Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0048

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0048
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Название доклада
Разработка технологии диагностики и оценки остаточного ресурса контейнеров с отработавшим ядерным топливом на базе метода ультразвуковой томографии
Докладчик
Лидер Андрей Маркович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является создание передовой технологии оценки эксплуатационного ресурса объектов атомной энергетики на базе ультразвуковой томографии на примере контейнеров с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ).
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Разработка технологии контроля сварных соединений и основного материала контейнеров с ОЯТ;
- Разработка методики оценки остаточного ресурса контейнеров с ОЯТ на основе данных томографической реконструкции изображений;
- Создание автоматизированной системы контроля сварных соединений и основного материала контейнеров с ОЯТ;
- Подготовка технического задания на выполнение ОКР.
Актуальность и новизна исследования
Атомная энергетика (АЭ) в настоящее время является наиболее перспективным источником энергии для обеспечения жизнедеятельности человека. Даже не смотря на отказ ряда стран, таких как Япония и Германия от эксплуатации атомных электростанций (АЭС), удельный вес АЭ растет в масштабах глобального энергопроизводства.
В то же время, для обеспечения экологически безопасного и эффективного использования атомной энергии актуальным вопросом является переход на замкнутый ядерно-топливный цикл. На сегодняшний день Россия лидирует по разработкам в данном направлении.
Сроки хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) зачастую намного превышают проектируемое время эксплуатации АЭС. Поэтому на первый план, выходят вопросы обеспечения безопасности хранения, в том числе надежности контейнеров, применяемых для этих целей.
В связи с этим, в результате проведенного исследования разработана технология эффективного 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 предлагается применять алгоритмы наложения так называемых дифракционных сигналов, основанных на принципе синтетической фокусировки апертуры.
Описание исследования

В ходе проведения ПНИЭР разработана технология диагностики и оценки остаточного ресурса контейнеров с отработавшим ядерным топливом на базе метода ультразвуковой томографии. 

По результатам патентного поиска был осуществлен выбор направления исследования, а именно исследование распространения акустических волн в материалах сложной геометрии и дальнейшее развитие технологии ультразвуковой томографии Digital Focus Array. В ходе исследования разработаны научно-технические основы и алгоритм томографической реконструкции изображений сварных соединений контейнеров с ОЯТ. Создан метод применения графических ускорителей для реконструкции томографического изображения в режиме реального времени.

Для проведения лабораторных испытаний предлагаемого метода разработана и собрана лабораторная установка ультразвукового контроля, на которой в дальнейшем проведены исследования изготовленных экспериментальных образцов. Испытания показали, что наиболее точные результаты достигаются применением датчика с частотой 5 МГц (продольные волны, 16 элементов, угол наклона 60 градусов). При этом все вырезы 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.

Основой автоматизации процедуры контроля послужило созданное программное обеспечение, реализующее принципы ультразвуковой томографии и позволяющее осуществлять управление системой и обработку полученных акустических данных. В состав ПО вошли следующие компоненты:

- модуль управления блоком электроники УЗК с фазированной антенной решеткой,

- модуль управления автоматизированным манипулятором,

- модуль томографической реконструкции

- модуль визуализации на базе графических ускорителей.

Программное обеспечение ультразвуковой томографии позволяет реализовать автоматическое определение размера и распознавание типа дефекта. В ходе исследования изучены особенности пенала для хранения ОЯТ и акустические свойства конструкционной стали 12Х18Н10Т и создана база данных возможных дефектов.

с целью достоверной оценки характера распространения акустических волн проведено моделирование 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.

Также были систематизированы и объединены в библиотеку типы возможных дефектов сварного соединения объекта контроля.

На основе разработанной методики количественной оценки вклада дефектов в снижение прочности сварного шва разработан поэтапный алгоритм оценки остаточного ресурса пенала для хранения ОЯТ.

Практическая часть работы была посвящена разработке макета ультразвуковой системы томографического контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ. Макет дефектоскопа позволяет фиксировать наличие дефектов типа несплошность, не провар, включение. А результаты контроля предоставляются в графическом виде на экране дисплея персонального компьютера.

Макет дефектоскопа состоит из следующих подсистем:

- блок акустический,

- блок механического сканирования,

- измерительный тракт,

- прикладное программное обеспечение.

Также осуществлено изготовление многоэлементных измерительных преобразователей фазированных антенных решеток.

Проведение лабораторных испытаний макета автоматизированной системы ультразвуковой томографии по разработанной программе и методикам исследовательских испытаний позволило оценить эффективность разработанной системы и сформировать соответствующие рекомендации по возможности полученных результатов. 

Результаты исследования

Основные достигнутые результаты выполнения проекта:

- Разработана и собрана лабораторная установка ультразвукового контроля

- Разработаны научно-технические основы и алгоритмы томографической реконструкции изображений сварных соединений контейнеров с ОЯТ.

- Создано программное обеспечение, реализующее принципы ультразвуковой томографии и позволяющее осуществлять управление системой и обработку полученных акустических данных

- Создана база данных стандартизированных дефектов при участии ФГУП ФЯО «Горно-химический комбинат»

- Разработана функциональная и принципиальная схемы блока ультразвуковой электроники. Предложены ключевые элементы устройства и описаны их основные технические характеристики.

- Создана структурная схема ультразвукового томографа. Томограф условно подлежит делению на три основных подсистемы: измерительная, управляющая и вычислительная.

- Разработаны программы и методики исследовательских испытаний макета автоматизированной ультразвуковой системы томографического контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ.

- Разработан и изготовлен блок управления, измерительный тракт и акустический тракт автоматизированной УЗС томографического контроля сварных соединений контейнеров с ОЯТ.

- Изготовлен макет автоматизированной системы ультразвуковой томографии контейнеров с ОЯТ и многоэлементные измерительные преобразователи фазированных антенных решеток

- Проведены лабораторные испытаний макета автоматизированной системы ультразвуковой томографии по разработанной программе и методикам исследовательских испытаний.

- Разработаны рекомендации по возможности использования результатов проведенных работ в реальном секторе экономики.

Практическая значимость исследования
Разработанная технология планируется к внедрению на базе ФГУП ФЯО «Горно-химический комбинат» (ГХК). Томский политехнический университет продолжительное время сотрудничает с 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 ГХК – 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. В ходе выполнения работы были сформулированы соответствующие рекомендации.
Помимо контроля контейнеров для хранения ОЯТ, возможно применение технологии для оценки остаточного ресурса нефте- и газопроводов. Также программа томографической реконструкции изображений может выступать отдельным продуктом для коммерциализации.
В ходе выполнения работ на основе полученных научных знаний и разработанной технологии контроля исполнителями были защищены 2 диссертационные работы на соискание ученой степени кандидата наук. После окончания сроков реализации проекта планируются к защите еще 2 диссертационные работы.
Полученные в ходе выполнения работ знания и научные результаты послужили основой для научных публикаций. Исполнителями работ было опубликовано 8 статей в рецензируемых журналах (Scopus, Web Of Science), а также оформлено 4 объекта интеллектуальной собственности.