СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ ДАВЛЕНИЯ КОНТАКТНОГО ГРАФИТОВОГО КОЛЬЦА НА ЦИРКОНИЕВУЮ ТРУБУ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ КАНАЛЕ РЕАКТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G21C17/17 

Изобретения относятся к регулированию параметров реакторных установок (РУ) и, в частности, могут быть использованы для определения силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале (ТК) реактора РБМК (реактор большой мощности канальный) на атомных электростанциях (АЭС).

Известен взятый в качестве прототипа ультразвуковой способ определения силы давления графитового кольца на циркониевую трубу (Научно-исследовательская работа (НИР) П/Я Р-6476 от 30.12.1988 г.), который основан на регистрации волны Лемба при резонансе в диапазоне частот f=250 кГц - 500 кГц. При этом подвергают ультразвуковому воздействию акустическую систему, состоящую из циркониевой трубы, заполненной водой и демпфируемой графитовыми кольцами. Силу давления графитового кольца на стенку трубы доводят до 46 кг. За счет поглощения волны Лемба регистрируют только касание графитового кольца стенки трубы. Полученные данные обрабатываются на персональном компьютере (ПК).

Недостатками данного способа определения силы давления графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале реактора являются:
1. Снижение безопасности и надежности работы РУ вследствие недостаточного контроля контакта между внутренней поверхностью графитового кольца и внешней стенкой циркониевой трубы в технологическом канале реактора из-за возможности регистрировать только касание графитового кольца стенки трубы при силе давления кольца в 46 кг.

2. Снижение точности и экономичности работы РУ вследствие низкой точности измерения силы давления графитового кольца на циркониевую трубу, которая не позволяет проводить диагностику и прогнозирование состояния технологических каналов в результате многолетней работы реактора.

В той же НИР описано устройство для определения силы давления графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале реактора, наиболее близкое к предлагаемому. Это устройство содержит излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, которые находятся в одном секторе циркониевой трубы напротив разреза в графитовом кольце, расположены под углом и имеют зазор по отношению к внутренней стенке трубы. Излучатель работает под действием генератора, который управляется вручную, в диапазоне частот f=200 кГц - 500 кГц, а приемник подключен к входному усилителю, который, в свою очередь, подключен своим выходом к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), работающему под управлением ПК. Недостатками данного устройства для определения силы давления графитового кольца на циркониевую трубу являются
1. снижение точности и экономичности работы устройства вследствие ручного управления генератором;
2. снижение точности работы устройства вследствие отсутствия предварительной обработки сигнала приемника;
3. снижение надежности и безопасности работы РУ вследствие усложнения конструкции устройства для определения силы давления графитового кольца на циркониевую трубу из-за необходимости жестких требований к расположению излучателя и приемника к "разрезам" в графитовых кольцах;
4. снижение точности работы устройства вследствие отсутствия помехозащищенности;
5. снижение точности работы устройства вследствие отсутствия механизма, отвечающего за место расположения датчиков в трубе.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения безопасности и надежности эксплуатации РУ, а также продление рабочего ресурса при контроле, диагностике и прогнозировании состояния технологических каналов в результате многолетней работы реактора при интенсивном нейтронном облучении и повышенной температуре.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе определения силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу, приемником ультразвуковых колебаний регистрируют акустический сигнал, образующийся от ультразвукового воздействия излучателя на акустическую систему, состоящую из циркониевой трубы, заполненной водой и демпфируемой контактными графитовыми кольцами.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что в акустической системе устанавливают рабочий режим с низкой добротностью и высокой чувствительностью к демпфированию графитовыми кольцами, проводят калибровку шкалы зависимости амплитуды отраженного ультразвукового излучения от силы давления графитового кольца на циркониевую трубу с помощью дополнительного графитового кольца, надетого на трубу, проводят сканирование излучателем и приемником ультразвуковых колебаний циркониевой трубы, демпфируемой графитовыми кольцами, фиксируют величину амплитуды и фазы акустических сигналов, поступающих от графитовых колец, и определяют силу давления графитового кольца на трубу в соответствии с ранее полученной калибровочной шкалой. Кроме того, отличительной особенностью является то, что для установления рабочего режима с низкой добротностью в акустической системе используют частоту ультразвукового сигнала излучателя f=51.2 кГц ± 0.1 кГц, или f= 58.1 кГц ± 0.1 кГц, или f=65.63 кГц ± 0.1 кГц, или f=77.87 кГц ± 0.1 кГц, или f= 89.85 кГц ± 0.1 кГц и амплитуду в размахе 5 В, при этом получают сигнал приемника противофазным относительно сигнала излучателя и с запаздыванием в пределах от 0 до 45^o, что позволяет устанавливать в акустической системе режим вынужденной стоячей волны с амплитудой в диапазоне 0-0.5 В.

В результате практического применения предлагаемого способа повышаются безопасность и надежность, а также экономичность и точность работы РУ за счет возможности определения не только касания, но и непосредственно силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу, что в свою очередь позволит проводить контроль, диагностику и прогнозирование состояния технологических каналов РУ. При этом, как показали лабораторные исследования, целесообразно использовать приведенные в предлагаемом способе параметры ультразвуковых сигналов.

Для получения названного технического результата предлагается устройство, которое, как и наиболее близкое к нему, известное по работе (НИР П/Я Р-6476), включает излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор частот для работы излучателя и модуль преобразования сигнала приемника, содержащий аналого-цифровой преобразователь, работающий под управлением ПК.

Отличительные признаки предлагаемого устройства заключаются в том, что оно дополнительно содержит модуль, включающий втулку, содержащую излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, которые расположены диаметрально противоположно на одной линий, помещаемую в циркониевую трубу при сканировании места расположения графитового кольца, датчик линейного перемещения, фиксирующий положение втулки в трубе, а модуль преобразования сигнала приемника устройства содержит дополнительно усилитель, активный двухполупериодный выпрямитель среднего значения и активный фильтр низких частот, при этом генератор частот для излучателя работает под управлением ПК. Кроме того, особенностью является то, что в устройстве использован кварцевый генератор с дискретностью установления частоты в 32 Гц. В результате практического применения предлагаемого устройства повышается безопасность и надежность, а также экономичность работы реакторной установки за счет повышения точности работы устройства для определения силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале реактора РБМК вследствие предварительной обработки сигнала приемника ультразвуковых колебаний, наличия помехозащищенности устройства, наличия механизма, отвечающего за место расположения излучателя и приемника ультразвуковых колебаний в трубе, наличия компьютерного управления генератором ультразвуковых колебаний, а также за счет упрощения конструкции устройства вследствие отсутствия жестких требований к расположению излучателя и приемника к разрезам в графитовых кольцах. Кроме того, как показали лабораторные исследования, используемый кварцевый генератор частот обеспечивает высокую точность и стабильность при установке рабочего режима по частоте и амплитуде.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - "Устройство для определения силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале реактора" предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - "Способа определения силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале реактора", при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - фрагмент акустической системы, состоящий из циркониевой трубы, заполненной водой и демпфируемой графитовым кольцом при воздушном зазоре между ними, образованным бумажной полосой толщиной 0.2 мм с осциллограммой акустического сигнала; на фиг.2 - фрагмент акустической системы, состоящий из циркониевой трубы, демпфируемой графитовым кольцом с осциллограммой акустического сигнала; на фиг.3 - структурная схема устройства, осуществляющего предлагаемый способ.

Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности: сначала в циркониевую трубу ТК реактора помещают специально сконструированную втулку, в которой расположены излучатель и приемник ультразвукового сигнала, устанавливают рабочий режим в акустической системе для обеспечения широкой равномерной частотной характеристики излучения и приема, позволяющей воспроизводить без искажений электрический сигнал в излучателе и акустический сигнал на электрической стороне в приемнике, который становится чувствительным к внешним воздействиям. Для этого используют частоту ультразвукового сигнала f= 51.2 кГц ± 0.1 кГц, или f=58.1 кГц ± 0.1 кГц, или f=65.63 кГц ± 0.1 кГц, или f=77.87 кГц ± 0.1 кГц, или f=89.85 кГц ± 0.1 кГц и амплитуду в размахе 5 В, при этом добиваются получения сигнала приемника противофазным относительно сигнала излучателя и с запаздыванием от 0 до 45^o и устанавливают в акустической системе режим вынужденной стоячей волны с амплитудой до 0.5 В, при которой получают низкую добротность и высокую чувствительность к демпфированию графитовыми кольцами. При необходимости, для установления в акустической системе требуемого режима изменяют частоту ультразвукового сигнала с дискретностью в 32 Гц. При установлении рабочего режима втулка с излучателем и приемником должна находится вне зоны расположения графитовых колец в акустической системе. Далее переходят к выполнению режима калибровки, который необходим для установления чувствительности устройства и установления диапазона регистрации силы давления. Для этого на циркониевую трубу надевают отдельное контактное графитовое кольцо с металлическим хомутом, подводят и устанавливают втулку с излучателем и приемником ультразвуковых колебаний таким образом, чтобы центр приемника находился напротив середины графитового кольца. Стягивают металлический хомут с силой 5 кг по "силомеру" и регулировкой усиления приемника устанавливают минимальный уровень постоянного сигнала в диапазоне 50 - 100 мВ. Величина этого сигнала, соответствующая силе давления в 5 кг, заносится в память ПК. Сняв усилие с металлического хомута, заносят в память ПК постоянное напряжение, соответствующее нулевому давлению. В память ПК необходимо занести промежуточные значения для давлений в 1 кг, 2 кг и т.д., создав шкалу сил давлений до 5 кг. Далее калибровочное кольцо снимают или оставляют, переходя к режиму непосредственного измерения силы давления контактных графитовых колец на циркониевую трубу в зависимости от амплитуды и фазы акустического сигнала. С помощью электрического привода, перемещая втулку с излучателем и приемником со скоростью 1-2 см/с, проводят сканирование места расположения контактных графитовых колец по высоте циркониевой трубы, записывая в память ПК обработанный акустический сигнал, пропорциональный распределению сил давления колец в соответствие с калибровочной шкалой. При этом на экран монитора выводится диаграмма распределения давлений колец с указанием места расположения (высоты) втулки с датчиками. Сканирование можно проводить за два прохода по трубе ТК сверху вниз и обратно.

Для осуществления способа разработано устройство, которое работает под управлением ПК, по специально разработанной программе Test. exe., которая состоит из трех подпрограмм: Rejim. exe, для установления рабочего режима в акустической системе, Kalibr. exe, для установления калибровочной шкалы и Registr. exe, для непосредственной регистрации силы давления контактных графитовых колец на циркониевую трубу при сканировании излучателем и приемником.

Пример 1. На фиг.1 представлен фрагмент акустической системы, состоящий из циркониевой трубы, заполненной водой и демпфируемой графитовым кольцом при воздушном зазоре между ними, образованном бумажной полосой толщиной 0.2 мм, для которой показана осциллограмма изменения амплитуды ультразвукового сигнала при сканировании этого кольца датчиками:
1 - графитовое кольцо,
2 - циркониевая труба,
3 - излучатель ультразвукового сигнала,
4 - приемник ультразвукового сигнала,
5 - ультразвуковой сигнал в месте расположения графитового кольца,
6 - направление перемещения датчиков.

Из осциллограммы видно, что при сканировании места расположения графитового кольца за счет эффекта поглощения и отражения части ультразвукового сигнала происходит уменьшение амплитуды ультразвукового сигнала. При установленном режиме величина амплитуды обработанного акустического сигнала приемника принимает величину Uвых=350 мВ, что соответствует силе давления графитового кольца на трубу F=4.3 кг.

Пример 2. На фиг.2 представлен фрагмент акустической системы с плотно прилегающим графитовым кольцом к циркониевой трубе:
1 - графитовое кольцо,
2 - циркониевая труба,
3 - излучатель ультразвукового сигнала,
4 - приемник ультразвукового сигнала,
5 - ультразвуковой сигнал в месте расположения графитового кольца,
6 - направление перемещения датчиков.

Из осциллограммы видно, как в результате усиления демпфирования, эффекты поглощения и отражения выражены настолько сильно, что на границе раздела акустических сред ультразвуковой сигнал изменяет амплитуду и фазу, дважды переходя через ноль, а эффект поляризации выражен более сильно. Изменение амплитуды ультразвуковой волны на середине кольца пропорционально силе давления кольца. При установленном режиме величина амплитуды Uвых=350 мВ акустического сигнала приемника соответствует силе давления F=2 кг, а для Uвых= 100 мВ сила давления оказывается F=4.15 кг.

Предлагаемый способ прошел лабораторные испытания на заполненной водой циркониевой трубе длиной 1.5 м, на которой были установлены 8 графитовых колец с разной величиной давления. Регулировка давления обеспечивалась индивидуальными металлическими хомутами.

Устройство для определения силы давления разрезного контактного графитового кольца на циркониевую трубу (фиг.3) включает генератор ультразвуковых колебаний (1), датчик излучателя ультразвуковых колебаний (2), усилитель ультразвукового сигнала приемника (3), активный выпрямитель среднего значения (4), активный фильтр низкой частоты (НЧ) (5), датчик приемника акустического сигнала системы (6), датчик линейного перемещения (7), формирователь сигнала датчика линейного перемещения (8), 16-разрядный счетчик (9), аналого-цифровой преобразователь АЦП (10), параллельный интерфейс LPT (11) для обмена информацией с ПК (12), втулка с датчиками ультразвуковых колебаний (13). Графитовые кольца (14) являются принадлежностью акустической системы (15) циркониевой трубы.

Работа устройства состоит из трех основных частей - это установка в акустической системе рабочего режима, затем калибровка и режим непосредственной регистрации силы давления при сканировании циркониевой трубы. В циркониевую трубу ТК устанавливают втулку с ультразвуковыми датчиками и включают устройство. На включенном ПК запускается программа Test. exe, из меню которой для установки рабочего режима акустической системы выбирается программа Rejim. exe. При запуске этой программы генератор (1) устройства вырабатывает сигнал ультразвуковой частотой в 51.2 кГц и амплитудой 5 В, который поступает на излучатель (2) и на аналого-цифровой преобразователь (10) и через параллельный интерфейс (11) в цифровом виде поступает на ПК (12), который по той же программе осуществляет обратное преобразование цифры в аналоговый сигнал и выводит сигнал излучателя на экран монитора ПК. Одновременно акустический сигнал с приемника (2) поступает на усилитель (3). С выхода усилителя (3) усиленный акустический сигнал системы поступает на АЦП (10) и оцифрованный через интерфейс (11) поступает в память ПК (12), который выводит на экран монитора аналоговый сигнал акустической системы. При наложении двух сигналов, излучателя и приемника, проводится оценка рабочего состояния акустической системы. При необходимости программа позволяет изменять частоту ультразвукового сигнала излучателя (2) с дискретностью 32 Гц. После установления рабочего режима в акустической системе переходят к режиму калибровки. Для этого необходимо на трубу надеть отдельное контактное графитовое кольцо с металлическим хомутом и напротив него расположить втулку с датчиками. На ПК из меню выбирается и запускается на выполнение программа Kalibr. exe.

Выбрав диапазон регистрации силы давления, металлическим хомутом стягивают графитовое кольцо по указанию силомера, например 5 кг. В этом случае ультразвуковой сигнал рабочей частоты с генератора (1) поступает на излучатель (2). Акустический сигнал с датчика приемника (6) усиливается усилителем (3), выпрямляется активным выпрямителем среднего значения (4) в постоянное напряжение и, проходя через активный фильтр нижних частот (5), поступает на АЦП (10), оцифровывается и далее через интерфейс (11) поступает в память ПК (12), где программой постоянному напряжению присваивается значение силы сжатия в 5 кг. Величина этого соответствия заносится впамять ПК (12). Затем снимают сжатие графитового кольца и отцифрованное значение постоянного напряжения, соответствующее нулевому давлению, также заносится в память ПК (12). Для формирования шкалы зависимости выходного напряжения приемника от силы давления требуется занести в память ПК (12) несколько промежуточных значений для сил давления от 1 кг до 5 кг. После выполнения процедуры калибровки переходят к режиму непосредственного измерения силы давления графитовых колец на трубу. Для этого из меню программного обеспечения выбирается на запуск программа Registr. exe. В этом режиме устройство работает следующим образом: включается генератор (1), акустический сигнал системы с выхода приемника (6), пройдя усилитель (3), активный выпрямитель (4), активный фильтр Н.Ч. (5), АЦП (10) через интерфейс (11) поступает в память ПК (12). Одновременно с сигналом приемника на ПК (12) поступает сигнал с датчика линейного перемещения (7), который проходит через формирователь сигналов (8), 16-ти разрядный счетчик (9) и интерфейс (11). При сканировании технологического канала (ТК), которое осуществляется втулкой (13) с датчиками (2) и (6) посредством электрического привода, по программе Registr.exe в память ПК (12) заносятся значения обработанного акустического сигнала от графитовых колец и сигнал от датчика линейного перемещения, расположенного на краю циркониевой трубы. Программа Registr. exe работает в режиме ON-LINE, которая при сканировании выводит на экран монитора ПК (12) график распределения силы давления графитовых колец по высоте технологического канала.

В настоящее время подготавливается программа и база для осуществления внедрения предлагаемого устройства на Смоленской атомной электростанции.

Изобретения относятся к области регулирования параметров реакторных установок. Способ определения силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале реактора РБМК путем регистрации приемником ультразвуковых колебаний акустического сигнала, образующегося от ультразвукового воздействия излучателя на акустическую систему, состоящую из циркониевой трубы, заполненной водой и демпфируемой графитовыми кольцами. В акустической системе устанавливают рабочий режим с низкой добротностью и высокой чувствительностью к демпфированию графитовыми кольцами. Проводят калибровку шкалы зависимости амплитуды отраженного ультразвукового излучения от силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу с помощью дополнительного графитового кольца, надетого на трубу. Проводят сканирование излучателем и приемником ультразвуковых колебаний циркониевой трубы, демпфируемой графитовыми кольцами. Фиксируют величину амплитуды и фазы акустических сигналов, поступающих от графитовых колец. Определяют силу давления графитового кольца на трубу в соответствии с ранее полученной калибровочной шкалой. Устройство для реализации предложенного способа включает излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор частот для работы излучателя и модуль преобразования сигнала приемника, а также втулку, содержащую излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, которые расположены диаметрально противоположно на одной линии, помещаемую в трубу при сканировании места расположения графитового кольца. Датчик линейного перемещения фиксирует расположение втулки в циркониевой трубе. Технический результат: повышение безопасности, надежности, а также экономичности и точности работы реакторной установки. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале реактора РБМК (реактор большой мощности канальный) путем регистрации приемником ультразвуковых колебаний акустического сигнала, образующегося от ультразвукового воздействия излучателя на акустическую систему, состоящую из циркониевой трубы, заполненной водой и демпфируемой графитовыми кольцами, отличающийся тем, что в акустической системе устанавливают рабочий режим с низкой добротностью и высокой чувствительностью к демпфированию графитовыми кольцами, проводят калибровку шкалы зависимости амплитуды отраженного ультразвукового излучения от силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу с помощью дополнительного графитового кольца, надетого на трубу, проводят сканирование излучателем и приемником ультразвуковых колебаний циркониевой трубы, демпфируемой графитовыми кольцами, фиксируют величину амплитуды и фазы акустических сигналов, поступающих от графитовых колец и определяют силу давления графитового кольца на трубу в соответствии с ранее полученной калибровочной шкалой. 2. Способ определения силы давления по п. 1, отличающийся тем, что для установления рабочего режима с низкой добротностью и высокой чувствительностью к демпфированию графитовыми кольцами в акустической системе используют частоту ультразвукового сигнала излучателя f= 51,2 кГц ± 0,1 кГц, или f= 58,1 кГц ± 0,1 кГц, или f= 65,63 кГц ± 0,1 кГц, или f= 77,87 кГц ± 0,1 кГц, или f= 89,85 кГц ± 0,1 кГц и амплитуду в диапазоне от 4 до 5В в размахе, при этом получают сигнал приемника противофазным относительно сигнала излучателя и с запаздыванием в пределах 0-45^o, что позволяет устанавливать в акустической системе режим вынужденной стоячей волны с амплитудой в диапазоне 0-0,5В. 3. Устройство для определения силы давления контактного графитового кольца на циркониевую трубу в технологическом канале реактора РБМК (реактор большой мощности канальный), включающее излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, генератор частот для работы излучателя и модуль преобразования сигнала приемника, содержащий аналого-цифровой преобразователь и работающий под управлением персонального компьютера (ПК), отличающееся тем, что оно дополнительно содержит модуль, включающий втулку, содержащую излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, которые расположены диаметрально противоположно на одной линии, помещаемую в циркониевую трубу при сканировании места расположения графитового кольца, датчик линейного перемещения, фиксирующий положение втулки в циркониевой трубе, а модуль преобразования сигнала приемника устройства содержит дополнительно усилитель, активный двухполупериодный выпрямитель среднего значения и активный фильтр низкой частоты, при этом генератор частот для излучателя работает под управлением ПК. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в устройстве использован кварцевый генератор частот с дискретностью установления частоты в 32 Гц.