Регистрация / Вход
Прислать материал

Высокоскоростные оптико-электронные технологии контроля геометрии компонентов перспективных тепловыделяющих сборок

Номер контракта: 14.604.21.0086

Руководитель: Чугуй Юрий Васильевич

Должность руководителя: директор

Докладчик: Власов Евгений Владимирович, младший научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
ядерный реактор, атомная электростанция, тепловыделяющая сборка, тепловыделяющий элемент, топливная таблетка, неразрушающий контроль, бесконтактные измерения, размерный контроль, оптические измерительные технологии, контроль поверхностных дефектов, ядерная безопасность

Цель проекта:
1. Неотъемлемой частью технологического цикла изготовления ТВС (тепловыделяющих сборок) является контроль характеристик элементов сборки: таблеток, оболочек ТВЭЛ (тепловыделяющий элемент), ТВЭЛа в сборе, ДР (дистанционирующих решеток) и др. Среди различных видов контроля этих объектов важнейшим из них является размерный контроль, при котором измеряются их геометрические параметры, а также контроль внешнего вида (контроль поверхностных дефектов) таблеток, оболочек ТВЭЛ и др. Отклонение, например, диаметров ТВЭЛ и диаметров отверстий ячеек от допустимых размеров приводит к повреждению оболочки ТВЭЛ в случае, когда диаметр ячейки меньше диаметра ТВЭЛ, или к вибрации ТВЭЛ, когда диаметр ячейки слишком велик. Это приводит в конечном счёте к преждевременной коррозии ТВЭЛ, что неизбежно ведёт к снижению надёжности и срока службы ТВС. Указанные средства контроля должны быть автоматическими и бесконтактными, иметь высокую точность измерения размеров (разрешение порядка нескольких микрометров), высокое быстродействие (сотни измерений в секунду), большой диапазон измерений (десятки миллиметров). Таким требованиям в наибольшей степени удовлетворяют оптико-электронные средства измерений. Именно их применение способствует повышению надёжности и безопасности ядерного топлива, а также позволяет улучшить управляемость технологического процесса и экономичность производства. 2. Разработка оптико-электронных технологий высокоскоростного контроля компонентов перспективных тепловыделяющих сборок с целью повышения безопасности, надежности и экономичности их производства и эксплуатации.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Изучение состояния и тенденции использования технологий контроля компонентов ТВС на ведущих мировых предприятиях (AREVA, TOSHIBA, WESTINGHOUSE ELECTRIC, ТВЭЛ и др.) по результатам информационного и патентного поиска.
Создание научной и научно-технической основы для создания новых технологий оптико-электронного контроля.
Разработка новых методов и подходов организации производственного контроля компонентов ТВС (таблеток, ТВЭЛов, ДР).
Конструирование экспериментальных стендов, макетов устройств, прототипов базовых измерительных модулей измерительных систем, реализующих разработанные методы высокоскоростного контроля на реальной продукции и её имитаторах.
Получение математических моделей, описывающих формирование сигналов и изображений в оптико-электронных устройствах.
Применение высокоскоростных алгоритмов обработки изображений и измерительной информации, имеющие высокую степень надежности и достоверности работы.
Размещение результатов производственных испытаний отдельных базовых измерительных модулей в производственных условиях (на площадях индустриального партнёра).
Оформление отчетов о проведенных исследованиях и испытаниях, а также рекомендации по применению разработанных технологий производственного контроля на предприятиях атомной отрасли России.
2.1 Экспериментальный образец высокоскоростной системы контроля дистанционирующих решеток перспективных ТВС.
Контролируемые объекты – шестигранные дистанционирующие решетки ТВС моделей (ТВС-2М, ТВС-АЛЬФА, ТВСА-PLUS, ТВС-2006 и др.), квадратные дистанционирующие решетки ТВС-КВАДРАТ.
Контролируемые параметры – диаметры (для ячеек шестигранных ДР), расстояния между противоположными пуклями (для ячеек квадратных ДР), позиционные смещения ячеек, расстояния между центрами ячеек.
2.2 Экспериментальный образец оптико-электронной системы контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
Контролируемые объекты – оболочки ТВЭЛ.
Виды обнаруживаемых дефектов внешнего вида – царапины, задиры, поры, трещины, наколы, инородные включения и другие (в соответствии с атласом дефектов).
2.3 Экспериментальный образец оптико-электронной системы контроля внешнего вида таблеток с измерением глубины дефектов.
Контролируемые объекты – имитаторы топливных таблеток ТВЭЛ.
Виды обнаруживаемых дефектов внешнего вида – трещины, сколы, поры, непрошлифовка и другие (в соответствии с атласом дефектов) – на боковой и торцевых поверхностях таблеток.
2.4 Алгоритмы и аппаратные средства обработки изображений для высокопроизводительного контроля внешнего вида топливных таблеток в реальных производственных условиях.
Контролируемые объекты –топливные таблетки ТВЭЛ.
Виды обнаруживаемых дефектов внешнего вида – трещины, сколы, поры, непрошлифовка и другие (в соответствии с атласом дефектов) – на боковой и торцевых поверхностях таблеток.
При обработке изображений должны быть учтены следующие факторы: запыленность и загрязненность таблеток, изменения цвета.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1.1 Опытный образец высокоскоростной системы контроля дистанционирующих решеток перспективных ТВС.
Контролируемые объекты – шестигранные дистанционирующие решетки ТВС моделей (ТВС-2М, ТВС-АЛЬФА, ТВСА-PLUS, ТВС-2006 и др.), квадратные дистанционирующие решетки ТВС-КВАДРАТ.
Контролируемые параметры – диаметры (для ячеек шестигранных ДР), расстояния между противоположными пуклями (для ячеек квадратных ДР), позиционные смещения ячеек, расстояния между центрами ячеек.
Диапазоны измерений:
- диаметры ячеек – 8,8 – 9,2 мм;
- расстояния между противоположными пуклями ячеек – 9,2 – 9,6 мм;
- позиционные смещения ячеек – до 1,5 мм.
- измеряемая область ячейки по высоте – до 15 мм;
- шаг контроля по высоте – не менее 1 мм.
Погрешности измерений:
- диаметры ячеек – не более ±5 мкм;
- расстояния между противоположными пуклями ячеек – не более ±7 мкм;
- позиционные смещения ячеек – не более ±20 мкм;
- расстояния между центрами ячеек – не более ±30 мкм.
Время контроля одной решетки по всем параметрам – не более 5 мин.
Состав опытного образца высокоскоростной системы контроля ДР перспективных ТВС:
- персональный компьютер;
- стол оператора;
- блок оптико-электронный;
- управляющая программа (на жестком диске персонального компьютера);
- комплект запасных частей, инструмента и принадлежностей;
- комплект эксплуатационной документации.
1.2 Макет оптико-электронной системы контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
Контролируемые объекты – оболочки ТВЭЛ.
Виды обнаруживаемых дефектов внешнего вида – царапины, задиры, поры, трещины, наколы, инородные включения и другие (в соответствии с атласом дефектов).
Параметры контролируемых объектов:
- диаметр – 9 - 9,5 мм;
- длина – до 5 м;
Минимальный размер обнаруживаемого дефекта – не менее 30 мкм;
Погрешность определения положения дефекта - ±0,5 мм;
Время контроля одного ТВЭЛа – не более 1 мин.
Состав макета оптико-электронной системы контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ:
- персональный компьютер;
- стол оператора;
- блок оптико-электронный;
- управляющая программа (на жестком диске персонального компьютера);
- комплект запасных частей, инструмента и принадлежностей;
- комплект контрольных образцов с типовыми дефектами;
- комплект эксплуатационной документации.
1.3 Макет оптико-электронной системы контроля внешнего вида таблеток с измерением глубины дефектов.
Контролируемые объекты – имитаторы топливных таблеток ТВЭЛ.
Виды обнаруживаемых дефектов внешнего вида – трещины, сколы, поры, непрошлифовка и другие (в соответствии с атласом дефектов) – на боковой и торцевых поверхностях таблеток.
Параметры контролируемых объектов:
- диаметр – 7,5 - 8,5 мм;
- длина – 8 – 13 мм;
Минимальный размер обнаруживаемого дефекта – не менее 0,1 мм;
Измеряемая глубина дефектов – до 0,5 мм;
Погрешность измерения глубины дефектов - ±0,1 мм;
Производительность контроля – не менее 1 шт./сек.
Состав макета оптико-электронной системы контроля внешнего вида таблеток с измерением глубины дефектов:
- персональный компьютер;
- стол оператора;
- блок оптико-электронный;
- управляющая программа (на жестком диске персонального компьютера);
- комплект запасных частей, инструмента и принадлежностей;
- комплект контрольных образцов с типовыми дефектами;
- комплект эксплуатационной документации.
1.4 Алгоритмы и аппаратные средства обработки изображений для высокопроизводительного контроля внешнего вида топливных таблеток в реальных производственных условиях.
Контролируемые объекты –топливные таблетки ТВЭЛ.
Виды обнаруживаемых дефектов внешнего вида – трещины, сколы, поры, непрошлифовка и другие (в соответствии с атласом дефектов) – на боковой и торцевых поверхностях таблеток.
Параметры контролируемых объектов:
- диаметр – 7,5 - 8,5 мм;
- длина – 8 – 13 мм.
Минимальный размер обнаруживаемого дефекта – не менее 0,1 мм.
Вероятность обнаружения дефектных таблеток – не менее 0,95.
Производительность контроля – не менее 6 шт./сек.
Программно-алгоритмическая часть должна быть реализована в виде, удобном для её успешного встраивания программную часть разработанных ранее систем контроля внешнего вида топливных таблеток ТВЭЛ.
Аппаратная часть должна встраиваться в разработанные ранее системы контроля внешнего вида топливных таблеток без существенных изменений их конструкции.
При обработке изображений должны быть учтены следующие факторы: запыленность и загрязненность таблеток, изменения цвета.

2.1 Проведен поиск научно-технической информации по методам и устройствам контроля внешнего вида топливных таблеток (ТТ), контроля внешнего вида ТТ с измерением глубины дефектов, контроля дистанционирующих решеток (ДР) и контроля внешнего вида оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ).
2.2 По результатам поиска проведен анализ научно-технической информации, оформленный в виде аналитического обзора (включен в отчет по 1 этапу работ).
Рассмотрены следующие методы контроля элементов тепловыделяющих сборок (ТВС): телевизионный, теневого изображения, светового сечения, конфокальный, интерференционный, точной фокусировки, триангуляционный, структурного освещения.
2.3 Выполнены теоретические исследования приведенных выше методов контроля элементов ТВС.

3. Сопоставление с результатов проводимых ПНИ с аналогичными работами, определяющими мировой уровень, будет производиться путем публикации результатов ПНИ в ведущих отечественных и зарубежных изданиях, а также путем представления результатов ПНИ на научных конференциях и симпозиумах.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов опираются на имеющийся многолетий опыт, кадры (научные, инженерные и конструкторские) и инфраструктуру Исполнителя.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты будут использованы, прежде всего, в атомной отрасли России, а также в других отраслях промышленности – в ракетно-космической, оптико-механической, горно-добывающей, нефтегазовой, машиностроительной, металлургической, приборостроительной, на транспорте, на предприятиях энергетического и оборонно-промышленного комплекса и др. Разработанные методы и системы могут быть эффективно использованы для трёхмерного бесконтактного контроля огромной номенклатуры изделий в технологических линиях их производства. Их применение позволит заметно улучшить качество выпускаемой продукции благодаря автоматизации контрольно-измерительных операций и исключению субъективного фактора при контроле, своевременной отбраковке изделий.

На основании многолетнего опыта использования в атомной отрасли оптико-электронных средств контроля, разработанных в КТИ НП, можно прогнозировать с большой долей вероятности, что внедрение на её предприятиях результатов ПНИ обеспечит дальнейшее повышение надёжности и безопасности тепловыделяющих сборок при их производстве и эксплуатации на АЭС, а также улучшит условия работы персонала на особо опасном производстве сборок для БН-реакторов, где необходимо максимально исключать контакт персонала с изделиями.

На основе результатов исследований возможно будет оформить интеллектуальную собственность.

Возможными потребителями научно-технических результатов ПНИ могут быть производители ядерного топлива для АЭС и исследовательских реакторов в России и зарубежных странах (Госкорпорация «Росатом»). К ним в первую очередь относятся предприятия Топливной компании «ТВЭЛ»: ОАО «Новосибирский завод химконцентратов» (г. Новосибирск), ОАО «Машиностроительный завод» (г.
Электросталь). Также другие предприятия атомной отрасли России, производящие компоненты ТВС: ГНЦ «НИИАР», ПО «Маяк», в перспективе при реализации проекта «Прорыв»: ОАО «СХК» (г. Северск), ФГУП «ГХК» (г. Железногорск). В дальнейшем возможными потребителями могут стать иностранные предприятия атомной отрасли.
Предприятие имеет все необходимые предпосылки (технологические возможности, кадры, многолетний опыт сотрудничества с КТИ НП) для внедрения и освоения новейших оптико-информационных измерительных систем КТИ НП для тепловыделяющих сборок нового поколения. В результате двадцатипятилетнего сотрудничества Института с этим предприятием разработаны и внедрены в технологические линии производства ТВЭЛ и ТВС около десятка оптико-электронных измерительных систем. Их применение позволило значительно улучшить качество выпускаемой предприятием продукции и повысить её конкурентоспособность на мировом рынке атомных технологий.

Текущие результаты проекта:
Результаты проекта за 2014г. :
1. Путем последовательных итераций разработан новый метод обработки изображений торцевых частей топливных таблеток, который позволяет повысить надежность обнаружения дефектных таблеток. При разработке использовалась база данных изображений реальных таблеток, полученных на предприятии Индустриального партнера.
2. Определен алгоритм обнаружения колотых ТТ в процессе их транспортирования, основанный на разности изображений фона (поверхности ленты транспортера) и цилиндрической поверхности ТТ. Алгоритм проверен на реальных таблетках.
3. Определено влияние параметров оптической системы в методе теневого изображения на положение края в теневом изображении.
4. Определено влияние вибрации на погрешность измерения микрорельефа поверхности ТВЭЛ методом дифференциальных интерферограмм.
5. Рассчитаны дифракционные оптические элементы для установки контроля внешнего вида ТТ с определением глубины дефектов по методу структурного освещения.
6. В результате моделирования и расчетов на ЭВМ разработана оригинальная оптическая схема специального объектива для системы контроля ДР.
7. Подана заявка на патент (Завьялов П. С. Объектив для контроля отверстий).
8. Совместно с Индустриальным партнером (ОАО «НЗХК») выработаны технические требования к контролю внешнего вида ТТ, внешнего вида ТТ с измерением глубины дефектов, контролю внешнего вида оболочек ТВЭЛ, контролю ДР.
9. Для создания экспериментальных образцов контрольно-измерительных систем проведен выбор и закупка необходимых комплектующих и материалов, в т.ч. металлопрофиля фирмы Festo, двухкоординатного столика, источников излучения, электронных компонентов, компьютеров.
Разработаны программы и методики экспериментальных исследований методов контроля: внешнего вида ТТ, ДР, ТТ с измерением глубины дефектов, внешнего вида оболочек ТВЭЛ (всего 4 программы и методики).
10. По согласованным техническим требованиям Индустриальным партнером разработана конструкторская документация на контрольные образцы: топливных таблеток с дефектами внешнего вида, с нормированной глубиной дефектов, ДР, оболочек ТВЭЛ (всего 4 ком-плекта).

Результаты проекта за 2015г. :
1. Разработаны алгоритмы обработки изображений для контроля внешнего вида топливных таблеток (ТТ), контроля геометрии дистанционирующих решеток (ДР), контроля ТТ с измерением глубины дефектов и контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
2. Проведены на лабораторных макетах экспериментальные исследования предложенных методов контроля внешнего вида ТТ (метод темнового изображения и телевизионный метод) и экспериментальные исследования предложенного метода контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ (телевизионного метода).
3. Разработана КД на аппаратные средства получения и обработки изображений для контроля внешнего вида ТТ, на экспериментальные образец высокоскоростной системы контроля дистанционирующих решеток (ДР), на экспериментальный образец системы контроля ТТ с измерением глубины дефектов и на экспериментальный образец системы контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
4. Разработано программное обеспечение (ПО) обработки изображений для контроля внешнего вида ТТ и контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
5. Изготовлен и паспортизован комплект контрольных образцов (КО) ТТ с дефектами внешнего вида.
6. Разработаны алгоритмы обработки изображений для контроля ДР, внешнего вида ТТ, в т.ч. с измерением глубины дефектов и внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
7. Разработана КД на аппаратные средства контроля внешнего вида ТТ, экспериментальные образцы систем контроля ДР, внешнего вида оболочек ТВЭЛ, внешнего вида ТТ с измерением глубины дефектов.
8. Опубликованы две поданные на первом этапе работ статьи.
9. Подана заявка на патент «Способ обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов», авторы: П. С. Завьялов, Л. В. Финогенов, Д. Р. Хакимов.
10. Ведется изготовление аппаратных средств получения и обработки изображений для контроля внешнего вида топливных таблеток.
11. Ведется изготовление экспериментального образца системы контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
12. Ведется изготовление оптических элементов для проведения на лабораторных макетах исследований предложенного метода контроля дистанционирующих решеток.
13. Ведутся экспериментальные исследования на лабораторных макетах предложенного метода контроля топливных таблеток с измерением глубины дефектов.
14. Ведется разработка ПО экспериментального образца высокоскоростной системы контроля дистанционирующих решеток.
15. Разработано ПО экспериментального образца системы контроля топливных таблеток с измерением глубины дефектов в части контроля торцевых поверхностей таблеток. В части контроля боковой поверхности разработка ПО ведется.
16. Ведется изготовление контрольных образцов дистанционирующих решеток.
17. Изготовлены контрольные образцы топливных таблеток с нормированной глубиной дефектов для системы контроля таблеток по глубине дефектов.
18. Разработаны программы и методики испытаний программной и аппаратной частей:
программно-аппаратных средств обработки изображений топливных таблеток;
экспериментального образца высокоскоростной системы контроля дистанционирующих решеток;
экспериментального образца системы контроля топливных таблеток с измерением глубины дефектов;
экспериментального образца системы контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
19. Разработаны программы и методики испытаний экспериментальных образцов контроля компонентов перспективных тепловыделяющих сборок – топливных таблеток в т.ч. с контролем глубины дефектов, дистанционирующих решеток, оболочек ТВЭЛ.
20. Изготовлены контрольные образцы топливных таблеток с нормированной глубиной дефектов для системы контроля таблеток по глубине дефектов.
21. Оформлена и подана статья «Специализированная оптическая система для контроля качества цилиндрических поверхностей» в журнал «Дефектоскопия» (получена редакцией 10.08.2015 г. № рег. 241.) Авторы: Завьялов П.С., Финогенов Л.В., Власов Е.В.