Аблеев Лабораторный практикум Безопасност 2007

Построить по полученным данным зависимость значений внутреннего трения от радиальной координаты образца.

7. Повторить измерения и вычисления, описанные в пп. 3 — 6, на частоте fи (0,2) изгибных колебаний и на одной из резонансных

частот радиальных колебаний в диапазоне 150 — 200 кГц. Сопоставить между собой значения внутреннего трения, полученные на разных частотах, и дать объяснение причин их возможного различия.

Контрольные вопросы

1.Каковы физические основы ультразвукового спектроскопического метода контроля свойств реакторных материалов?

2.Какие характеристики материала можно определить, регистрируя значения резонансных частот?

3.В чем преимущества и недостатки использования тех или иных резонансных частот для определения характеристик упругости?

4.Укажите источники систематических и случайных погрешностей при определении характеристик упругости и внутреннего трения материалов.

5.Каким образом можно уменьшить погрешности измерения внутреннего трения материала образцов?

Список рекомендуемой литературы

1.Баранов В.М. Акустические измерения в ядерной энергетике. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 340 с.

2.Акустическая диагностика и контроль на предприятиях топ- ливно-энергетического комплекса /В.М. Баранов, А.И. Гриценко, А.М. Карасевич, Е.М. Кудрявцев, В.В. Ремизов, Г.А. Сарычев. —

М.: Наука, 1998. — 304 с.

3.Баранов В.М., Карасевич А.М., Сарычев Г.А. Испытания и контроль качества материалов и конструкций. — М.: Высшая шко-

ла, 2004. — 360 с.

4.Диагностика материалов и конструкций: Учеб. пособие / В.М. Баранов, А.М. Карасевич, Г.А. Сарычев. — М.: Высшая школа, 2007. — 380 с.

21

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

ОЦЕНКА ДЕФЕКТНОСТИ ТОПЛИВНЫХ ТАБЛЕТОК РЕАКТОРОВ ВВЭР

Цель: ознакомление с работой материаловедческой ультразвуковой установки (МУЗА), предназначенной для контроля качества топливных таблеток. Работа проводится на имитаторах топливных таблеток ВВЭР, выполненных из карбида вольфрама.

Теоретическая часть

Разработка материалов атомной техники — длительный процесс, связанный с решением целого комплекса проблем. Особенно это касается топливных таблеток на основе двуокиси урана, эксплуатационные свойства которых сильно зависят от технологии производства. До сих пор нет исчерпывающей теории производства таких таблеток, и изготовители экспериментальным путем подбирают режимы прессования и спекания для каждой партии исходных порошков. Полученные изделия часто оказываются неоднородными и дефектными, что требует контроля их качества. В настоящее время в производственных условиях проводится 100 % контроль внешнего вида таблеток (визуально) и выборочный контроль ряда характеристик в лабораторных условиях. При этом отсутствует массовый контроль однородности и дефектности таблеток. В настоящей лабораторной работе изучаются основы работы установки МУЗА, которая решает проблему массового контроля таблеток и находится в опытной эксплуатации на твэльном производстве.

Принцип действия установки основан на взаимосвязи резонансных характеристик контролируемых изделий (резонансных частот fi и добротностей Qi, где i — номер резонансного пика) с дефектностью, плотностью и физико-механическими свойствами (фазовой и структурной однородностью, спеченностью и т.п.) таблеток.

22

Основные технические характеристики установки

В общем виде резонансный спектр изделия произвольной формы является функцией нескольких параметров. Частоты fi собственных колебаний любого изотропного бездефектного тела могут быть представлены в виде:

где Pi (d,υ) — коэффициент формы колебаний на i-й частоте, ко-

торый зависит от геометрии d и коэффициента Пуассона υ изделия; cL — стержневая скорость звука в изделии

E— модуль Юнга, ρ — плотность материала.

Зная коэффициенты формы Pi (d,υ) для каждой частоты i и

скорость звука cL , как функцию плотности ρ, можно по формуле

(1) рассчитать частотный спектр изделия. Для изделий цилиндрической формы, изготовленных из одного материала (например, таблеток), коэффициент формы можно представить в виде

Pi =ρPi (12hki ),

23

где h — высота таблетки; ki — коэффициент i-й моды колебаний,

зависящий от отношения высоты к диаметру таблетки. В случае дефектных таблеток резонансные частоты равны:

Здесь ka — коэффициент, зависящий от степени дефектности таблетки. Для бездефектной таблетки ka =1, что позволяет измерять ее модуль Юнга E .

В свою очередь, соотношение для определения модуля сдвига имеет вид:

где f1 — частота первой крутильной формы колебаний.

Рассмотрим основные виды дефектов и их влияние на резонансные характеристики таблетки.

1. Недоспеченность таблетки приводит к снижению характеристик упругости материала E и, как следствие, к уменьшению ско-

рости звука cL и значений резонансных частот fi . Кроме того, в

этом случае увеличивается затухание упругих волн в материале, что проявляется в уменьшении добротности колебаний Q .

2.Распад твёрдого раствора в таблетках с добавками (например, окислов гадолиния, используемых в качестве выгорающего поглотителя) приводит к возникновению внутренних напряжений и к уменьшению добротности Q .

3.Равномерная пористость (пониженная плотность) приводит к снижению характеристик упругости таблетки и уменьшению значений скорости звука и резонансных частот. Добротность при этом уменьшается незначительно.

4.Влияние отдельных трещин, пор и других локальных дефектов на резонансные характеристики зависит от их положения относительно пучностей (поверхностей с максимальной амплитудой смещения точек тела) и узлов (поверхностей с минимальной амплитудой смещения) колебаний таблетки на данной резонансной частоте. Если дефект расположен в узле колебаний, резонансная частота уменьшается, так как наличие дефекта эквивалентно сни-

жению жесткости таблетки. При этом ka >1. Если трещина распо-

24

ложена в пучности колебаний, то она слабо влияет на значение резонансной частоты. Сколы приводят к повышению частот, так как располагаются, как правило, на кромках таблеток, т.е. в пучности колебаний, что эквивалентно потере массы таблетки. Кроме того, влияние отдельных дефектов или их скоплений на резонансные характеристики таблеток может проявляться в так называемом расщеплении изгибных частот колебаний. Поясним последнее подробней.

Изделия с цилиндрической симметрией формы обладают дважды вырожденными резонансными частотами колебаний. Ими являются частоты изгибных колебаний, формы которых имеют узловые диаметры. Помимо узловых диаметров моды колебаний могут иметь узловые окружности — аксиальные цилиндрические поверхности в пределах образца, а также узловые поперечные плоскости, точки которых не смещаются при колебаниях. В результате воздействия, нарушающего симметрию формы таблетки, вырождение частот может быть снято. Таким воздействием может быть искажение поля динамических упругих напряжений при колебаниях, вызываемое дефектами: трещинами, включениями, крупными порами, а также неравномерно распределенной по таблетке пористостью. Таким образом, если имеется асимметричный относительно оси таблетки дефект, симметрия ее формы понижается. Это проявляется в том, что вместо одной дважды вырожденной частоты в спектре колебаний таблетки появляются две близкие резонансные частоты, разность между которыми зависит от местоположения и размера дефекта.

Вышесказанное иллюстрирует рис. 1, где условно показан участок спектра бездефектной таблетки (а) и таблетки с трещиной —

(б) в области ее нижних резонансных частот ( F — частоты без-

дефектных таблеток, f — дефектных). Резонансные частоты, обозначенные на рис. 1 цифрами 2, 4 и 5 — вырожденные. Низшая частота F1 в спектре резонансных колебаний таблеток — первая крутильная, F2 — первая изгибная, F3 — первая продольная, F4 — вторая изгибная, F5 — третья изгибная.

В табл. 1 представлены данные о характере влияния дефектов на резонансные характеристики топливных таблеток. Наиболее

25

чувствительной к характерным производственным дефектам в таблетках (поперечным трещинам, одиночным порам и т.п.) оказывается первая изгибная мода колебаний f2 , которая используется в

настоящей лабораторной работе как основная. Плотность таблеток определяется по частоте первой крутильной моды f1 , а объемная дефектность (недоспеченность, фазовая неоднородность и т.п.) — по значению добротности Q . Частоты f3 , f4 и f5 , применяемые в

производственных условиях, в настоящей лабораторной работе не используются.

Измерение резонансных характеристик таблеток при повышенных температурах позволяет исследовать их свойства более подробно.

1. Отсутствие температурного гистерезиса резонансных свойств таблеток при нагреве-охлаждении указывает на стабильность их физико-механических свойств в этом температурном диапазоне. Наличие гистерезиса свидетельствует о протекании в таблетках структурных или фазовых превращений:

— нагрев недоспеченных таблеток до температур спекания приводит к росту их модулей упругости и плотности, что приводит к росту резонансных частот fi и добротностей Q до значений, соот-

ветствующих спеченным таблеткам;

— в таблетках, содержащих различные примеси (например, выгорающие добавки), гистерезис указывает на протекание фазовых превращений. Повышение частот и добротностей при изотермических выдержках (при повышенных температурах), как правило, свидетельствует о растворении фаз, а их уменьшение (при более низких, в том числе комнатных, температурах) — об образовании новых фаз.

2. Нагрев неспеченных таблеток позволяет исследовать процессы спекания при высоких температурах.

Таким образом, установка МУЗА позволяет проводить контроль таблеток на всех стадиях их производства.

1.Контроль режимов возгонки связующих и спекания таблеток.

2.Дефектоскопия таблеток на наличие локальных дефектов (трещин, пор и т.п.).

3.Дефектоскопия таблеток на наличие объемных дефектов (недоспеченности, фазовой неоднородности и т.п.).

26

4.Определение плотности бездефектных таблеток.

5.Дефектоскопия таблеток, содержащих объемные дефекты при нагреве-охлаждении.

Рис. 2. Зависимость акустических параметров ki бездефектных таблеток ВВЭР от отношения высоты к диаметру h / d

27

Таблица 1

Влияние дефектов топливных таблеток на их резонансные характеристики

Примечание: ↓↓ — сильно уменьшает; ↓ — уменьшает; ↑ — повышает; 0 — влияет незначительно.

28

На рис. 2 показана зависимость параметров ki от отношения высоты к диаметру для первых пяти частот бездефектных таблеток ВВЭР-1000, где k1 соответствует первой крутильной частоте, k2 —

первой изгибной. Из рис. 2 следует, что отношение частот F2/F1 не зависит от объемных свойств таблеток (плотности, недоспеченности и т.п.) и является линейной функцией высоты бездефектных таблеток одного типоразмера. Для таблеток с одиночными дефектами отношение f2/f1 отклоняется от значений, соответствующих бездефектным таблеткам, что и служит основой методики контроля. На рис. 3 показана экспериментальная зависимость F2 от F1 для таблеток имитаторов из карбида вольфрама. Частоты таблеток с трещинами располагаются ниже прямой рис. 3, то есть мерой дефектности таких таблеток служит отклонение их изгибных частот f2 (треугольные точки) иf21 (круглые точки) от расчетного значения. Так как f21< f2, то именно f21 оказывается наиболее чувствительной к трещинам в топливных таблетках, что служит браковочным признаком в настоящей работе. Точки, расположенные выше прямой, относятся к таблеткам со сколами.

Рис. 3. Зависимость первой изгибной частоты колебаний таблеток-имитаторов (карбид вольфрама) от первой крутильной частоты

29

Таким образом, если F2 − f21 > D , где D — некоторое заданное

число, то принимается решение о дефектности таблетки. Полученные зависимости введены в память ПК и используются при контроле качества таблеток в лабораторных условиях.

Описание установки

Установка состоит из следующих основных элементов (рис. 4):

-возбуждающий пьезопреобразователь 1;

-приемный пьезопреобразователь 2;

-контролируемый образец 3;

-блок электронной обработки (БЭО) 4;

-соединительные кабели (кабели связи и питания) 5;

-персональный компьютер (ПК) типа IBM PC 6 с программами сбора и обработки информации.

Рис. 4. Структурная схема лабораторного измерительного узла

Конструкция измерительного узла

Измерительный узел представляет собой устройство настольного исполнения (рис. 5), состоящее из основания 1, на котором с помощью фиксирующих гаек 2 установлены неподвижные стойки 3, служащие для крепления измерительных элементов установки. Возбуждающий пьезопреобразователь 6 с помощью втулки 5 крепится к подвижной стойке 4, которая фиксируется в стойке 3 с помощью винта 11. Приемный пьезопреобразователь 9 присоединен к подвижному штоку датчика перемещения 10, который в свою очередь крепится к столику стойки с помощью накладок 12 и винтов 13. Контролируемая таблетка 8 устанавливается на эбонитовый столик 7 и зажимается по торцам между шаровыми опорами пьезопреобразователей 6 и 9. Таким образом, узел позволяет проводить измерение спектра колебаний таблеток и их высоты.

30