Акустические измерения в ядерной энергетике - Исследования реакторных металлов и сплавов

Многие материалы, применяемые в реакторостроении, в частности пластичные стали, при нагружении не проявляют столь высокой акустической активности, как, например, хрупкие или композитные материалы. В эксплуатационных условиях, характеризующихся высоким уровнем шумов, это существенно снижает чувствительность и надежность АЭ-метода. В частности, в ряде случаев при испытаниях крупногабаритных моделей стальных корпусов АЭ не удалось зарегистрировать вплоть до разрушения корпуса, хотя лабораторные испытания показали возможность обнаружения АЭ на ранней стадии нагружения соответствующих материалов. Аналогична ситуация и для нержавеющей стали, хотя при нагреве до 400 С амплитуда АЭ-сигналов при ее нагружении возрастает примерно вчетверо по сравнению с комнатной температурой. Это облегчает создание акустических средств контроля быстрых реакторов с жидкометаллическим теплоносителем, особенно при использовании в последних бесшумных электромагнитных насосов.
Для создания системы непрерывного эксплуатационного контроля трубопроводов исследован характер АЭ при статических испытаниях металла трубопроводов Ду800 для АЭС [99]. Так как в отношении зарождения дефектов па трубопроводах наиболее опасны сварные швы, то исследование параметров АЭ при лабораторных испытаниях образцов проводилось на сварных соединениях.
Можно отметить уменьшение скорости счета АЭ-импульсов перед разрушением, наступающим как непосредственно перед разрушением, так и задолго до него. Такое различие можно объяснить значительным разбросом свойств сварных образцов и неоднородностью самого сварного соединения.
Исследования АЭ при ползучести паропроводов электростанций проводили на натуральных трехступенчатых участках труб диаметром 0,18; 0,2 и 0,23 м с толщиной стенки 0,015; 0,026 и 0,04 м соответственно из стали 12Х1МФ. Каждая ступень длиной около 1,2 м подвергалась определенной термообработке. К поверхности каждого участка приваривали несколько волноводов диаметром 3 мм к длиной 0,9 м, к свободным концам которых крепились преобразователи АЭ-импульсов с предусилителями. Нагружение осуществляли перегретым паром температурой 585 и 620 С при давлении 25 МПа (250 кгс/см2). В ходе испытаний участки периодически разгружали и охлаждали, после чего с них снимали теплоизоляцию и проводили визуальный осмотр и дефектоскопию металла.
На участках, подвергнутых действию рабочего напряжения 100—110 МПа (10—11 кгс/мм2), через 400—500 ч после начала третьей (ускоренной) стадии ползучести (а на трубах с напряжением 60—70 МПа значительно позднее) отмечена длительная непрерывная АЭ с большой скоростью счета, которая соответствует интенсивному развитию повреждения металла — лавинному росту микропор и объединению их в микротрещины. Длительность отдельного акта составляла от 0,5 ч до нескольких часов. В этот период в отдельных сечениях труб наблюдались повышенная скорость деформации (до 6—8%) и трещины. При этом локализация пластической деформации в окрестности трещин приводит к уменьшению длительности АЭ до нескольких минут. Непосредственно перед разрушением (образованием сквозной трещины) скорость счета и амплитуда АЭ-сигналов увеличиваются.
Для определения возможности регистрации отмеченных АЭ-сигналов, свидетельствующих о наступающем разрушении металла, на фоне акустического шума, сопровождающего работу трубопроводов в эксплуатационных условиях, было проведено измерение параметров технологических шумов трубопроводов. Измерялись энергетический спектр и плотность вероятности шумов для стационарных и переходных режимов работы оборудования. Для этого к внешней поверхности трубопровода в местах измерений приваривали проволочный волновод с установленным на нем пьезопреобразователем, который соединяли с системой обработки сигналов [119].
Места измерений выбирали исходя из потребности определения шумового фона от различных источников, а также из необходимости контроля потенциально опасных мест. Такими местами являются гибы и сварные швы, особенно в местах соединения с массивными деталями (задвижками, коллекторами и др.). Кроме того, характеристики гидродинамических шумов изучались на стенде с натурными участками трубопроводов.
Общая закономерность зарегистрированных шумов теплоносителя— уменьшение их спектральной плотности в интервале частот 200—600 кГц, составляющее 50 дБ. Спектральная плотность АЭ-сигналов, предшествующих разрушению трубопроводов, превосходит спектральную плотность шума во всех случаях, начиная с частот 250—300 кГц. Гидравлические шумы теплоносителя определяются такими параметрами, как расход, давление и температура теплоносителя, и характеризуются постоянством вида спектра при работе оборудования в стационарном режиме.  На паропроводах блоков мощностью 300 МВт стационарность шумов теплоносителя (при стационарном режиме работы оборудования) проверялась на промежутках времени, исчислявшихся часами. Стационарность определялась по непараметрическому критерию серий и установлена с достоверностью 95%. При переходных режимах, например расхолаживании или разогреве блока, уровень шума значительно меняется во всех контрольных точках.
Результаты исследований АЭ-сигналов на фоне шумов позволили установить связь значений параметров АЭ со степенью поврежденности контролируемых объектов, а также необходимый объем статистической информации при заданной надежности обнаружения и допустимой вероятности ложной тревоги.
Применение разработанной аппаратуры для контроля повреждаемости гибов паропроводов позволило дать рекомендации о дальнейшем использовании оборудования, отработавшего расчетный срок службы.