического эффекта акустоупругости. An ultrasonic device is proposed for use in determining the stress state of metal in the walls of technological channels of RBMK type nuclear reactors, in particular in steel-zirconium transition compounds, in the region of the internal joint, based on the nonlinear acoustic effect of acoustoelasticity.

В предлагаемом ультразвуковом устройстве для использования при определении напряженного состояния металла стенок технологических каналов ядерных реакторов типа РБМК содержится блок ультразвуковых преобразователей, размещенных в тракте технологического канала, заполненного водой, блок ультразвуковых преобразователей включает десять пьезоэлектрических преобразователей, из которых десятый - прямой и девять наклонных, причем прямой преобразователь является излучателем - приемником, служащим для возбуждения и приема продольных волн и определения толщины стенки технологического канала, шестой наклонный преобразователь является излучателем, служащим для возбуждения продольной волны в металле стенки технологического канала, а первый и второй наклонные преобразователи являются приемниками, служащими для приема поперечной волны, прошедшей от шестого преобразователя и трансформированной в металле технологического канала, при этом преобразователи со второго по девятый позволяют проводить контроль несплошности металла технологического канала, а угол наклона наклонных преобразователей составляет 21^o37'.The proposed ultrasonic device for use in determining the stress state of the metal walls of the technological channels of nuclear reactors of the RBMK type contains a block of ultrasonic transducers located in the path of the technological channel filled with water, the block of ultrasonic transducers includes ten piezoelectric transducers, of which the tenth is straight and nine inclined, and direct transducer is a radiator - receiver, which serves to excite and receive longitudinal waves and determining the wall thickness of the technological channel, the sixth inclined transducer is an emitter serving to excite a longitudinal wave in the metal of the wall of the technological channel, and the first and second inclined transducers are receivers serving to receive a shear wave transmitted from the sixth transducer and transformed into the metal of the technological channel, in this case, the second to ninth converters allow monitoring the discontinuity of the metal of the technological channel, and the angle of inclination ny converters makes 21 ^o 37 '.

На фиг.1 изображен общий вид блока ультразвуковых преобразователей (УЗП) для определения напряженного состояния сварных швов переходных соединений и основного металла, на фиг.2 - разрез блока преобразователей со схемой прохождения ультразвуковых волн в металле стенки технологического канала (ТК). Работает блок УЗП в тракте ТК, заполненном водой. Figure 1 shows a General view of the block of ultrasonic transducers (USP) for determining the stress state of welds of transition joints and the base metal, figure 2 is a section of a block of transducers with the passage of ultrasonic waves in the metal wall of the technological channel (TC). An ultrasonic treatment unit operates in the TC path filled with water.

Предлагаемое ультразвуковое устройство содержит десять пьезопреобразователей, из которых преобразователь 10 - прямой, а преобразователи с 1 по 9 - наклонные. The proposed ultrasonic device contains ten piezoelectric transducers, of which the transducer 10 is a straight line, and the transducers 1 through 9 are inclined.

Прямой преобразователь 10 (излучатель - приемник) служат для возбуждения продольных волн и для определения толщины стенки ТК. Наклонный преобразователь 6 - излучатель (угол наклона 21^o37') служит для возбуждения ультразвуковой волны в металле стенки ТК, а приемные преобразователи 1 и 2 служат для приема прошедшей в металле поперечной волны, возбужденной преобразователем 6. По времени распространения продольной и поперечной волн определяется их скорость.Direct transducer 10 (emitter - receiver) are used to excite longitudinal waves and to determine the wall thickness of the TC. Inclined transducer 6 - emitter (angle of inclination 21 ^o 37 ') serves to excite an ultrasonic wave in the metal of the TC wall, and receiving transducers 1 and 2 serve to receive the transverse wave transmitted in the metal excited by the transducer 6. The propagation time of the longitudinal and transverse waves is determined their speed.

Ультразвуковая продольная волна, возбужденная прямым преобразователем 10 (резонансная частота 5 МГц, диаметр пьезоэлемента 12 мм) распространяется в воде, дойдя до стенки ТК отражается от нее, а часть энергии волны проникает в металл и, отразившись от наружной стенки канала, распространяется до внутренней, а затем опять устремляется к наружной. Такой цикл повторяется до полного ее затухания. Зная скорость распространения продольной ультразвуковой волны в воде и металле ТК, можно рассчитать расстояние от блока преобразователей до стенки ТК и толщину стенки ТК. An ultrasonic longitudinal wave excited by a direct transducer 10 (resonant frequency 5 MHz, diameter of the piezoelectric element 12 mm) propagates in water, reaching the TC wall, it is reflected from it, and part of the wave energy penetrates into the metal and, reflected from the outer channel wall, propagates to the inner and then again rushes to the outside. Such a cycle is repeated until it is completely attenuated. Knowing the propagation velocity of a longitudinal ultrasonic wave in the water and metal of a TC, we can calculate the distance from the transducer block to the wall of the TC and the thickness of the wall of the TC.

Ультразвуковая продольная волна, возбужденная наклонным преобразователем 6 (излучатель, резонансная частота 5 МГц, диаметр пьезоэлемента 12 мм), распространяется в воде и на границе двух сред (вода - металл) претерпевает преломление, часть энергии волны переходит в образовавшуюся поперечную волну. An ultrasonic longitudinal wave excited by an inclined transducer 6 (emitter, resonant frequency 5 MHz, diameter of a piezoelectric element 12 mm) propagates in water and undergoes refraction at the interface of two media (water - metal), part of the wave energy passes into the transverse wave formed.

Поперечная волна, распространяясь по металлу под заданным углом, отражается от наружной стенки ТК, пройдя металл, частично выходит в воду и попадает на наклонный приемный преобразователь 2 (приемник, резонансная частота 5 МГц, диаметр пьезоэлемента 8 мм). Часть энергии поперечной волны, отразившись от внутренней стенки ТК, под тем же углом распространяется к наружной стенке, а затем, отразившись, снова поступает на внутреннюю стенку ТК и также частично выходит в воду и попадает на наклонный приемный преобразователь 1 (приемник, резонансная частота 5 МГц, диаметр пьезоэлемента 8 мм). Наличие двух приемных преобразователей необходимо, т.к. с изменением напряжений, действующих на сварное соединение и металл ТК, изменяется скорость ультразвуковой волны и, следовательно, изменяется угол, под которым волна выходит из металла, а значит, изменяется и область приема этой волны. A transverse wave, propagating through the metal at a given angle, is reflected from the outer wall of the TC, passing through the metal, partially enters the water and enters an inclined receiving transducer 2 (receiver, resonant frequency 5 MHz, diameter of the piezoelectric element 8 mm). Part of the shear wave energy, reflected from the inner wall of the TC, propagates at the same angle to the outer wall, and then, reflected, again enters the inner wall of the TC and also partially enters the water and enters the inclined receiving transducer 1 (receiver, resonant frequency 5 MHz, piezoelectric element diameter 8 mm). The presence of two receiving converters is necessary because with a change in the stresses acting on the welded joint and the metal of the TC, the speed of the ultrasonic wave changes and, therefore, the angle at which the wave exits the metal changes, which means that the receiving region of this wave also changes.

По времени прихода продольной и поперечной волн определяется их скорость. Зная скорости продольной и поперечной волн из приведенных выше формул, можно определить модуль Юнга, коэффициент Пуассона. Преобразователи 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 служат для дефектоскопии металла стенки трубы. The time of arrival of the longitudinal and transverse waves determines their speed. Knowing the velocity of the longitudinal and shear waves from the above formulas, we can determine the Young's modulus, the Poisson's ratio. Converters 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 are used for flaw detection of metal of the pipe wall.

В качестве элемента, преобразовывающего электрические колебания, поступающие от генератора импульсов, в механические и обратно выбрана пьезокерамика ЦТС-19. Она наиболее стойкая к радиационному излучению и уверенно работает при температуре 100^oС. Для погашения избыточных колебаний пьезокерамики применен демпфирующий состав на основе окисла вольфрамового порошка. Для улучшения прохождения ультразвуковых волн из пьезоэлемента в водную среду применен протектор, толщина которого кратна четверти длины ультразвуковой волны. Все составные элементы преобразователя помещены в капсулу, а электрические выводы подключены к генератору импульсов. Такие преобразователи, размещенные соответствующим образом в металлической заготовке, и составляют блок преобразователей.PZCE-19 piezoceramics was chosen as an element that converts electrical vibrations coming from a pulse generator into mechanical ones and vice versa. It is the most resistant to radiation and confidently operates at a temperature of 100 ^o C. To damp excess vibrations of piezoceramics, a damping composition based on tungsten oxide is used. To improve the passage of ultrasonic waves from the piezoelectric element into the aqueous medium, a protector is applied, the thickness of which is a multiple of a quarter of the length of the ultrasonic wave. All the components of the converter are placed in a capsule, and the electrical leads are connected to a pulse generator. Such converters, appropriately placed in a metal billet, constitute a block of converters.

Для расчета углов наклонных преобразователей применим упрощенную формулу Снеллиуса

где α - угол между перпендикуляром к образующей ТК и осью диаграммы направленности продольной волны в воде,
С₁ - скорость продольной волны в воде,
β - угол между перпендикуляром к образующей ТК и осью диаграммы направленности преломленной поперечной волны в металле,
C_t - скорость поперечной волны в металле ТК.To calculate the angles of inclined transducers, we use the simplified Snellius formula

where α is the angle between the perpendicular to the generatrix of the TC and the axis of the longitudinal wave pattern in water,
With ₁ - the speed of a longitudinal wave in water,
β is the angle between the perpendicular to the generatrix of the TC and the axis of the radiation pattern of the refracted transverse wave in the metal,
C _t is the shear wave velocity in the metal TC.

Выбрав угол β равным 45^o (наибольшая чувствительность при определении напряжений), нетрудно вычислить угол наклона преобразователей в блоке

Угол α будет равен 21^o37'. Расчет был проверен экспериментально и показал хорошие результаты.Choosing the angle β equal to 45 ^o (the highest sensitivity when determining stresses), it is easy to calculate the angle of inclination of the transducers in the block

The angle α will be equal to 21 ^o 37 '. The calculation was verified experimentally and showed good results.

Claims (1)

Ультразвуковое устройство для использования при определении напряженного состояния металла стенок технологических каналов ядерных реакторов типа РБМК, содержащее блок ультразвуковых преобразователей, размещенный в тракте технологического канала, заполненного водой, блок ультразвуковых преобразователей включает десять пьезоэлектрических преобразователей, из которых десятый - прямой и девять наклонных, причем прямой преобразователь является излучателем-приемником, служащим для возбуждения и приема продольных волн и определения толщины стенки технологического канала, шестой наклонный преобразователь является излучателем, служащим для возбуждения продольной волны в металле стенки технологического канала, а первый и второй наклонные преобразователи являются приемниками, служащими для приема поперечной волны, прошедшей от шестого преобразователя и трансформированной в металле технологического канала, при этом преобразователи со второго по девятый позволяют проводить контроль несплошности металла технологического канала, а угол наклона наклонных преобразователей составляет 21^o37'.An ultrasonic device for use in determining the stress state of the metal walls of technological channels of nuclear reactors of the RBMK type, containing a block of ultrasonic transducers located in the path of the technological channel filled with water, the block of ultrasonic transducers includes ten piezoelectric transducers, of which the tenth is straight and nine are inclined, and straight the transducer is a receiver emitter serving to excite and receive longitudinal waves and determine t the thickness of the wall of the technological channel, the sixth inclined transducer is a radiator used to excite a longitudinal wave in the metal of the wall of the technological channel, and the first and second inclined transducers are receivers used to receive a shear wave transmitted from the sixth transducer and transformed into the metal of the technological channel, converters from the second to the ninth allow monitoring the discontinuity of the metal of the technological channel, and the angle of inclination of the inclined tel is 21 ^o 37 '.

Images