ультразвуковое устройство для использования при определении напряженного состояния металла стенок технологических каналов ядерных реакторов типа рбмк

Формула изобретения

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".

Описание изобретения к патенту

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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".

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.

Предлагаемое ультразвуковое устройство содержит десять пьезопреобразователей, из которых преобразователь 10 - прямой, а преобразователи с 1 по 9 - наклонные.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Для расчета углов наклонных преобразователей применим упрощенную формулу Снеллиуса



где - угол между перпендикуляром к образующей ТК и осью диаграммы направленности продольной волны в воде,

С₁ - скорость продольной волны в воде,

- угол между перпендикуляром к образующей ТК и осью диаграммы направленности преломленной поперечной волны в металле,

C_t - скорость поперечной волны в металле ТК.

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





Угол будет равен 21^o37". Расчет был проверен экспериментально и показал хорошие результаты.