AUTOMATED ULTRASONIC TESTING OF WWER RPV AUTOMATIZOVANÉ ZKOUŠENÍ TNR TYPU VVER ULTRAZVUKEM

Transkript

1 Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10-12, Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic AUTOMATED ULTRASONIC TESTING OF WWER RPV AUTOMATIZOVANÉ ZKOUŠENÍ TNR TYPU VVER ULTRAZVUKEM Jan VÍT, Zden k SKÁLA, Lukáš STAINER ŠKODA JS a.s. Contact jan.vit@skoda-js.cz Abstract The importance of automated non-destructive testing of WWER reactor pressure vessels (RPVs) is growing again at the present time. Main reasons are the power increase of operated nuclear power plant (NPP) units, prolongation of intervals between inspections, shortening of outages and intended operation of NPP units for longer time than was initially postulated by the design (long term operation LTO). Ultrasonic testing is absolutely dominant among other volumetric NDT methods of RPV testing. The paper gives an overview of present status and compares possibilities of application of mostly used automated ultrasonic testing techniques, namely pulse echo, TOFD diffraction and phased array probes. Keywords: ultrasonic testing, WWER reactor pressure vessel, pulse echo technique, time of flight diffraction (TOFD) technique, phased array technique Abstrakt Význam automatizovaného nedestruktivního zkoušení tlakových nádob reaktor (TNR) typu VVER v sou asné dob op t nar stá. Hlavními d vody jsou zvyšování výkonu provozovaných blok jaderných elektráren (JE), prodlužování interval provozních prohlídek, zkracování odstávek a zamýšlený provoz blok JE po dobu delší, než p vodn p edpokládal projekt (LTO). Zcela dominantní místo p i zkoušení TNR zaujímá mezi objemovými metodami NDT zkoušení ultrazvukem. P ísp vek mapuje sou asný stav a porovnává možnosti aplikací nejpoužívan jších technik automatizovaného ultrazvukového zkoušení; a to odrazové, difrak ní TOFD a techniky mozaikových PA sond. Klí ová slova: ultrazvukové zkoušení, tlaková nádoba reaktoru typu VVER, odrazová technika, difrak ní technika TOFD, technika mozaikových PA sond DEFEKTOSKOPIE

2 1. ÚVOD Význam automatizovaného nedestruktivního zkoušení tlakových nádob reaktor (TNR) typu VVER v sou asné dob op t nar stá. Hlavními d vody jsou zvyšování výkonu provozovaných blok jaderných elektráren (JE), prodlužování interval provozních prohlídek, zkracování délky plánovaných odstávek a zamýšlený provoz blok JE po dobu delší, než p vodn p edpokládal projekt (LTO). 2. KVALIFIKACE PROVOZNÍCH PROHLÍDEK Dne vstoupil v eské republice v platnost zákon. 18/1997 Sb. Atomový zákon, který každému držiteli povolení k provozu jaderného za ízení ukládá povinnost sledovat, m it, hodnotit, ov ovat a zaznamenávat veli iny, parametry a skute nosti d ležité z hlediska jaderné bezpe nosti a radia ní ochrany v rozsahu stanoveným provád cími p edpisy. Takovými veli inami a skute nostmi jsou rovn ž výsledky nedestruktivních zkoušek, které jsou jedním ze vstupních údaj pro hodnocení životnosti (integrity) komponent a systém. Vyplynula proto pot eba zavést v eské republice evropskou praxi v oblasti kvalifikace provozních prohlídek vybraných bezpe nostn významných komponent. Pokud držitel povolení (JE) postupuje v souladu s Metodikou kvalifikace provozních prohlídek hlavních komponent primárních okruh jaderných elektráren typu VVER [1], potom SÚJB považuje p íslušnou ást bezpe nostní dokumentace za vyhovující a požadavky právních p edpis za spln né. P i kvalifikovaném zkoušení metodami (technikami) NDT jsou p i provozních (p edprovozních) kontrolách TNR typu VVER v sou asnosti obecn definovány ty i následující cíle: Detekce. Zjišt ní p ítomnosti necelistvostí a ur ení jejich základních parametr podle použité metody (techniky) NDT. Lokalizace. Ur ení polohy (sou adnice) necelistvosti. Klasifikace. Stanovení typu, tvaru a orientace necelistvosti. Sizing. Stanovení pravd podobných (skute ných) rozm r necelistvosti, v etn jejího ligamentu, tj. nejkratší vzdálenosti mezi okrajem necelistvosti a povrchem TNR. První dva cíle jsou zcela b žné p i nedestruktivním zkoušení, zbývající dva lze považovat za ur itý nadstandard vyplývající z požadavk kvalifikací provozních prohlídek. Nejd ležit jším pravd podobným (skute ným) rozm rem necelistvostí je jejich výška, tj. rozm r ve sm ru tlouš ky st ny TNR. Není-li pro její stanovení použita difrak ní technika TOFD, technika mozaikových PA sond nebo metoda ví ivých proud (pouze pro povrchové necelistvosti), ur uje se z výsledk zkoušení 286 DEFEKTOSKOPIE 2010

3 ultrazvukem odrazovou technikou nebo tzv. kvalifikovaným odhadem (nutná znalost technologie výroby a typu necelistvosti). V p ípad, že pro stanovení pravd podobných (skute ných) rozm r necelistvostí bude použita metoda (technika) NDT, jejíž citlivost neumož uje ur it tyto rozm ry, pak lze za pravd podobné (skute né) rozm ry necelistvostí považovat minimální rozm ry, které je daná metoda (technika) NDT schopná ur it. Pro další postup se necelistvosti schematizují bu jako rovinné plochy orientované rovnob žn (laminární necelistvosti) nebo kolmo ke zkušebnímu povrchu TNR (planární necelistvosti). Stanovené schematizované rozm ry necelistvostí se porovnávají s kritérii p ípustnosti, které obsahují tabulky v p íloze XI dokumentu A.S.I. sekce IV [2]. Necelistvosti, p ípustné podle tohoto dokumentu, se ozna ují jako vyhovující, ostatní jsou za azeny do kategorie k posouzení. Zde jsou za azeny i necelistvosti, pro které žádná kritéria zatím neexistují. Hodnocení p ípustnosti necelistvostí k posouzení se provádí porovnáním s výsledky již d íve provedených posouzení nebo vypracováním tzv. posouzení významnosti indikací necelistvostí, které mimo jiné obsahuje všechny pot ebné výpo ty. Celý postup musí být v souladu s pravidly schválenými SÚJB. V sou asné dob stále neexistuje závazný metodický postup pro ur ování pravd podobných (skute ných) rozm r necelistvostí. Každý z dodavatel provozních (p edprovozních) kontrol TNR používá vlastní zp sob, který bývá v R prov en kvalifikacemi podle metodiky SÚJB [1], návodu IAEA [3] a novelizované metodiky ENIQ [4]. 3. ODRAZOVÁ TECHNIKA Množství zaznamenávaných dat z jednotlivých zkoušených oblastí (sken ) už není limitováno prost edky pro jejich ukládání, p enos a zálohování. D íve byly zásadním omezením kapacitní možnosti disket (FDD), ZIP mechanik i magneto-optických disk (MOD). Dnes se využívají zejména externí (p enosné) USB disky a Flash disky; do úvahy p ipadají i CD-RW nebo DVD-RW. Velikost soubor ovliv uje zp sob záznamu ultrazvukových dat, respektive citlivost zkoušení. Obvykle si m žeme vybrat ze t í možností: Záznam všech ultrazvukových signál (ech) v p edem nastaveném asovém rozsahu (brán ) p i p ekro ení pevn stanovené úrovn, která se liší od registra ní úrovn poklesem nap. o 12 db. Záznam všech ech, které p esahují zvolenou úrove šum v zadané brán. Záznam kompletního A-zobrazení všech ultrazvukových signál (ech). Každý z uvedených zp sob má své výhody i nevýhody. Na našem pracovišti používáme v sou asnosti prost ední variantu s interní podmínkou, aby velikost standardních datových soubor nep esáhla cca 250 MB. Tato velikost je dána pouze DEFEKTOSKOPIE

4 požadavkem na možnost zpracování dat a vyhodnocování výsledk na b žných osobních PC (nap. notebookách Latitude ady D 510). Odrazová technika umož uje s dostate nou p esností ur ovat pravd podobnou (skute nou) délku i ší ku necelistvostí. P i ur ování pravd podobné výšky necelistvostí (TWE) tato technika v ad p ípad nespl uje kritéria pro kvalifikaci provozních prohlídek. Na Obrázku 1 jsou znázorn na neupravená data z prozvu ování kvalifika ního bloku KB 140 z povrchu ochranného austenitického návaru dvojitou úhlovou sondou typu 70 SEL (jmenovitá frekvence 2,0 MHz) ve sm ru, který odpovídá obvodovému sm ru u TNR typu VVER. Um lé realistické necelistvosti typu podnávarových trhlin jsou detekovány zcela jednozna n. Na první pohled jsou z etelné r zné délky t chto indikací necelistvostí a velmi problematické odlišení jejich výšky (TWE). Fig. 1: Pulse echo technique Obr. 1: Odrazová technika Fi 4. DIFRAK NÍ TECHNIKA TOFD Difrak ní technika TOFD p ináší zcela nové možnosti ultrazvukového zkoušení. Umož uje spolehliv detekovat necelistvosti kolmé ke zkušebnímu povrchu válcové ásti TNR a ur ovat jejich pravd podobné rozm ry. Jsou-li detekovány oba okraje necelistvostí, potom lze její výšku ur it teoreticky s p esností ± / 2, kde je vlnová délka podélné ultrazvukové vlny. U válcové ásti TNR typu VVER tato hodnota 288 DEFEKTOSKOPIE 2010

5 obvykle iní ádov cca ± 1 mm. Výsledky dosud ukon ených technických kvalifikací ve spole nosti ŠKODA JS a.s. pr kazn potvrzují, že dosažitelná p esnost ur ování pravd podobných rozm r (výšky) necelistvostí je ± 2 mm na kvalifika ních blocích (KB 140 a KB 190) s um lými realistickými defekty (podélné a p í né ko enové trhliny, studené spoje, podélné trhliny pod návarem a podnávarové trhliny). Difrak ní technice TOFD je v nována v sou asné dob zna ná pozornost, o emž sv d í následující normy, které se objevily v lo ském roce. SN EN 583-6: 2009 [5] SN EN 15617: 2009 [6] Na Obrázku 2 je p íklad detekce t i um lých realistických necelistvostí typu podélné trhliny pod návarem p i neparalelním zp sobu skenování sondami s jmenovitým úhlem lomu 60 L a s jmenovitou frekvencí 5,0 MHz. Po povrchu kvalifika ního bloku KB 140 se v tomto p ípad neší ila laterální vlna (LaW), ale podélná vlna na rozhraní ochranného austenitického návaru a základního materiálu (IW), proto jsou podélné trhliny pod návarem zobrazeny jako povrchové necelistvosti. Výrazn je detekován vždy jejich spodní okraj, horní okraje splývají s rozhraním ochranného austenitického návaru a základního materiálu. Fig. 2: TOFD technique Obr. 2: Difrak ní technika TOFD DEFEKTOSKOPIE

6 5. TECHNIKA MOZAIKOVÝCH PA SOND Válcová ást TNR typu VVER se obvykle zkouší technikou mozaikových PA sond v režimu tzv. Multiple Group. PA sonda je nadefinována (využita) jako n kolik virtuálních sond, které mohou být r zných typ a r zných jmenovitých úhl. Tím jsou vždy jednou mozaikovou PA sondou nahrazeny všechny konven ní ultrazvukové sondy pro zkoušení odrazovou technikou v jednom sm ru prozvu ování. Sou ástí mozaikové PA sondy m že být i m ni pro zkoušení odrazovou technikou. P íkladem je typ GSK150ET1,5V15C70EL1,5, kterou vyrábí firma AREVA intelligendt. Sondy se používají nap íklad p i provozních kontrolách válcové ásti a dna TNR typu VVER 440 i VVER 1000 na Rovenské JE (Ukrajina). Jedná se o mozaikovou PA sondu (15 element ) s vertikální zm nou úhlu prozvu ování (p í né vlny) kombinovanou s konven ním m ni em pro vybuzení podélné vlny s jmenovitým úhlem lomu 70 L a s jmenovitou frekvencí 1,5 MHz. Sektorové skenování (S-skeny) se v tomto p ípad používá pouze p i analýze nebo ur ování pravd podobných (skute ných) rozm r vybraných indikací necelistvostí. Technika mozaikových PA sond dává velice dobré výsledky p i ur ování pravd podobné (skute né) výšky necelistvosti v p ípadech; jsou-li detekovány oba okraje necelistvosti, potom p esnost ur ování rozm r ve sm ru tlouš ky st ny je zcela srovnatelná s difrak ní technikou TOFD. Pokud je detekován pouze jeden okraj necelistvosti, je nutné použít pro ur ení rozm ru necelistvosti ve sm ru tlouš ky obdobných postup jako u odrazové techniky. Pro správné vyhodnocování výsledk je nezbytné používat podp rné programy, které um jí vykreslit profil svarového spoje nebo geometrii zkoušené ásti nebo oblasti. Obvykle se využívají standardní kreslící programy nap. Auto CAD. ASME Code, Section V, Article 4, Edition 2007 [7], v etn nejnov jších dodatk (Addenda z roku 2009), eší problematiku zkoušení technikou mozaikových PA sond zcela okrajov. Tato skute nost je p ekvapující ve srovnání s pozorností, která je zde v nována difrak ní technice TOFD. Dosud vlastn neexistuje žádná norma, která by ešila problematiku zkoušení technikou mozaikových PA sond. Na Obrázku 3 je výsledek ru ního ov ování um lé realistické necelistvosti, která simuluje podélnou trhlinu v ko eni svarového spoje kvalifika ního bloku KB 140. Zkoušení bylo provedeno z povrchu ochranného austenitického návaru mozaikovou PA sondou typu 2.25-L-16-12x12-A1-P-2.5-OM (16 element, jmenovitá frekvence 2,25 MHz, rozsah úhl 45 T 70 T) a ultrazvukovým p ístrojem OMNISCAN MX (Olympus). Za nam ení dat a jejich nezištné poskytnutí auto i d kují kolegovi Ing. Janu KOLÁ OVI z EZ-ETE. 290 DEFEKTOSKOPIE 2010

7 Fig. 3: Phased array technique Obr. 3: Technika mozaikových PA sond 6. ZÁV R Zkušenosti z kvalifikací provozních prohlídek TNR typu VVER potvrzují skute nost, že požadavky na ur ování pravd podobných (skute ných) rozm r necelistvostí nelze ve všech p ípadech splnit p i zkoušení ultrazvukem pouze odrazovou technikou. Výhodné a n kdy i zcela nezbytné je kombinovat odrazovou techniku se zkoušením difrak ní technikou TOFD nebo technikou mozaikových PA sond. P i vhodné kombinaci zkušebních technik lze v maximální mí e využívat jejich p edností a naopak minimalizovat jejich nevýhody. Auto i se omlouvají za pom rn malé a ernobílé obrázky. P i prezentaci budou na konferenci p edvedeny barevn a v dostate né velikosti. POUŽITÁ LITERATURA [1] Metodika kvalifikace provozních prohlídek hlavních komponent primárních okruh JE typu VVER, SÚJB, Praha, prosinec [2] A.S.I. sekce IV: Hodnocení zbytkové životnosti za ízení a potrubí jaderných elektráren typu VVER, NTD ASI, Praha a Brno, kv ten [3] IAEA-EBP-WWER-11: Methodology for qualification of in-service inspection systems for WWER nuclear power plants, IAEA, Vienna, b ezen DEFEKTOSKOPIE

8 [4] EUR EN: European methodology for qualification of non-destructive testing (Third issue), ENIQ Report No. 31, Luxembourg, [5] SN EN 583-6: Nedestruktivní zkoušení Zkoušení ultrazvukem ást 6: Difrak ní technika m ení doby pr chodu jako metoda pro zjiš ování a m ení velikosti vad, ÚNMZ, Praha, ervenec [6] SN EN 15617: Nedestruktivní zkoušení svar Difrak ní technika m ení doby pr chodu Dovolené úrovn, ÚNMZ, Praha, srpen [7] ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V: Non-destructive Examination ASME, New York, ervenec DEFEKTOSKOPIE 2010