Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии диагностики и оценки остаточного ресурса контейнеров с отработавшим ядерным топливом на базе метода ультразвуковой томографии

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
неразрушающий контроль, ультразвуковая томография, контроль сварных соединений, обработка акустического сигнала, безопасная атомная энергетика, сухое хранилище, отработавшее ядерное топливо, синтетическая фокусировка

Цель проекта:
Задачи, на решение которых направлен проект: 1. Разработка технологии контроля сварных соединений и основного материала контейнеров с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ). 2. Разработка методики оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ на основе томографической реконструкции. 3. Разработка и создание автоматизированной системы контроля сварных соединений и основного материала контейнеров с ОЯТ. 4. Подготовка задания на выполнение ОКР. Целью реализуемого проекта является создание передовой технологии оценки эксплуатационного ресурса объектов атомной энергетики на базе ультразвуковой томографии на примере контейнеров с отработавшим ядерным топливом.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Среда математического моделирования распространения акустического поля измерительного преобразователя.
2. Прикладное программное обеспечение томографической реконструкции объектов на базе графических ускорителей.
3. Методика ультразвукового контроля контейнеров с ОЯТ на основе метода ультразвуковой томографии.
4. Методика оценки остаточного ресурса контейнеров на основе результатов ультразвукового контроля.
5. Макет автоматизированной ультразвуковой системы томографического контроля.
6. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка промышленной автоматизированной системы ультразвуковой томографии».
Основные характеристики отдельных элементов:
1. Характеристики приёмо-передающего тракта:
динамический диапазон акустического тракта 100 дБ;
полоса рабочих частот по уровню 3 дБ 500 кГц … 20 МГц;
регулировка коэффициента усиления 100 дБ;
напряжение зондирующего импульса на нагрузку 50 Ом минус 50… минус 180 В.
2. Характеристики аналого-цифрового преобразователя:
разрядность 14 бит;
частота оцифровки 80, 40, 20, 10 MГц, регулируемая для такта измерения;
динамический диапазон АЦП более 72 дБ при частоте оцифровки 80 MГц.
3. Характеристики измерительного тракта:
количество измерительных преобразователей - 1;
количество элементов в измерительном преобразователе - 16;
материал пьезоэлементов: ЦТС-19 или аналогичный по параметрам.
4. Характеристики блока механического сканирования:
диапазон перемещения по координате Х,Y - 1,5 м;
скорость перемещения 5 см/с;
шаг перемещения 1 мм … 5 см;
точность позиционирования - 0,1 мм.




Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате проведенного ПНИ будет разработана технология контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ, позволяющая выполнять реконструкцию и визуализацию ультразвуковых данных, получать трёхмерные изображения контролируемых объектов с возможностью количественной оценки несплошностей материала. В отличие от традиционных методов измерения, обработки и интерпретации сигналов, основанных на эффекте отражения ультразвуковых волн на границах раздела сред, для получения томографических изображений будут применяться алгоритмы наложения так называемых дифракционных сигналов, основанных на принципе синтетической фокусировки апертуры.
Для получения данных сигналов оптимальным является применение многоэлементных измерительных преобразователей в комбинации с многоканальной ультразвуковой электроникой и специализированными вычислительными модулями для реконструкции, визуализации и автоматической оценки томографических изображений в режиме реального времени.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет является ведущей отечественной организацией в данной области. Высокий уровень технологического развития удалось достичь в том числе за счёт сотрудничества с зарубежными партнёрами. Собственными уникальными разработками ТПУ являются методы моделирования распространения ультразвуковых волн в различных средах, а также алгоритмы реконструкции трёхмерных изображений на базе графических ускорителей, которые превосходят зарубежные аналоги.
Решаемая в данном проекте проблема оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ методами ультразвуковой томографии является уникальной возможностью для практического применения данной технологии как с точки зрения задачи контроля, не имеющей на данный момент стандартизированных решений, так и с точки зрения инновационности и мультидисциплинарности разрабатываемых технологических подходов, заключающаяся в применении последних достижений электроники, вычислительной техники и компьютерного моделирования.
Ограничениями и рисками в данном проекте могут служить санкции, применяемые в отношении России при сотрудничестве с зарубежными партнерами, и колебания курса евро, поскольку многие закупаемые в рамках проекта компоненты производятся за рубежом. Также ограничением при выполнении работ служит уменьшение финансирования в 2015 году на 10%.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемая технология диагностики предназначена, в первую очередь, для контроля сварных соединений контейнеров сухого хранения ОЯТ. Предполагается возможность адаптации разрабатываемой технологии к другим объектам атомной энергетики. Внедрение разработанной технологии позволит производить быструю количественную оценку остаточного эксплуатационного ресурса объекта посредством ультразвуковой диагностики.
Результатом создания данной технологии должно стать решение комплекса технологических задач, в частности:
• Создание нового класса оборудования контроля и диагностики объектов атомной энергетики с потенциалом вывода на мировой рынок;
• Увеличение срока эксплуатации оборудования и уровня ее безопасности за счёт применения передовых технологий дефектометрии;
• Создание научно-технических решений и продуктов в смежных областях: математического моделирования свойств материалов, высокопроизводительных вычислительных систем, электроники и измерительной техники, что внесет свой вклад в повышение конкурентоспособности отечественной науки и промышленности.
Помимо непосредственного применения системы ультразвукового контроля для дефектометрии контейнеров с ОЯТ, создаваемая технология может быть использована для количественного контроля конструкционных материалов с аустенитными или неоднородными сварными
швами, например сварные швы магистральных труб газо- и нефтепроводов. Одна из ключевых характеристик системы – синтетическая фокусировка по всему объему контроля также позволит производить количественный контроль дефектов в композиционных и полимерных материалов высокой прочности, которые все более широко применяются в качестве конструкционных материалов.
Созданный макет установки, позволит приступить к разработке промышленных образцов системы, которые уже в свою очередь могут быть проданы конечным потребителем или же переданы в аренду через индустриального партнера ПНИ.
Измерительные преобразователи, которые будут созданы в ходе реализации проекта, могут являться отдельным коммерческим продуктом, готовым к выходу на рынок непосредственно после реализации ПНИ.
Оригинальный алгоритм томографической реконструкции, также может выступать в качестве обособленного продукта для выхода на рынок.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет продолжительное время сотрудничает ФГУП ФЯО «Горно-химический комбинат» в сфере науки и образования. Ряд сотрудников ГХК обучается в аспирантуре ТПУ, что способствует совместному решению актуальных на производстве научно-исследовательских задач. В том числе одной из таких задач является обеспечение безопасного
хранения ОЯТ в «сухом» хранилище ГХК. Представители ГХК однозначно высказывали необходимость реализации количественного метода неразрушающего контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ для анализа остаточного ресурса упаковки и своевременного выявления необходимости ремонта или замены. На сегодняшний день Горно-химический комбинат - единственное предприятие в России,
реализующее перспективную систему сухого хранения ОЯТ. Уникальное хранилище, находящееся в статусе опытно-демонстрационного центра международного уровня, имеет необходимость внедрения в производство передовых мировых технологий, которой и является предлагаемая к разработке технология контроля сварных соединений.
ООО «ИнТех» выступит в роли индустриального партнера ТПУ в рамках выполнения этого проекта. Это малое инновационное предприятие, созданное по 217-ФЗ в декабре 2013 г., разрабатывает передовые технологии ультразвукового неразрушающего контроля и обладает кадрами необходимой для выполнения проекта квалификации и финансовыми ресурсами. Предприятие было создано в рамках реализации одной из основных задач Международной научно-образовательной лаборатории неразрушающего контроля ИНК ТПУ: коммерциализация знаний и разработок.
На данный момент немецкая фирма I-Deal technologies GmbH заключила двухлетний контракт с ООО "Интех" на разработку и производство многослойных измерительных преобразователей с встроенным модулем позиционирования. Средства от данного контракта, будут использованы в качестве софинансирования настоящего ПНИ. Все эти работы будут выполняться при участии потенциального заказчика ФГУП ФЯО «Горно-химический комбинат» (г. Железногорск) (ГХК), которое является единственным предприятием в России, реализующим перспективную систему сухого хранения ОЯТ и нуждающимся во внедрении в производство новых инновационных методов контроля
сварных соединений контейнеров. Представляемый проект направлен на решение задач, сформулированных в программе «Создание
инфраструктуры и обращения с ОЯТ на 2011-2020 годы и на период до 2030 года», и представляет большой интерес для ГХК, так как уже через 1 год будет разработан автоматизированный комплекс неразрушающего количественного контроля накопления дефектов в контейнерах с ОЯТ, что позволит оценить текущее состояние и остаточный срок эксплуатации контейнеров в режиме реального времени.
ФГУП ФЯО «Горно-химический комбинат» обладает необходимыми материально-сырьевыми и финансовыми ресурсами, кадрами необходимой квалификации, а также производственными мощностями и инфраструктурой, необходимыми для участия в ПНИ в качестве потенциального заказчика.
Индустриальный партнер планирует предлагать результаты ПНИР на западный рынок, где имеется ряд компаний серийно производящих контейнеры сухого хранения ОЯТ (Westinghouse, Skoda, Posiva). Продвижение на европейский рынок будет реализовано в тесном сотрудничестве с компанией I-Deal Technologies GmbH (Германия), которая имеет положительный опыт коммерциализации РИД. С целью продвижения продукта на рынок, разработчики будут принимать участие во всероссийских и международных профильных выставках (Control, NDT и т.д.), представлять результаты на научно-практических конференциях и семинарах (Обращение с отработавшим ядерным топливом в России, Waste Management, Annual ESARDA meeting, International Conference on Management of Spent Fuel from Nuclear Power Reactors, INMM Spent Fuel Management Seminar), а также публиковать свои результаты в профессиональных и научных изданиях.

Текущие результаты проекта:
1) Проведен аналитический обзор и патентный поиск по направлению ПНИР. Осуществлен выбор дальнейшего направления исследования: математическое моделирование распространения акустических волн изотропных и анизотропных материалах сложной геометрии и дальнейшее развитие технологии ультразвуковой томографии Digital Focus Array.
2) Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы сo стандартизированными дефектами и сварными соединениями: образцы из стали содержат по 3 выреза (глубиной 10, 4, 2 мм, углами наклона 0, 10, 20, 30, 40 и 50 градусов).
3) Разработана и собрана лабораторная установка ультразвукового контроля.
4) Проведены исследования изготовленных экспериментальных образцов на лабораторной установке: лучшие показания были достигнуты с применением 5 МГц датчика (продольные волны, 16 элементов, угол наклона 60 градусов). Все вырезы были точно определены с помощью метода Digital Focus Array, а их глубина и углы корректно реконструированы в В-сканы. Цилиндрическое отверстие в шве и в основном материале так же удалось точно реконструировать.
5) Разработаны научно-технические основы и алгоритмы томографической реконструкции изображений сварных соединений контейнеров с ОЯТ. Приведены принципы тактирования фазированных антенных решеток и последующей реконструкции секторных и пространственных разверток. Разработан способ применения графических ускорителей для реконструкции томографического изображения в режиме реального времени.
6) Создано программное обеспечение, реализующее принципы ультразвуковой томографии и позволяющее осуществлять управление системой и обработку полученных акустических данных. В состав ПО вошли следующие модули: модуль управления блоком электроники УЗК с фазированной антенной решеткой, модуль управления автоматизированным манипулятором, модуль томографической реконструкции и модуль визуализации на базе графических ускорителей.
7) Изучены особенности конструкции объекта контроля, пенала для хранения ОЯТ, акустические свойства конструкционной стали 12Х18Н10Т. Объект контроля имеет анизотропную структуру, что затрудняет использование стандартных преобразований для обработки акустических сигналов. Проведено моделирование распространения акустических волн с учетом особенностей объекта контроля, создана модель сварного соединения и рассчитана траектория прохождения волны в структуре материала с учетом закона преломления на границе поперечно-изотропных зон модели.
8) В целях эффективного томографического контроля рассмотрены механизмы деградации сварного соединения объекта контроля и возможные дефекты данной структуры. Дефекты объединены в библиотеку с описанием зависимости допустимых размеров дефекта, класса качества сварного соединения и геометрических параметров объекта контроля. Создана база данных стандартизированных дефектов при участии ФГУП ФЯО «Горно-химический комбинат», выступающего в роли потенциального заказчика. В разработанной базе данных объединены требования заказчика по допустимым типам и размерам несплошностей объекта контроля и требования к стандартным образцам предприятия с эквивалентными отражателями, которые позволяют эффективно настроить чувствительность ультразвукового томографа к искомому типу дефекта.
9) Разработаны основы ультразвуковой томографии и оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ, учитывающие структуру и особенности конструкционного материала контейнеров с ОЯТ.
10) Разработаны алгоритмы автоматического обнаружения и распознавания дефектов сварных соединений контейнеров с ОЯТ, включающие определение размеров дефектов, их позиционирование, группировку и анализ с помощью кривой.
11) Разработана методика количественной оценки дефектов сварных соединений контейнеров с ОЯТ.
12) Разработана методика оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ, основанная на результатах неразрушающего контроля с решением задач выбора и адаптации математического аппарата оценки остаточного ресурса, проведения апробации предлагаемой методики на основе данных о допустимых производственных дефектах, выработки критериев по размеру эффективного сечения сварного соединения, содержащего несплошность и установление допустимой плотности скопления несплошностей на участке сварного соединения.
13) Проведено исследование и выбор наиболее эффективных способов создания автоматизированной системы ультразвуковой томографии.
14) Разработана функциональная схемы блока ультразвуковой электроники системы для УЗК сварных соединений контейнеров с ОЯТ, включающая в себя генератор импульсов, аттенюатор, 2 усилителя, перестраиваемый активный фильтр, предусилитель, управляющий интерфейс.
15) Разработана структурная схемы макета автоматизированной ультразвуковой системы томографического контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ, состоящая из 3 основных подсистем: измерительной подсистемы, управляющей подсистемы и вычислительной подсистемы. Подсистемы соединены между собой специальной системой кабелей, таким образом, что подсистемы могут обмениваться между собой данными, управляющими сигналами и информационными сообщениями в реальном времени.