Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
AUTOMATED ULTRASONIC TESTING OF WWER RPV AUTOMATIZOVANÉ ZKOUŠENÍ TNR TYPU VVER ULTRAZVUKEM Jan VÍT, ZdenČk SKÁLA, Lukáš STAINER ŠKODA JS a.s. Contact e-mail:
[email protected] 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 reaktorĤ (TNR) typu VVER v souþasné dobČ opČt narĤstá. Hlavními dĤvody jsou zvyšování výkonu provozovaných blokĤ jaderných elektráren (JE), prodlužování intervalĤ provozních prohlídek, zkracování odstávek a zamýšlený provoz blokĤ JE po dobu delší, než pĤvodnČ pĜedpokládal projekt (LTO). Zcela dominantní místo pĜi zkoušení TNR zaujímá mezi objemovými metodami NDT zkoušení ultrazvukem. PĜíspČvek mapuje souþasný stav a porovnává možnosti aplikací nejpoužívanČjších technik automatizovaného ultrazvukového zkoušení; a to odrazové, difrakþní TOFD a techniky mozaikových PA sond. Klíþová slova: ultrazvukové zkoušení, tlaková nádoba reaktoru typu VVER, odrazová technika, difrakþní technika TOFD, technika mozaikových PA sond
DEFEKTOSKOPIE 2010
285
1. ÚVOD Význam automatizovaného nedestruktivního zkoušení tlakových nádob reaktorĤ (TNR) typu VVER v souþasné dobČ opČt narĤstá. Hlavními dĤvody jsou zvyšování výkonu provozovaných blokĤ jaderných elektráren (JE), prodlužování intervalĤ provozních prohlídek, zkracování délky plánovaných odstávek a zamýšlený provoz blokĤ JE po dobu delší, než pĤvodnČ pĜedpokládal projekt (LTO).
2. KVALIFIKACE PROVOZNÍCH PROHLÍDEK Dne 01.07.1997 vstoupil v ýeské republice v platnost zákon þ. 18/1997 Sb. „Atomový zákon“, který každému držiteli povolení k provozu jaderného zaĜízení ukládá povinnost sledovat, mČĜit, hodnotit, ovČĜovat a zaznamenávat veliþiny, parametry a skuteþnosti dĤležité z hlediska jaderné bezpeþnosti a radiaþní ochrany v rozsahu stanoveným provádČcími pĜedpisy. Takovými veliþinami a skuteþnostmi jsou rovnČž výsledky nedestruktivních zkoušek, které jsou jedním ze vstupních údajĤ pro hodnocení životnosti (integrity) komponent a systémĤ. Vyplynula proto potĜeba zavést v ýeské republice evropskou praxi v oblasti kvalifikace provozních prohlídek vybraných bezpeþnostnČ významných komponent. Pokud držitel povolení (JE) postupuje v souladu s „Metodikou kvalifikace provozních prohlídek hlavních komponent primárních okruhĤ jaderných elektráren typu VVER“ [1], potom SÚJB považuje pĜíslušnou þást bezpeþnostní dokumentace za vyhovující a požadavky právních pĜedpisĤ za splnČné. PĜi kvalifikovaném zkoušení metodami (technikami) NDT jsou pĜi provozních (pĜedprovozních) kontrolách TNR typu VVER v souþasnosti obecnČ definovány þtyĜi následující cíle: x
Detekce. ZjištČní pĜítomnosti necelistvostí a urþení jejich základních parametrĤ podle použité metody (techniky) NDT.
x
Lokalizace. Urþení polohy (souĜadnice) necelistvosti.
x
Klasifikace. Stanovení typu, tvaru a orientace necelistvosti.
x
Sizing. Stanovení pravdČpodobných (skuteþných) rozmČrĤ necelistvosti, vþetnČ jejího ligamentu, tj. nejkratší vzdálenosti mezi okrajem necelistvosti a povrchem TNR.
První dva cíle jsou zcela bČžné pĜi nedestruktivním zkoušení, zbývající dva lze považovat za urþitý „nadstandard“ vyplývající z požadavkĤ kvalifikací provozních prohlídek. NejdĤležitČjším pravdČpodobným (skuteþným) rozmČrem necelistvostí je jejich výška, tj. rozmČr ve smČru tloušĢky stČny TNR. Není-li pro její stanovení použita difrakþní technika TOFD, technika mozaikových PA sond nebo metoda víĜivých proudĤ (pouze pro povrchové necelistvosti), urþuje se z výsledkĤ zkoušení
286
DEFEKTOSKOPIE 2010
ultrazvukem odrazovou technikou nebo tzv. kvalifikovaným odhadem (nutná znalost technologie výroby a typu necelistvosti). V pĜípadČ, že pro stanovení pravdČpodobných (skuteþných) rozmČrĤ necelistvostí bude použita metoda (technika) NDT, jejíž citlivost neumožĖuje urþit tyto rozmČry, pak lze za pravdČpodobné (skuteþné) rozmČry necelistvostí považovat minimální rozmČry, které je daná metoda (technika) NDT schopná urþit. Pro další postup se necelistvosti schematizují buć jako rovinné plochy orientované rovnobČžnČ (laminární necelistvosti) nebo kolmo ke zkušebnímu povrchu TNR (planární necelistvosti). Stanovené schematizované rozmČry necelistvostí se porovnávají s kritérii pĜípustnosti, které obsahují tabulky v pĜíloze XI dokumentu A.S.I. sekce IV [2]. Necelistvosti, pĜípustné podle tohoto dokumentu, se oznaþují jako „vyhovující“, ostatní jsou zaĜazeny do kategorie „k posouzení“. Zde jsou zaĜazeny i necelistvosti, pro které žádná kritéria zatím neexistují. Hodnocení pĜípustnosti necelistvostí „k posouzení“ se provádí porovnáním s výsledky již dĜíve provedených posouzení nebo vypracováním tzv. posouzení významnosti indikací necelistvostí, které mimo jiné obsahuje všechny potĜebné výpoþty. Celý postup musí být v souladu s pravidly schválenými SÚJB. V souþasné dobČ stále neexistuje závazný metodický postup pro urþování pravdČpodobných (skuteþných) rozmČrĤ necelistvostí. Každý z dodavatelĤ provozních (pĜedprovozních) kontrol TNR používá vlastní zpĤsob, který bývá v ýR provČĜen kvalifikacemi podle metodiky SÚJB [1], návodu IAEA [3] a novelizované metodiky ENIQ [4].
3. ODRAZOVÁ TECHNIKA Množství zaznamenávaných dat z jednotlivých zkoušených oblastí (skenĤ) už není limitováno prostĜedky pro jejich ukládání, pĜenos a zálohování. DĜíve byly zásadním omezením kapacitní možnosti disket (FDD), ZIP mechanik þi magneto-optických diskĤ (MOD). Dnes se využívají zejména externí (pĜenosné) USB disky a Flash disky; do úvahy pĜipadají i CD-RW nebo DVD-RW. Velikost souborĤ ovlivĖuje zpĤsob záznamu ultrazvukových dat, respektive citlivost zkoušení. Obvykle si mĤžeme vybrat ze tĜí možností: x
Záznam všech ultrazvukových signálĤ (ech) v pĜedem nastaveném þasovém rozsahu (bránČ) pĜi pĜekroþení pevnČ stanovené úrovnČ, která se liší od registraþní úrovnČ poklesem napĜ. o – 12 dB.
x
Záznam všech ech, které pĜesahují zvolenou úroveĖ šumĤ v zadané bránČ.
x
Záznam kompletního A-zobrazení všech ultrazvukových signálĤ (ech).
Každý z uvedených zpĤsobĤ má své výhody i nevýhody. Na našem pracovišti používáme v souþasnosti prostĜední variantu s interní podmínkou, aby velikost standardních datových souborĤ nepĜesáhla cca 250 MB. Tato velikost je dána pouze
DEFEKTOSKOPIE 2010
287
požadavkem na možnost zpracování dat a vyhodnocování výsledkĤ na bČžných osobních PC (napĜ. notebookách Latitude Ĝady D 510). Odrazová technika umožĖuje s dostateþnou pĜesností urþovat pravdČpodobnou (skuteþnou) délku þi šíĜku necelistvostí. PĜi urþování pravdČpodobné výšky necelistvostí (TWE) tato technika v ĜadČ pĜípadĤ nesplĖuje kritéria pro kvalifikaci provozních prohlídek. Na Obrázku 1 jsou znázornČna neupravená data z prozvuþování kvalifikaþního bloku KB 140 z povrchu ochranného austenitického návaru dvojitou úhlovou sondou typu 70°SEL (jmenovitá frekvence 2,0 MHz) ve smČru, který odpovídá obvodovému smČru u TNR typu VVER. UmČlé realistické necelistvosti typu podnávarových trhlin jsou detekovány zcela jednoznaþnČ. Na první pohled jsou zĜetelné rĤzné délky tČchto indikací necelistvostí a velmi problematické odlišení jejich výšky (TWE).
Fi Fig. 1: Pulse echo technique Obr. 1: Odrazová technika
4. DIFRAKýNÍ TECHNIKA TOFD Difrakþní technika TOFD pĜináší zcela nové možnosti ultrazvukového zkoušení. UmožĖuje spolehlivČ detekovat necelistvosti kolmé ke zkušebnímu povrchu válcové þásti TNR a urþovat jejich pravdČpodobné rozmČry. Jsou-li detekovány oba okraje necelistvostí, potom lze její výšku urþit teoreticky s pĜesností ± O / 2, kde O je vlnová délka podélné ultrazvukové vlny. U válcové þásti TNR typu VVER tato hodnota
288
DEFEKTOSKOPIE 2010
obvykle þiní ĜádovČ cca ± 1 mm. Výsledky dosud ukonþených technických kvalifikací ve spoleþnosti ŠKODA JS a.s. prĤkaznČ potvrzují, že dosažitelná pĜesnost urþování pravdČpodobných rozmČrĤ (výšky) necelistvostí je ± 2 mm na kvalifikaþních blocích (KB 140 a KB 190) s umČlými realistickými defekty (podélné a pĜíþné koĜenové trhliny, studené spoje, podélné trhliny pod návarem a podnávarové trhliny). Difrakþní technice TOFD je vČnována v souþasné dobČ znaþná pozornost, o þemž svČdþí následující normy, které se objevily v loĖském roce. x
ýSN EN 583-6: 2009 [5]
x
ýSN EN 15617: 2009 [6]
Na Obrázku 2 je pĜíklad detekce tĜi umČlých realistických necelistvostí typu podélné trhliny pod návarem pĜi neparalelním zpĤsobu skenování sondami s jmenovitým úhlem lomu 60°L a s jmenovitou frekvencí 5,0 MHz. Po povrchu kvalifikaþního bloku KB 140 se v tomto pĜípadČ nešíĜila 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. VýraznČ je detekován vždy jejich spodní okraj, horní okraje splývají s rozhraním ochranného austenitického návaru a základního materiálu.
Fig. 2: TOFD technique Obr. 2: Difrakþní technika TOFD
DEFEKTOSKOPIE 2010
289
5. TECHNIKA MOZAIKOVÝCH PA SOND Válcová þást TNR typu VVER se obvykle zkouší technikou mozaikových PA sond v režimu tzv. „Multiple Group“. PA sonda je nadefinována (využita) jako nČkolik virtuálních sond, které mohou být rĤzných typĤ a rĤzných jmenovitých úhlĤ. Tím jsou vždy jednou mozaikovou PA sondou nahrazeny všechny konvenþní ultrazvukové sondy pro zkoušení odrazovou technikou v jednom smČru prozvuþování. Souþástí mozaikové PA sondy mĤže být i mČniþ pro zkoušení odrazovou technikou. PĜíkladem je typ GSK150ET1,5V15C70EL1,5, kterou vyrábí firma AREVA intelligeNDT. Sondy se používají napĜíklad pĜi provozních kontrolách válcové þásti a dna TNR typu VVER 440 i VVER 1000 na Rovenské JE (Ukrajina). Jedná se o mozaikovou PA sondu (15 elementĤ) s vertikální zmČnou úhlu prozvuþování (pĜíþné vlny) kombinovanou s konvenþním mČniþem pro vybuzení podélné vlny s jmenovitým úhlem lomu 70°L a s jmenovitou frekvencí 1,5 MHz. Sektorové skenování (S-skeny) se v tomto pĜípadČ používá pouze pĜi analýze nebo urþování pravdČpodobných (skuteþných) rozmČrĤ vybraných indikací necelistvostí. Technika mozaikových PA sond dává velice dobré výsledky pĜi urþování pravdČpodobné (skuteþné) výšky necelistvosti v pĜípadech; jsou-li detekovány oba okraje necelistvosti, potom pĜesnost urþování rozmČrĤ ve smČru tloušĢky stČny je zcela srovnatelná s difrakþní technikou TOFD. Pokud je detekován pouze jeden okraj necelistvosti, je nutné použít pro urþení rozmČru necelistvosti ve smČru tloušĢky obdobných postupĤ jako u odrazové techniky. Pro správné vyhodnocování výsledkĤ je nezbytné používat podpĤrné programy, které umČjí vykreslit profil svarového spoje nebo geometrii zkoušené þásti nebo oblasti. Obvykle se využívají standardní kreslící programy – napĜ. Auto CAD. ASME Code, Section V, Article 4, Edition 2007 [7], vþetnČ nejnovČjších dodatkĤ (Addenda z roku 2009), Ĝeší problematiku zkoušení technikou mozaikových PA sond zcela okrajovČ. Tato skuteþnost je pĜekvapující ve srovnání s pozorností, která je zde vČnována difrakþní technice TOFD. Dosud vlastnČ neexistuje žádná norma, která by Ĝešila problematiku zkoušení technikou mozaikových PA sond. Na Obrázku 3 je výsledek ruþního ovČĜování umČlé realistické necelistvosti, která simuluje podélnou trhlinu v koĜeni svarového spoje kvalifikaþního 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 elementĤ, jmenovitá frekvence 2,25 MHz, rozsah úhlĤ 45°T ÷ 70°T) a ultrazvukovým pĜístrojem OMNISCAN MX (Olympus). Za namČĜení dat a jejich nezištné poskytnutí autoĜi dČkují kolegovi Ing. Janu KOLÁěOVI z ýEZ-ETE.
290
DEFEKTOSKOPIE 2010
Fig. 3: Phased array technique Obr. 3: Technika mozaikových PA sond
6. ZÁVċR Zkušenosti z kvalifikací provozních prohlídek TNR typu VVER potvrzují skuteþnost, že požadavky na urþování pravdČpodobných (skuteþných) rozmČrĤ necelistvostí nelze ve všech pĜípadech splnit pĜi zkoušení ultrazvukem pouze odrazovou technikou. Výhodné a nČkdy i zcela nezbytné je kombinovat odrazovou techniku se zkoušením difrakþní technikou TOFD nebo technikou mozaikových PA sond. PĜi vhodné kombinaci zkušebních technik lze v maximální míĜe využívat jejich pĜedností a naopak minimalizovat jejich nevýhody. AutoĜi se omlouvají za pomČrnČ malé a þernobílé obrázky. PĜi prezentaci budou na konferenci pĜedvedeny barevnČ a v dostateþné velikosti.
POUŽITÁ LITERATURA [1] Metodika kvalifikace provozních prohlídek hlavních komponent primárních okruhĤ JE typu VVER, SÚJB, Praha, prosinec 1998. [2] A.S.I. sekce IV: Hodnocení zbytkové životnosti zaĜízení a potrubí jaderných elektráren typu VVER, NTD ASI, Praha a Brno, kvČten 2004. [3] IAEA-EBP-WWER-11: Methodology for qualification of in-service inspection systems for WWER nuclear power plants, IAEA, Vienna, bĜezen 1998.
DEFEKTOSKOPIE 2010
291
[4] EUR 22906 EN: European methodology for qualification of non-destructive testing (Third issue), ENIQ Report No. 31, Luxembourg, 2007. [5] ýSN EN 583-6: Nedestruktivní zkoušení – Zkoušení ultrazvukem ýást 6: Difrakþní technika mČĜení doby prĤchodu jako metoda pro zjišĢování a mČĜení velikosti vad, ÚNMZ, Praha, þervenec 2009. [6] ýSN EN 15617: Nedestruktivní zkoušení svarĤ – Difrakþní technika mČĜení doby prĤchodu – Dovolené úrovnČ, ÚNMZ, Praha, srpen 2009. [7] ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V: Non-destructive Examination ASME, New York, þervenec 2007.
292
DEFEKTOSKOPIE 2010
