Аблеев Лабораторный практикум Безопасност 2007

чивает необходимой точности измерения величины зазора ±0,1 мм, особенно на стадии его исчерпания. Для решения данной задачи было необходимо разработать внутриканальное устройство, позволяющее измерять величину зазора через стенку ТК, после выгрузки из него топливной кассеты во время проведения профилактических работ на остановленном реакторе. Однако многочисленные попытки создания такого устройства со стороны ряда организаций не увенчались успехом.

В настоящей лабораторной работе изучается оригинальный ультразвуковой резонансный метод, чувствительный к величине площади фактических пятен контакта между ТК и наружными графитовыми кольцами. С его помощью можно проводить измерения в наиболее ответственных случаях — при небольших зазорах в диапазоне 0 — 0,5 мм.

Возможность применения контактного метода для измерения зазора обусловлена неизбежным нарушением осевой симметрии в системе канал-отверстие в блоке и появлением пятен контакта между ТК и наружными графитовыми кольцами задолго до исчерпания зазора. К нарушениям осевой симметрии в общем случае можно отнести:

–несоосное расположение ТК в отверстии графитового блока, ТК одним боком прижат к графитовому блоку;

–овальность колец вследствие их деформации в результате действия внутренних термонапряжений, обусловленных неравномерным радиационным нагревом в расхоложенном реакторе, а также под действием усилий, возникающих при усадке графитового блока;

–эллиптичность сечения ТК и отверстий в блоках, возникающая при их длительной эксплуатации.

Во всех перечисленных случаях по мере уменьшения зазора между ТК и наружными кольцами увеличивается фактическая площадь контакта между ними. Проведем нижнюю оценку величины площади контакта ТК — наружное кольцо в зависимости от зазора, предполагая лишь их несоосное взаимное расположение.

На рис. 2 условно изображено сечение ТК 1 в зоне наружного графитового кольца 2. Будем считать, что контакт между трубой и кольцом происходит по дуге АВ с угловым размером ϕ — угол

51

контакта, определяемым расстоянием δ0 . Если расстояние между трубой и кольцом δ<δ0 , будем говорить об их контакте, если δ >δ0 , — о наличии зазора.

2

2∆

1

Рис. 2. Характер контакта ТК 1 и наружного графитового кольца 2 при их несоосном расположении

Предположим, что труба и графитовое кольцо имеют идеальную геометрическую форму и обладают шероховатостью с высотой неровностей порядка δ0 . В этом случае зазор ∆ , угол ϕ и параметр

шероховатости δ0 связаны соотношением

контакта ϕ изменяется незначительно. Однако при ∆ <0,4 мм он начинает быстро возрастать с уменьшением ∆ . Оценка параметра шероховатости δ0 дает δ0 ≈ 10 — 20 мкм. Таким образом, угол контакта ϕ заметно меняется при уменьшении зазора при ∆ <0,4 мм. Определив угол контакта ϕ, можно оценить зазор ∆ .

52

Для практической реализации предложенного подхода используются окружные моды резонансных колебаний ТК в зоне контролируемого кольца. Выбор окружных мод обусловлен возможностью их локализации на кольцевом участке трубы высотой порядка высоты одного графитового кольца 20 мм. В качестве информативных параметров используются следующие характеристики резонансных пиков — добротность Qn , амплитуда An и резонансная

частота fn , где n — целое число, номер гармоники. Рассмотрим

подробней влияние площади контакта графитового кольца на резонансные характеристики ТК.

Добротность Qn определяет диссипативные свойства колеба-

тельной системы, в нашем случае участка трубы, при колебании на n -й гармонике

где Wn — энергия, запасенная в участке трубы в течение одного периода; ∆Wn — потери энергии за один период колебаний. Поте-

ри энергии аддитивны и в нашем случае могут быть представлены в виде

∆Wn = ∆Wn,1 +∆Wn,2 ,

где ∆Wn,1 — потери энергии на излучение в графитовое кольцо; ∆Wn,2 — остальные потери энергии, включающие внутреннее тре-

ние материала трубы, излучение акустической волны в воду и излучение вдоль образующей трубы.

При контакте потери ∆Wn,1 пропорциональны площади контак-

Здесь Qn−,12 — слагаемое, не зависящее от акустического излучения

через контакт. Учитывая, что S = 2πRh , где R и h — внутренний радиус и высота графитового кольца, из (1) и (4) находим

53

практически не зависимый от условий возбуждения и регистрации колебаний. Полученное выражение аналогично (1), в котором вместо угла ϕ содержатся измеряемые в эксперименте значения доб-

ротностей Qn, 2 и Qn .

Аналогичные результаты можно получить и для амплитуды ко-

где An, 2 — амплитуда колебаний на свободном от колец участке трубы; An — амплитуда колебаний при наличии контакта; Ln — коэффициент, введенный по аналогии с множителем Pn . Однако в отличие от Pn коэффициент Ln зависит от условий контроля, что

характерно для любых амплитудных измерений. Например, изменение расстояния между ультразвуковым датчиком и поверхностью ТК приводит к изменению Ln и, следовательно, регистрируе-

мой амплитуды An . Множители Pn и Ln определяются экспери-

ментально для каждой гармоники при градуировке установки на испытательном стенде.

Подводя итог обоснованию методики измерения зазора в системе «канал-графит», можно сформулировать следующие выводы:

1.При несоосном расположении ТК и наружных колец угол их контакта определяется шероховатостью кольца и величиной зазора.

2.Чувствительность контактного метода контроля к величине зазора повышается по мере уменьшения последнего.

3.Любые нарушения центральной симметрии в системе ТКотверстие блока повышают чувствительность контактного метода к величине зазора.

4.Для контроля целесообразно использовать добротность и (или) амплитуду окружных резонансных механических колебаний,

которые можно локализовать на кольцевом участке трубы h 20 мм, равным высоте одного графитового кольца.

54

Методика проведения измерений в настоящей лабораторной работе основана на моделировании внутриреакторных условий уменьшения зазора путём равномерного обжатия наружного кольца с помощью хомута. При этом благодаря разрезу кольцо деформируется овально (см. рис. 3), что приводит к нарушению осевой симметрии в системе «ТК-графитовое кольцо». Контактное взаимодействие в этой системе начинается в направлении малой оси овала кольца Φ2 — перпендикулярно к разрезу. Подобный характер деформации колец реализуется при любом способе их сжатия и определяется наличием разреза. Дальнейшее сжатие колец приводит лишь к уменьшению большой оси Φ1 , поскольку в направлении перпендикулярно к разрезу реализуется жесткое контактное взаимодействие графитового кольца с ТК.

Рис. 3. Геометрия наружных графитовых колец при контакте с ТК на стадии исчерпания зазора (Φ1 > Φ2 )

Назовём промежуток времени от начала контакта «ТКнаружные кольца» до установления нулевого зазора «стадией исчерпания зазора». На этой стадии зазор ∆ может быть измерен как

55

56

Описание установки

Структурная схема измерительного стенда показана на рис. 5. Стенд представляет собой натурный фрагмент циркониевой трубы ТК 1 с надетыми на неё поочерёдно внутренними 2 и наружными 3 кольцами и заглушенным внизу втулкой 4. Внутрь трубы налита вода. На одном из наружных колец надет обжимной хомут 5. Ультразвуковой зонд представляет собой корпус 6 с надетыми центрирующими втулками-демпферами 7 и двумя пьезопреобразователями — возбуждающим колебания ТК 8 и принимающим их 9. Сигнал с приемного преобразователя поступает на предусилитель 10 и далее на вход прибора для исследования амплитудно-частотных характеристик 11. Частотомер 12 служит для измерения частоты колебаний.

10

11

3 12

2

5

6

1

7

4

8

9

Рис. 5. Структурная схема измерительного стенда

57

Объект контроля. Средняя часть технологического канала (сб. 31), включающая трубу канала из сплава Zr + 2,5 % Nb (сплав

Э125 с ТМО-1 или ТМО-2) с внутренним диаметром 80−−10..57 мм и толщиной стенки 4,0−−0,30,4 мм расположена в графитовой кладке

(сб. 05) (14 графитовых блоков высотой 200, 300, 500 и 600 мм). Между циркониевой трубой ТК и графитовыми блоками в активной зоне реактора расположены графитовые кольца:

графитовое кольцо внутреннее (дет. 12 — 3):

–внутренний диаметр кольца — 88+0,23 мм;

–наружный диаметр — 111−0,23 мм; графитовое кольцо наружное (дет. 12 — 4):

–внутренний диаметр кольца — 91+0,23 мм;

–наружный диаметр — 114−0,23 мм.

Основные технические характеристики установки

Порядок выполнения работы

На испытательном стенде необходимо построить градуировочную зависимость «зазор — амплитуда резонансного пика». С учебной целью работа проводятся с минимальной автоматизацией контрольно-измерительных операций.

1.Собрать установку согласно рис. 5.

2.Налить воду в ТК до уровня не более 2/3 от его высоты

58

(Внимание! Недопустимо попадание воды на внешнюю сторону ТК.)

3. С помощью хомута установить нулевой зазор, соответствующий плотному облеганию наружным кольцом ТК. При этом

Φ1 = Φ2 (рис. 3).

4.Осторожно, чтобы не выплеснулась вода из ТК, опустить зонд внутрь вниз до упора.

5.Установить на приборе для исследования АЧХ диапазон частот 45 — 60 кГц.

6.Ручкой усиления выходного сигнала добиться, чтобы на экране прибора наблюдались резонансные пики окружных колебаний.

7.Поднимая зонд вверх, установить его напротив зажатого кольца. При этом на экране должна наблюдаться минимальная амплитуда резонансных окружных колебаний, указывающая на исчезновение резонансов.

8.Закрепить зонд на указанной высоте.

9.С помощью штангенциркуля произвести измерения вели-

чины разреза кольца Hn,i , i =1, 2, 3… — номер зазора (индекс «0» соответствует нулевому зазору); n — номер измерения (рис. 3).

10.Повторить каждое измерения Hn,i не менее 5 раз. Записать значения Hn,i в таблицу.

11.На экране измерить значения амплитуды Ai на одной из резонансных частот, соответствующее выставленному зазору i . Записать значение Ai в таблицу.

12.Ослабить хомут, увеличив разрез кольца приблизительно на 0,2 мм.

13.Пошагово повторить пп. 10 — 13 до тех пор, пока амплитуда сигнала не перестанет увеличиваться.

14.Вычислить средние значения разреза Hi и среднеквадра-

тичное отклонение этой величины для каждого этапа измерений. 15. Вычислить средние значения амплитуд Ai и среднеквадра-

тичное отклонение этой величины для каждого этапа измерений. 16. Вычислить значения зазора δi по формуле

δi =0,59 (H − H0 ).

59

17.Занести полученные данные Ai и δi в электронную форму, созданную в программе Exel.

18.Построить график зависимости Ai = Ai (δi ).

Контрольные вопросы

1.Опишите конструкцию активной зоны РБМК.

2.Какую роль выполняет газовый зазор «ТК-графит» в работе реактора?

3.В чем заключается опасность нулевого зазора?

4.Каковы физические основы ультразвукового неразрушающего метода контроля зазора «ТК-графит» реакторов РБМК?

5.Какие типы осевой асимметрии в расположении ТК-графит возможны в реакторе?

6.Чем характеризуется «стадия исчерпания зазора»?

Список рекомендуемой литературы

1.Лепендин Л. Ф. Акустика. — М.: Высшая школа, 1978. — 448 с.

2.Белянин Л.А. и др. Безопасность АЭС в изобретениях. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 208 с.

3.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.

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

ла, 2004. — 360 с.

5.Диагностика материалов и конструкций: Учеб. пособие / В.М. Баранов, А.М. Карасевич, Г.А. Сарычев. — М.: Высшая шко-

ла, 2007. — 380 с.

60