1

На правах рукописи

Зайцев Павел Александрович

Средства температурного контроля

для современных ЯЭУ

Специальность – 05.14.03 - Ядерные энергетические установки,

включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подольск 2014 г 2

Работа выполнена во ФГУП «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ЛУЧ»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Олейников Петр Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ФГУП «ГНЦ РФ – ФЭИ имени А.И. Лейпунского»

Арнольдов Михаил Николаевич доктор технических наук, директор отделения ОАО «НИКИЭТ имени Н.А. Доллежаля»

Черепнин Юрий Семенович

Ведущая организация: ОАО «ОКБМ Африкантов»

Защита состоится июля 2014 года в_ на заседании диссертационного совета Д 201.003.01 при ФГУП «ГНЦ РФ – ФЭИ имени А.И. Лейпунского» по адресу:

249033, г. Обнинск Калужской обл., пл. Бондаренко,

С диссертацией можно ознакомиться на сайте http://www.ippe.ru

Автореферат разослан 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Верещагина Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Температура – один из важнейших параметров, во многом определяющих эффективность разработки, испытаний и эксплуатации ядерных энергетических установок (ЯЭУ) различного назначения.

На атомных станциях (АЭС), например, температурные датчики дислоцируются на нескольких тысячах измерительных позиций. Именно с их помощью получают почти 20% всей измерительной информации о температурных режимах оборудования, функционирующего в среднем температурном интервале (300-700С) Государственной поверочной схемы вида измерения.

Существенно более высокими уровнями нагрева характеризуются многие ядерные преобразовательные установки. В прототипе ядерного ракетного двигателя, например, температура нагрева рабочего тела даже несколько превосходила верхний температурный предел – 2500С поверочной схемы.

Особые условия применения термометрических средств ЯЭУ существенным образом отражаются на специфике их конструирования, испытаний и производства, поскольку предъявляемые требования к их прочностным, теплофизическим и надежностным характеристикам, а также методы и средства их контроля во многом аналогичны таковым для основных элементов – твэлов и ТВС активных зон реакторных установок.

Значительный вклад в становление отечественной реакторной термометрии внесли Субботин В.И., Арнольдов М.Н., Гордов А.Н., Олейник Б.М., Лысиков Б.В., Прозоров В.К., Фрактовникова А.А., Маркина А.Т., Сулаберидзе В.Ш., Лах В.Н., Тимонин А.С., Конин Д.И., Приймак С.В., Олейников П.П., Котельман В.Я., Конторщиков В.Г. и др.

Развитие высокотемпературного внутриреакторного контроля отражено в трудах Федика И.И., Стадныка Б.И., Денискина В.П., Олейниковой Л.Д., Наливаева В.И., Столярчука П.Г., Волкова Е.П. и др.

Принимая во внимание большое значение температурной тематики для отрасли, Минатом в 1991 году принял решение о создании специализированного производства первичных преобразователей, средств их защиты, коммутации и компенсации рабочих сигналов на базе НИИ НПО «ЛУЧ», где впервые в отечественной практике были разработаны и тиражированы в необходимых объемах средств высокотемпературного контроля, необходимые при отработке наземного прототипа ЯРД и других преобразовательных установок.

Созданное производство длительное время оставалось единственным поставщиком термометрических средств для спроектированных в России АЭС. К сожалению, кризисные явления 2008 г. неблагоприятно отразились на состоянии ставшего дотационным производства, возможности которого не отвечали требованиям новых ФЦП «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007–2010 годы и на перспективу до 2015 года», «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010 – 2015 годов и на перспективу до 2020 года», «Развитие космических средств специального назначения и других космических средств с ядерными энергетическими установками на борту на 2010-2020 г.г.» и т.д.

Разработки инновационной атомной техники делают актуальным совершенствование средств температурного контроля современных ЯЭУ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью диссертационной работы является создание нового поколения специализированных средств температурного контроля для ЯЭУ и повышение эффективности их производства.

ДОСТИЖЕНИЕ ПОСТАВЛЕННОЙ ЦЕЛИ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ РЕШЕНИЕМ

СЛЕДУЮЩИХ ЗАДАЧ:

-системного анализа состояния методов и средств температурного контроля на АЭС, преобразовательных установках, включая военные, а также технологических производствах в их интересах;

-исследования материалов для перспективных средств измерений;

-создания новых типов средств измерений и поиска инновационных решений при отработке технологии их производства;

-оптимизации термометрических средств для АЭС с РУ РБМК, ВВЭР, БН и преобразовательных КЯЭУ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Научная новизна заключается в:

обосновании концепции разработки средств температурного контроля как элемента конструкции ЯЭУ работоспособных, в том числе в аварийных условиях;

разработке приемов герметизации свободных концов измерительных преобразователей для исключения попадания теплоносителя в измерительные каналы РУ;

предложении нового подхода к оценке ресурсной способности кабельных термопар, учитывающего особенности температурного профиля измерительных каналов;

разработке высокотемпературных термопреобразователей с использованием вольфрамрениевых термоэлектродов, в том числе упрочненных наночастицами оксида иттрия;

выявлении факторов и обосновании способов минимизации их влияния на трудозатраты при изготовлении термометрических средств ЯЭУ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

-с учетом требований к работоспособности в условиях LOCA разработаны КД и ТД изготовления новых термоэлектрических преобразователей ТХА-08 и ТХА-11, ТХА-12, ТХА-14, ТХА-15 для РУ БН;

-актуализирована КД и ТД, модернизировано технологическое и испытательное оборудование для выпуска термоэлектрических преобразователей и термометров сопротивления с улучшенными характеристиками для внутриреакторного и технологического контроля на АЭС с РУ РБМК и ВВЭР;

-разработана технология и оборудование кокильного литья корпусных деталей компенсационных устройств подключения термоэлектрических преобразователей -на базе термопар ВР5/20 созданы высокотемпературные преобразователи КЛ-201, -204, -210, 217, отвечающие потребностям разработки КЯЭУ;

- подтверждено соответствие термоэлектрической характеристики термопары ВР5/ требованиям МЭК;

-с использованием концепции контроллинга предложена система управления затратами и обоснованы предложения по оптимизации инфраструктуры производственного комплекса по выпуску конкурентоспособных термометрических средств для ЯЭУ.

Эффективность разработок в 2009-2013 годах подтверждена тремя золотыми медалями Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии, присвоению продукции «Знака качества» и ростом технико-экономических показателей производства.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В диссертационной работе использованы основные положения термодинамики и термометрии, методы математического анализа и статистики, теории надежности, приемы металлофизических исследований и испытаний.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

-Результаты исследования термоэлектрических свойств и структуры термоэлектродных материалов на базе никелевых и вольфрам-рениевых сплавов -Результаты отработки конструкций и технологии изготовления оригинальных преобразователей, включая многозонные, для РУ БН.

-Результаты экспериментальных исследований по улучшению рабочих характеристик температурных преобразователей для системы внутриреакторного и технологического контроля РУ с РБМК и ВВЭР.

-Модели дрейфа градуировочных характеристик термоэлектрических преобразователей и термометров сопротивления.

-Способы совершенствования УКПТП и элементов защиты преобразователей.

-Обоснование термопреобразователей с чувствительными элементами из вольфрам-рениевых сплавов, включая упрочненные наночастицами оксида иттрия.

-Рекомендации по оптимизации инфраструктуры производства специализированных термометрических средств для нужд АЭС и КЯЭУ.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Достоверность результатов работы обеспечена детальной методической проработкой поставленных задач, а также соответствием результатов проведенных исследований фактическим данным контроля, в частности, установленным в ходе испытаний с целью утверждения типа модернизированных и вновь разработанных рабочих средств температурных измерений. Подтверждением их характеристик при входном контроле у потребителей и безрекламационной эксплуатацией в условиях российских и зарубежных атомных станций.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Термопреобразователи ТХА-08, ТХА-11 включены в Государственный Реестр СИ и их штатные партии поставлены на Белоярскую АЭС.

Изготовлены установочные партии преобразователей ТХА-12, ТХА-14, ТХА-15 и проведены их испытания с целью утверждения типа.

Для комплектации АСУ ТП в 2009-2012 г. изготовлено более 15000 шт.

актуализированных термоэлектрических преобразователей, термометров сопротивления и средств их защиты 1500 исполнений, которые поставлены на 13 АЭС страны и 3 зарубежные АЭС.

Для Ростовской АЭС и АЭС Куданкулам изготовлено более 150 УКПТП.

Разработанные высокотемпературные преобразователи использованы при технологическом контроле и испытаниях, включая реакторные, ключевых компонентов КЯЭУ типа «Топаз».

Впервые в отечественной практике характеристики термопары ВР 5/20 включены в Международные стандарты МЭК №60584-1 и №60584-2.

Сформирован единый конструкторский, технологический и производственный комплекс «Атомтерм» с оптимизированной инфраструктурой.

Основные результаты работ были доложены и обсуждались на:

-Международном симпозиуме «Измерения, важные для безопасности в реакторах»

(Козлодуй, Болгария, 2010);

«Энергосберегающие технологии. Печные агрегаты. Экология, безопасность технологических процессов» (Москва, Россия, 2010,2012г.);

-Международном семинаре «Высокотемпературные измерения» (Нордвик, Нидерланды, 2011);

-четвертой Всероссийской и стран участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии «Температура 2011», (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.);

-седьмом Международном симпозиуме «Технеций и рений. Наука и практика» (Москва, Россия,2011);

-девятом Международном симпозиуме «Температура 2012» (Лос-Анжелес, США, 2012);

-восьмой Международной научно-технической конференции «Безопасность. Эффективность.

Экономика атомной энергетики» (Москва, Россия, 2012);

-межотраслевом семинаре «Наноматериалы для атомной энергетики» (Москва, Россия, 2011г.);

-четвертой и пятой отраслевых конференциях «Метрологическое обеспечение измерений в Госкорпорации «Росатом» (Сочи, Россия, 2010, 2012г.);

-восьмой Международной конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР (Подольск, Россия, 2013);

-двенадцатой Международной конференции «ТЕМПМЕКО 2013» (Мадейра, Португалия, 2013г.).

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Лично автору принадлежат - постановка задач, способы и технические предложения по их решению. В опубликованных работах представлены результаты, выполненные лично автором и в соавторстве с коллегами.

В большинстве случаев, автор осуществлял обобщение полученных результатов и организовывал реализацию сделанных предложений. При разработке конструкторской и технологической документации автором формулировались задачи и осуществлялось практическое и методическое руководство работами.

Для решения некоторых задач по модернизации средств температурных измерений автором организована широкая кооперация исполнителей, в том числе родственных подразделений и предприятий.

Автор непосредственно участвовал в испытаниях модернизированных и новых средств температурного контроля. Им самостоятельно сформулированы и с привлечением ряда подразделений предприятия реализованы предложения по оптимизации инфраструктуры производства термометрической продукции, обеспечивающие рост рентабельности в условиях постоянно меняющейся рыночной конъюнктуры.

Основные результаты и содержание диссертационной работы отражены в двадцати двух публикациях, из которых в журналах, рекомендованных ВАК – 4, в зарубежных научных изданиях – 2, в трудах конференций –7, в одном аналитическом обзоре, в трех описаниях типов средств измерений, а также в нормативных и методических документах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертационная работа, изложена на 168 страницах машинописного текста, 25 таблиц, 49 рисунков и схем, и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и практическая значимость диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследований, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе по результатам детального анализа, проведенного автором в предваряющем аналитическом обзоре, кратко охарактеризованы особенности устройства, технологии, испытаний и аттестации всей номенклатуры первичных температурных преобразователей, средств их защиты и коммутации для внутриреакторных измерений, в системах технологического контроля гермозон и машзалов АЭС, а также при отработке различных вариантов КЯЭУ.

Обсуждаются особенности формирования отраслевого импортозамещающего специализированного производства термометрической продукции с учетом требований новой законодательной базы по использованию атомной энергии и необходимости обеспечения взаимозаменяемости с ранее выпускавшимися для нужд атомных объектов средствами измерений.

Показано, что выполнение высоких требований к надежности обеспечивается жесткими ограничениями их ударной прочности, вибропрочности, вибростойкости, сейсмостойкости, устойчивости к воздействию теплоносителя и ряда других факторов, характеризующих специфические условия работы конструктивных элементов активных зон реакторных установок.

Обобщены сведения о методах и оборудовании, используемых при испытаниях (в ходе разработки) и контроле (при производстве) штатных средств измерений.

Конкретизирован комплекс научно-технических и организационных задач, подлежащих решению при создании и модернизации термометрических средств, что являлось залогом существенного повышения эффективности действующего производства.

Во второй главе работы обобщены сведения о разработке, комплексных испытаниях, освоении производства и выпуске новых высокотемпературных преобразователей ТХА-08.000ТХА-11, ТХА-12, ТХА-14, ТХА-15, предназначенных для внутриреакторных измерений в энергетических установках с РУ БН. Во всех разработанных преобразователях использованы традиционные термопарные кабели (типа КТМС).

Во вновь вводимом блоке БН800 предусмотрен контроль стационарными преобразователями в АЗ (ТХА-11) и в корпусе РУ (ТХА-14), а также преобразователя ТХА-15, устанавливаемого в механизме сканирования температуры по высоте зоны. Учитывая требования к сохранению работоспособности ТЭП в аварийных условиях (LOCA), их рабочие температуры повышены до 1000°С и введены требования по сохранению герметичности выводов холодных концов чувствительных элементов с целью предотвращения выхода теплоносителя наружу через клеммную головку в случае прорыва защитных гильз и арматуры.

В связи с этим, предложено герметизировать выводы холодных концов лазерной сваркой с применением установок КВАНТ-15 и БУЛАТ- РЛС-150. Отработку процесса проводили на прототипной конструкции ТХА-08.000-01 (рисунок 2.1), предназначенной для применения в реакторе БН-600.

Рисунок 2.1 Конструкция (а) и общий вид (б) ТП ТХА-08.000- Термопреобразователь является стационарным, погружным, однозонным, стационарным невосстанавливаемым, неремонтируемым, однофункциональным изделием, состоящим из чувствительного элемента, выполненного из термопарного кабеля КТМС(ХА) 2х0,9, защитной арматуры (корпуса из стали 12Х18Н10Т), предусматривающей биологическую защиту от радиационного излучения, защитной стальной головки с клеммами для подключения соединительных линий, конструктивных элементов для крепления ВТП, выполненных в виде фланца с тремя отверстиями.

В ходе отработки применялись следующие виды неразрушающего контроля, предусмотренные действующей «Программой обеспечения качества» (ПОКАС): капиллярный, радиографический, ультразвуковой, вихретоковый, контроль герметичности, сопротивление электроизоляции, тепловой инерции и т.п.

Комплекс тестовых испытаний составляют более двадцати параметров: испытания на устойчивость к воздействию пониженной и повышенной температуры и влажности окружающего воздуха, испытания оболочки кабеля и металлоконструкций на стойкость к МКК, контроль герметичности, испытания на виброустойчивость, вибропрочность, ударопрочность при транспортировании, на прочность к воздействию ударов при свободном падении в транспортной таре, на сейсмостойкость, на проникновение пыли и воды в защитную головку, на устойчивость к дезактивирующим растворам, на помехоустойчивость и другие.

Программы и методики типовых и периодических испытаний приведены в соответствие требованиям ТЗ ОАО «ОКБМ «Африкантов».

Испытания с целью утверждения типа, проведенные Государственным испытательным центром (ГЦИ) ВНИМС, подтвердили заданный уровень качества. ТХА-08.000-0 внесен в Госреестр (44972-10) и их штатные партии с 2010 г. поставляются на Белоярскую АЭС для РУ БН600.

ТХА-11 (рисунок 2.2) имеют исполнения, отличающиеся длиной монтажной части, диаметром, крепежным устройством, защитной головкой, диаметром кабеля первичного преобразователя (термопары), количеством зон контроля и количеством термопар в одной зоне.

общий вид ВТП ТХА-11 (а- однозонный, б- трехзонный, в –четырехзонный, г-фото) По числу зон контроля ТЭП в зависимости от исполнения является однозонным, трехзонным или четырехзонным, а по числу точек контроля (горячих спаев) в одной зоне одинарным или тройным. При изготовлении многозонных преобразователей применена конструкция типа «пучок», когда каждая термопара ТЭП изготовлена из отдельного кабеля КТМС. Трудности при её реализации были связаны с миниатюризацией зоны выводов холодных концов термопар и необходимостью разработки прецизионных приемов лазерной сварки, что достигалось с помощью оригинальных приспособлений, гарантирующих фокусировку луча с требуемой точностью.

Испытания изделий установочной партии подтвердили соответствие их параметров заданным в ТУ. На базе полученных результатов подготовлены полные комплекты КД и ТД и в 2011 году выпущена головная штатная партия ТЭП (более 700 шт.) типа ТХА-11 (RU.С.32.004А № 40559).

Учитывая постоянно возрастающий темп работ по тематике быстрых реакторов и уже накопленный опыт освоения новых типов преобразователей, отделение «Атомтерм»

лицензировано на право конструирования термометрических средств измерения для различных атомных объектов, что позволило избежать потерь времени и дополнительных затрат, неизбежных при традиционной кооперации с ОАО «ОКБ «Гидропресс» и ОАО «ОКБМ Африкантов». Начиная с преобразователей ТХА/ТХК-12, всё последующее конструирование выполнялось отделением «Атомтерм» самостоятельно.

Термопреобразователи типа ТХА-14 (рисунок 2.3) должны устанавливаться в специальные герметичные чехлы, входящие в комплект поставки. Диапазон измерения - от 0 до +650°С, кратковременно (не более 100 часов за срок службы) до +800°С. Вероятность безотказной работы в течение 8 тысяч часов - не менее 0,98.

Рисунок 2.3 Конструкция высокотемпературных термопреобразователей типа ТХА-14 (два исполнения и схема соединения) ТЭП изготавливаются из кабеля КТМС (ХА) 2х0,06 (ТУ 16.505.757).

Конструкция узла ввода линий связи в головку восьмизонного ВТП ТХА-14 обеспечивает возможность подсоединения восьми линий связи. Расположение кабельных вводов: все 8 с одной стороны головки или по 4 ввода с противоположных сторон головки. Максимальные размеры головки ТХА-14: диаметр – 200 мм, расстояние от поверхности гильзы до верхней точки головки – 250 мм.

При технологической реализации обоих конструкций используются приемы лазерной сварки.

Естественно, что их последовательность определяется особенностями конструкции. Конструктивные особенности потребовали определённой модернизации методик и оборудования для испытаний и аттестации термопреобразователей. Поставки преобразователей на АЭС начались с конца 2013 года.

Термопреобразователи типа ТХА-15 (Рисунок 2.4) во многом аналогичны ТХА-08.00-01 и предназначены для установки в механизм сканирования по высоте активной зоны РУ БН 800, где они крепятся в герметичные защитные гильзы ГЗ-15.

Рисунок 2.4 Преобразователь термоэлектрический ТХА- В конструкции используется кабель КТМС (ХА) 2х0,9. Типовыми испытаниями подтверждены технические характеристики, заданные в ТЗ.

Термопреобразователи типа ТХА/ТХК-12 предназначены для температурного контроля свинцово-висмутового стендового комплекса. Основные характеристики и приемы изготовления ТХА/ТХК-12 аналогичны ТХА-08.000-01.В настоящее время изготовлена установочная партия преобразователей ТХА-12, ТХА-14, ТХА-15, проведены к испытания с целью утверждения типа и получены соответствующие Свидетельства.

Проводимые с 2010 ГЦИ ВНИИМС испытания стали также своеобразным мониторингом, подтверждающим высокий уровень выполненных разработок.

В третьей главе работы рассмотрены научно-технические и некоторые организационные аспекты модернизации первичных преобразователей температуры типа TXA/ТXK- 01, ТСП-03, ТСП-04 (внутризонные измерения), ТХА/ТХК-02, ТХА-08, ТСП-02, ТСП-05, ТСП-06, ТСП- (контроль технологического оборудования), TXA/TXK- 03, ТХК- 04, TXA/TXK- 05, ТХА-09, ТСМ\ТСП-02 (температурный контроль оборудования машзалов), предназначенных для комплектации АСУ ТП большинства АЭС с РУ РБМК и ВВЭР.

Проанализированы возможности совершенствования штатных контрольных средств за счет:

расширения номенклатуры термоэлектродных материалов, оптимизации их характеристик, типизации технологических процессов, совершенствования производственной инфраструктуры.

Необходимость актуализации КД и ТД помимо периодических изменений нормативной базы и потребностей переаттестации средств измерений (особенно для систем СВРК) диктовалось пятикратным ужесточением требований к точности выпускаемых внутризонных измерительных преобразователей в соответствии принятыми в концерне Росэнергоатом новыми нормами точности основных теплотехнических величин для АЭС с реакторами ВВЭР 1000 (РДЭ001512В соответствии с принятым документом допуски на точность измерения при выпуске преобразователей были ограничены 0,5 для ТЭП и 0,3°С для ТС. Соответствующие погрешности аттестации преобразователей установлены в ±0,19 и ±0,12°С, что фактически соответствовало эталонным средствам измерений второго разряда. И если для платиновых термометров сопротивления типа ТСП-03 это не встретило принципиальных трудностей в силу значительного опыта, накопленного для эталонных СИ, то для термоэлектрических преобразователей на базе многокомпонентных никелевых сплавов аналогичный опыт отсутствовал.

В связи с этим выполнен комплекс сравнительных исследований характеристик отечественного термопарного кабеля и аналогичных ему материалов из Германии, Англии и Японии. Используя приемы металло- и электронографического анализа (Рисунок 3.1 и рисунок 3.2), определены такие параметры как эффективные диаметры термоэлектродных жил, степень их овальности, расстояние между электродами и оболочкой, толщины оболочек, толщины переходных слоев с изоляцией.

Рисунок 3.1 Геометрические характеристики термопарного кабеля: а-термоэлектроды хромель-алюмель, б-электроизолирующий слой между термоэлектродом и оболочкой Рисунок 3.2 Электронная микроскопия граничных зон: а- алюмель-изолятор, б- изоляторзащитная оболочка Все эти характеристики были достаточно близкими, так же как микроструктура термоэлектродов разных производителей.

Микрозондовым анализом определены нюансы в распределении основных компонентов и примесей в различных элементах микроструктуры до и после их предварительного отжига выявлены. Его типичные результаты приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица 3. Содержание основных элементов в разных компонентах микроструктуры хромеля (КТМС завода «Кирскабель) Содержание основных элементов в разных компонентах микроструктуры, вес % элемент Исходн После отжига Исходн После отжига Исходн После отжига Для хромеля выявлена хотя и слабая, но устойчивая тенденция к понижению содержания как основного никеля, так и легирующего хрома на межзеренных границах, а также в зоне контакта хромелевого сплава с электроизолятором. Аналогичная картина сохранялась и после отжига образцов в течение 48 ч.

Иная динамика выявлена в поведении примесей. Уже в ходе технологического передела на границах раздела сплавов с керамикой происходит накопление избыточных количеств железа, кремния и магния, по-видимому, вследствие взаимодействия керамики как с хромелем, так и с нержавеющей сталью. При этом зернограничная диффузия приводит к отмеченному выше росту содержания примесных элементов в основе.

Последующий отжиг дополнительно интенсифицировал миграцию примесей. Отметим, что только содержание кремния после отжига выравнивалась по всему объему термоэлектрода.

Для аналогичного выравнивания содержания двух других элементов нужно, по-видимому, более длительное время.

Аналогичную картину наблюдали и в алюмеле, в чем легко убедиться по результатам поэлементного анализа, приведенного в следующей таблице.

Таблица 3. Содержание основных химических элементов в разных компонентах микроструктуры алюмеля (КТМС завода «Кирскабель) Содержание основных элементов в разных компонентах микроструктуры, вес % элемент Исходн После отжига Исходн После отжига Исходн После отжига Близкий характер элементных изменений был обнаружен и в термопарном кабеле зарубежных изготовителей.

Всё это предполагало повышенный по сравнению с платиновыми электродами, уровень термоэлектрической неоднородности кабеля, подтвержденный путем оценки термоЭДС между началом и концом каждой из исследуемых бухт (рисунки 3.3 и 3.4).

Рисунок 3.3 Отклонение термоЭДС от НСХ (в С) кабеля КТМС d=1,5 мм (Россия, Кирскабель) а) бухта № Рисунок 3.4 Кабель KSKP2B15-C d=1,5 мм, -фирма "Pirotenax", Англия бухта №В К сожалению, современный уровень металлофизики пока не позволяет установить однозначную количественную связь между выявленными неоднородностями состава и такой интегральной характеристикой, какой является термоэлектрическая неоднородность. Также отсутствуют надежные аналитические или экспериментальные методы количественной оценки влияния неоднородности на результаты измерений. Поэтому в прецизионных исследованиях, в частности, ресурсной стабильности термопреобразователей стремятся добиться идентичности температурных градиентов на измерительных позициях термопар и в контрольном оборудовании.

Американские стандарты ASTM E220-07a и SAE AMS 2750D вообще не рекомендуют проводить поверочные операции, если температурные градиенты в рабочих условиях отличаются от градиентов в поверочном оборудовании.

Следовало иметь в виду, что термопары в активной зоне РУ на всей длине находятся в квазиизотермическом потоке теплоносителя, а зона температурного градиента находится только в районе блока защитных труб, то есть на высоте более чем шесть метров от АЗ. Такая конфигурация теплового поля накладывает определенные ограничения на возможность любых поверочных процедур. Применение в указанных условиях самых точных реперных точек ограниченной длины даст ложный отсчет потому, что в зоне термического градиента поверочного устройства окажутся участки термоэлектродов с наиболее поврежденной структурой.

Ревизия всего информационного массива по стабильности термоэлектрических характеристик термоэлектродных материалов рассматриваемого типа показала, что условия идентичности температурных градиентов выполнялись лишь в единичных случаях. Надежность полученных данных снижала и неопределенность сведений о предварительной термообработке образцов.

Чтобы избежать указанных неопределенностей изменение термоЭДС термопарного Рисунок 3.5 Испытательная установка Изменение рабочего сигнала термопары ТХА-01, изготовленной из исходного термопарного кабеля, в ходе изотермической выдержки при 400 °С Оптимальность термообработки уточнена по результатам наблюдения за изменением разности сигналов дифференциально включенных термопар, одна из которых испытывалась в условиях стенда «Надежность» 28 тыс. часов, а вторая была изготовлена сваркой холодных концов той же термопары. При этом при нуле градусов термостатировался разрыв одного из термоэлектродов, вскрытых в средней части термопарного кабеля, а рабочие концы испытанной и вновь сформированной термопар устанавливались в одном и том же канале испытательного стенда «Надежность».

Начальные значения разности термоЭДС были близки к 2°С и в ходе последующей выдержки в течение 75 часов уменьшились почти в половину, что являлось следствием дополнительного отжига исходной термопары, вновь сформированной на холодном конце преобразователя.

Сопоставление этого результата с ранее полученным в ходе ресурсных испытаний, когда изменения НСХ определяли в калибраторе, позволило прийти к заключению, что неопределенности из-за недостаточной гомогенизации и термоэлектрической неоднородности термоэлектродов почти одинаковы и составляют значительную часть от выявленной ранее величины дрейфа.

Качество гомогенизации, помимо времени и температуры предварительного отжига зависело, как показано в работах Д.И.Конина (РНЦ «КИ»), от однородности температурного поля при отжиге, когда температурные градиенты ограничены долями градуса.

Что касается радиационной составляющей, то её вклад оценивался с использованием модели, обоснованной С.В.Приймаком, в предположении, что флюенс тепловых нейтронов в зоне температурного градиента блока защитных труб не превышал 1016 см-2. Расчетным путем установлено, что изменения рабочих характеристик не должны превышать 0,5°С. Тот же порядок дрейфа характеристик хромель-копелевых преобразователей определили по логарифмической Т (t)=-0,1279lnt+1,2046 и степенной Т (t)=-1,2837t-0,314,моделям, где t – длительность эксплуатации термоэлектрических преобразователей.

Таким образом, показано, что двух-трёхкратное увеличение длительности предварительного отжига повышает ресурсную способность термопарного кабеля в два-три раза, по сравнению с ранее установленным межповерочным интервалом, что внесено в документацию по выпуску преобразователей для систем внутриреакторного контроля (СВРК), разработанную в отделении «Атомтерм».

Базой для неё послужили результаты типизации технологических решений для более семидесяти типов ТЭП, освоенных на предприятии к 2009 году.

Итоговые типовые схемы универсальных технологических процессов изготовления ТП и ТС приведены на рисунках 3.1. и 3.2.

Рисунок 3.6 Схема универсального технологического процесса изготовления термоэлектрических преобразователей Типизация позволила сократить сроки работ и снизить их стоимость при определении объектов интеллектуальной собственности и технологических ноу-хау предприятия, а также оценить возможности снижения трудозатрат при изготовлении термометрической продукции. В последнем случае строились исходные карты потоков, в которых была отражена последовательность операций и процессов по превращению исходных материалов и полуфабрикатов в конечные продукты, а также предлагаемые варианты оптимизированных решений.

Примеры такого подхода проиллюстрированы на схемах рисунка 3.7., относящихся к процессам сушки и стабилизации преобразователей (рисунок 3.7.а), а также их сборки и засыпки (рисунок 3.7.б) Рисунок 3.7 Укрупненные схемы потока сборки преобразователей В первом случае реальный процессе (текущее состояние на схеме рисунок 3.3.а) характеризовался многократным перемещением ЧЭ на участке сушки и стабилизации. За восемь переходов суммарное расстояние составляло 288 м. При предложенном способе перемещении печей и вибратора (целевое состоянии на схеме рисунок 3.7.а) в общее помещение это расстояние существенно сокращается, также как и время, необходимое для реализации операций.

При реализации операций сборки и засыпки, например, термометров сопротивления, проводимых в различных помещениях на разных этажах производственного корпуса (текущее состояние на схеме рисунок 3.3.б), не исключалось насыщение ЧЭ влагой. Это было доказано с помощью причинно-следственной диаграммы Ишикавы путем сопоставления выборок данных по доле технологических отклонений за последние два года и выборки метрологических данных в дни, когда было обнаружено отклонение. Установлена прямая зависимость доли технологических отклонений в параметрах ТС от содержания влаги в окружающем воздухе.

Исключить эту зависимость удалось, сосредоточив оборудование на одном этаже в смежных помещениях (целевое состояние на схеме рисунок 3.7.б).

Только на первом этапе проекта (таблица 3.4) добились определенного улучшения показателей и получили годовой экономический эффект 2,5 млн. руб.

Таблица 3. Целевые показатели проекта Трудозатраты на изготовление 1 единицы продукции, мин 2300 Доля датчиков подвергавшихся технологической доработке, % 10 1, В четвёртой главе приведены результаты модернизации УКПТП, в ходе которой разработан эффективный способ производства корпусных деталей и в кооперации с ОАО НПП «ЭЛЕМЕР» создан новый электронный блок.

Предыдущие варианты технологии изготовления корпусных деталей предусматривали механическую обработку заготовок из алюминиевых сплавов АК 12 и АК7 или их литьё в песчано-глинистые формы. В обоих случаях требовалась серьёзная механическая доработка получаемых заготовок.

Было установлено, что этих недостатков лишен способ изготовления заготовок деталей данного устройства литьём в металлические формы (кокили), который позволяет получать отливки по 3-5 классу точности с высокой чистотой поверхности. По ТЗ, разработанному автором, спроектированы и изготовлены металлические формы (кокили) для изготовления деталей, а также спроектированы и изготовлены дополнительные устройства к кокильному станку УКГ 1 для получения отливок "крышка", "коробка", "крышка коробки" (рисунок 4.1 а) и специальному кокильному станку КСУ (рисунок 4.1 б) для формирования корпуса.

Рисунок 4.1 Станки кокильные: а - УКГ 1 ; б - КСУ Монтаж и отладка кокильных станков в ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» проведены на специализированном участке повышенной производительности, на котором внедрена технология, обеспечившая объём полезно используемого сплава до 85% и, фактически, не требовавшая дополнительной механической обработки (рисунок 4.2). Разработанный технологический регламент включен в объем техдокументации по выпуску модернизированного УКПТП.

Рис. 4.2 Общий вид кокильных отливок: а - корпус; б - крышка; в - коробка; г - крышка коробки Разработанный блок питания имел: 1, 2, 4 или 8 гальванически развязанных каналов, схему электронной защиты от перегрузок и коротких замыканий, двойную параметрическую стабилизацию с высоким КПД, возможность объединения по выходу двух и более каналов с целью повышения надежности и нагрузочной способности, автоматическое восстановление работоспособности после устранения причин перегрузки или короткого замыкания и автоматическое переключение на резервное питание.

Разработаны программа и методика испытаний, по результатам которых подтверждено соответствие модернизированных УКПТП утвержденному типу СИ. К настоящему времени изготовлены около 200 активных и пассивных устройств для Балаковской АЭС, Ростовской АЭС и АЭС «Куданкулам» (Индия).

В пятой главе рассмотрены итоги работ по расширению номенклатуры высокотемпературных термопреобразователей с чувствительным элементом из вольфрамрениевых сплавов (типа ВР5/20).

Принимая во внимание, что при отработке ЯЭУ типа «ТОПАЗ» требуется контролировать температуры: получения тугоплавких материалов, включая монокристальные, и формирование их них заготовок и деталей; термической обработки материалов и изделий в разных средах;

горячего прессования; спекания тугоплавких металлических и керамических порошков, в том числе ядерного топлива; нанесения одно- и многослойных покрытий и металлизации электроизоляторов; производства высокотемпературных припоев; пайки и сварки узлов и сборочных единиц, а также групповых технологических процессов, в ходе которых одновременной обработке подвергаются большое количество заготовок, разработаны термопреобразователи (рисунок 5.1) Рисунок 5.1 Термопреобразователи высокотемпературные а) со сменной вставкой КЛ- (комплект КД КЛ-202), б) газонаполненный КЛ-204 (комплект КД КЛ-204), в) с двойным защитным чехлом КЛ-210 (комплект КД КЛ-210), г) многозонный КЛ-217 с подвижной термопарой для периодической бездемонтажной калибровки стационарных термопар (комплект КД КЛ-210) В большинстве конструкций использованы защитные чехлы из молибдена (иногда с тугоплавкими покрытиями). В некоторых случаях его заменяли лейкосапфировыми чехлами.

Технологические приемы изготовления подобных датчиков были отработаны ранее в ходе создания прототипа ядерного ракетного двигателя.

Опытные образцы преобразователей (рисунок 5.1 б и г) успешно испытаны в условиях шахтных печей для спекания топливных таблеток (ОАО «МСЗ», г.Электросталь).

Преобразователь с двойным защитным чехлом (рисунок 5.1 в) используется при испытаниях твэлов в условиях LOKA на теплофизическом стенде ПАРАМЕТР (ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ», г.Подольск).

Обеспечен выпуск экспериментальных преобразователей (рисунок 5.1.а) для температурного контроля элементов ЭГК при их испытаниях в реакторных условиях.

С целью повышения высокотемпературной прочности и термоэлектрический стабильности термопар типа ВР5/20 исследована возможность использования в качестве дублера её положительного электрода композита ВР5, модифицированного 0,1% наночастиц оксида иттрия со средним размером зерна 50 нм. Изготовлена опытная партия дисперсноупрочненной термоэлектродной проволоки диаметром 0,35 мм. Технологические приемы изготовления исходных штабиков и предварительной термообработки полученной протяжкой проволоки, аналогичны ранее применявшимся на МЭЛЗ.

Структура композита однородна по всему сечению и состоит из длинных вытянутых вдоль направления волочения зёрен, с размером в поперечнике ~ (1-5) мкм и высокой деформации микротвёрдостью - 530-540кг/мм2, (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 Микроструктура дисперсионноупрочненного термоэлектрода ВР5/20, содержащего 0,1% наночастиц оксида иттрия (ВИР5), а) - металлографический шлиф; б) - электронная фотография В ходе исследований при температурах, приближенных к верхнему пределу, характерному для технологии производства компонентов ЯЭУ ТОПАЗ, выявлена недостаточность стабилизации свойств материала в ходе традиционного отжига проволоки методом перемотки в водороде при температуре 1500°С.

Результаты, полученные в ходе циклических отжигов в аргоне при температуре 1700°С, показали, что термоЭДС исследуемого электрода стабилизировалась только после двукратного почти 10-часового отжига (рисунок 5.3). После этого прямой и обратный ход в последнем цикле практически совпал. Металлографическое исследование отожженного композита свидетельствовало о заметном развитии в композите процессов рекристаллизации, сопровождавшихся перестройкой микроструктуры и ростом зерен.

Рисунок 5.3 Изменение термоЭДС пары ВР5 (0,1% наночастиц оксида иттрия) /ВР20 (бухта градуировка А1) в трёх последовательных циклах нагрев-охлаждение в интервале 700-1700С Совокупность полученных результатов позволяет предположить, что определяющую роль в поведении исследуемого композита на начальном этапе отжига играет избыточное внутреннее напряжение, обусловленное внедрением в металлическую матрицу большого числа оксидных наночастиц, дислоцированных преимущественно по границам сильно деформированных зерен.

Именно их влияние и ответственно за нерегулярный характер изменений термоЭДС, наблюдавшийся в первых циклах охлаждения до температуры 1700°С.

Следует ожидать, что снижение количества наночастиц в композите будет более благоприятным с точки зрения оптимизации предварительного режима его термообработки.

При высокотемпературных измерениях важны также способы неразрушающего контроля состояния чувствительных элементов преобразователей. Одна из возможностей оценки состояния ЧЭ определена в ходе работ по международной стандартизации НСХ ВР5/20. Часть итоговых результатов градуировочных работ, выполненных во ФГУП «ВНИИМ им.

Д.И.Менделеева» (С-Петербург), PTB (Германия), ООО «ОТК» (Обнинск), ФБУ «РОСТЕСТМосква», ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» (г.Подольск), NIST (США), NIMJ (Япония), NRC (Канада) приведены на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 Исходная и конечные кривые калибровки ООО «ОТК», РТВ и ВНИИМ Немецкими специалистами при максимальных температурах обнаружен выход рабочего сигнала за пределы допуска, что потребовало соответствующего объяснения. Оказалось, что причина такого поведения связана с особенностями поверочного оборудования нового поколения, в котором используются реперные графитовые ампулы, заполненные металл-углеродными эвтектиками. Именно взаимодействие с графитом при температуре выше 1800°С и стало причиной неблагоприятных изменений градуировки.

При этом было обращено внимание на аномальный характер изменения рабочего сигнала того же ВТП в реперной точке меди. Это обстоятельство позволило предложить подобный прием в качестве метода неразрушающего контроля состояния ЧЭ. Немецкие специалисты согласились с мнением российской стороны о том, что указанный тест должен быть определяющим при оценках надежности результатов, получаемых в графитовых реперных ампулах.

В последней, шестой, главе работы рассмотрены основные результаты совершенствования инфраструктуры отделения «Атомтерм» и приведены его экономические показатели за последние пять лет.

Этой работе предшествовал детальный анализ ситуации с привлечением концепции контроллинга, функции системы которого должны были быть распределены между всеми привлекаемыми подразделениями института.

Наиболее оптимальной признана автономная структура отделения (рисунок 6.1), обеспечивающая полный цикл разработки, освоения технологии, проведения испытаний, постановки на производство и выпуск средств температурного контроля.

Рисунок 6.1 Структурная схема отделения «Атомтерм»

Сформирована новая система управления затратами. При этом учет всех результатов планово-экономической деятельности отделение осуществляло через бухгалтерию, финансовый и планово-экономической отделы предприятия. Метрологическое обеспечение выпускаемых средств температурного контроля, организацию участия отделения в конкурсных процедурах на поставку термометрической продукции, закупку материалов и комплектующих отделение и его подразделения осуществляли с помощью функциональных служб предприятия.

В соответствии с требованиями по безопасности, установленными нормами и правилами Ростехнадзора, на предприятии разработана и действует программа обеспечения качества при изготовлении датчиков температуры, изделий для их защиты и коммутации. Программа описывает систему управления качеством при изготовлении оборудования и поставке на действующие и строящиеся отечественные и зарубежные АЭС.

Поскольку качество продукции также признано важным затратообразующим фактором, управление затратами на качество являлось самостоятельной подсистемой, тесно связанной с системой управления. В связи с этим учет затрат на качество и разработка соответствующих отчетных форм стали одной из важнейших задач служб контроллинга.

Отработка новой инфраструктуры производства и взаимодействие со смежниками в системе контроллинга заняли почти год и были полностью реализованы в 2010 году.

Итогом внедрения предложенной системы контроллинга явилась значительное (на 4,8%) снижение уровня операционных затрат. Итоговые экономические показатели производства приведены на рисунке 6. Рисунок 6.2 Экономические показатели производства за последние 5 лет Положительная динамика свидетельствует о высокой экономической устойчивости производства в условиях постоянно растущей конкуренции, что является залогом оснащения отрасли специализированными средствами температурного контроля с гарантированным уровнем надежности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Проведен комплексный анализ состояния температурных измерений и определены пути совершенствования специализированных термометрических средств для АЭС и КЯЭУ.

2.Разработана оригинальная технология изготовления, в том числе многозонных преобразователей (ТХА-08.000.01, ТХА-11, ТХА/ТХК-12, ТХА-14 и ТХА-15), работоспособных в условиях запроектных аварий на АЭС с РУ БН.

3.Проведены испытания с целью утверждения типа и лицензированы ТХА-08.000.01, ТХА-11, подготовлены к аттестации ТХА/ТХК-12, ТХА-14 и ТХА-15.

4.Разработаны способы совершенствования термометрических средств, включая устройство компенсационного подключения термоэлектрических преобразователей, устанавливаемых в активных зонах РУ АЭС.

5.Актуализирована конструкторская и технологическая документация по выпуску из производства всей номенклатуры термометрических средств для АЭС РУ ВВЭР и РБМК.

6.Предложен новый подход к оценке ресурсной способности внутриреакторных термоэлектрических преобразователей и показана возможность повышения в 3-4 раза их межповерочного интервала за счет дополнительного низкоградиентного отжига термопарного кабеля.

7.Разработаны варианты конструкций преобразователей на базе термопары ВР5/20 для организации температурного контроля технологических операций по изготовлению компонентов и ЭГК термоэмиссионных установок типа «ТОПАЗ».

8.Исследованы возможности упрочнения высокотемператуных термоэлектродов путем легирования наночастицами оксида иттрия.

9.Обосновано включение НСХ отечественной термопары ВР5/20 в состав Международного стандарта МЭК 60584-1.

10.Оптимизирована инфраструктура производства термометрических средств и повышена его технико-экономическая эффективность.

11.Начиная с 2009 года, поставлено на российские и зарубежные атомные объекты и для КЯЭУ более 30 тыс. термоэлектрических преобразователей, термометров сопротивления, а также средств для их защиты и коммутации почти 1000 исполнений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1.Зайцев П.А. Состояние температурных измерений на АЭС и в атомной промышленности (разработка и производство термометрических средств контроля) //Аналитический обзор ДСП.

№1024- Подольск - ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» -2013-81 с.

2.Богданова Л.В., Денискин В.П., Зайцев П.А. и др. Датчики температуры ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» - фактор надежности для АЭС. //АТОМКОН-2010-№1 (6)-С.56-59.

3.Зайцев П.А., Усачев В.Б., Олейников П.П. Работы ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» по обеспечению надежности термометрических средств для АЭС. //Доклад-Международный симпозиум «Измерения, важные для безопасности в реакторах»- Козлодуй (Болгария) -2010.

4.Зайцев П.А., Усачев В.Б., Олейников П.П. Некоторые особенности термоэлектродных материалов для ТЭП, разработанных в атомной промышленности. //Цветные металлы- 2011С.106-109.

5.Зайцев П.А., Орлов В.П., Горшков А.Е. Новые термоэлектрические преобразователи для контроля температуры в РУ БН. //Тез.докл. -8-ая Международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность. Экономика атомной энергетики»-М.Росэнергоатом-2012, - С.102.

6.Зайцев П.А., Приймак С.В., Логинов В.Н. и др. Модели дрейфа градуированных характеристик термоэлектрических преобразователей и термометров сопротивления в реакторных условиях. –Атомная энергия, -2012-Т.113 (3) -С.179-180.

7.Зайцев П.А., Улановский А.А., Ненашев С.Н., Гончарук Т.Ю. и др. Использование сплавов вольфрама и рения для производства высокотемпературных термопар ВР5/ВР20.//Тез. докл. 7ой Международный симпозиум «Технеций и рений: изучение свойств и применение», -М.РАН(«Граница»)- 2011-С.166-167.

8.Зайцев П.А., Турчин В.Н., Улановкий А.А. Термоэлектрические свойства вольфрамрениевых композитов, упрочненных наночастицами оксида иттрия. //Тез.докл. 9-тый Международный температурный симпозиум -Лос-Анжелес (США) -Американский институт физики-1552- Мелвил-Нью-Йорк-2013-Р.591-594.

9.Зайцев П.А., Приймак С.В., Олейников П.П., и др.Особенности температурного контроля оболочки твэлов реактора ВВЭР 1000 при имитации аварийных ситуаций. //Ядерные измерительно-информационные технологии- 2012г-№3(43) -С.53-62.

10.Зайцев П.А., Усачев В.Б. Управление затратами производства средств температурного контроля на основе концепции контроллинга. //Цветные металлы, 2011-№ 1-С..7-10.