«Средства температурного контроля для современных ЯЭУ ...»

1

Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

«НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ НАУЧНОПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ЛУЧ»

(ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ»)

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»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

док.техн.наук., проф.

Олейников Петр Петрович Подольск – 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ……………………………………………………………………. ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………… Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЯЭУ …..

1.1 Особенности организации температурных измерений на АЭС...... 1.1.1 Измерительные преобразователи для АЭС………………… 1.1.2Устройства подключения, компенсации и защиты ТП 1.1.3Состояние производства термометрических средств для АЭС………………………………………………………………………. 1.2 Высокотемпературные средства измерений для ЯЭУ …………… 1.2.1 Особенности создания контактных средств измерений температуры в диапазоне 1000-2500°С………………………………..

1.2.2 Штатные преобразователи для ЯРД…………………………. 1.2.3 Состояние работ в области высокотемпературной термометрии к 2008 году………………………………………………..

Глава 2 Разработка термопреобразователей для РУ БН…………………. 2.1 Термопреобразователь типа ВТП ТХА-08.000-01………………. 2.2 Высокотемпературные термопреобразователи типа ТХА-11…...... 2.3 Термопреобразователь типа ТП ТХА/ТХК-12………………….. 2.4 Высокотемпературные термопреобразователи типа ТХА-14………… 2.5 Высокотемпературные термопреобразователи типа ТХА-15…... Глава 3 Совершенствование первичных температурных преобразователей для АЭС с РУ РБМК И ВВЭР…………………………..

3.1 Типизация технологических схем производства измерительных преобразователей………………………………………………………..

3.2 Оптимизация производства измерительных преобразователей… Улучшение характеристик измерительных 3. преобразователей……………………………………………………….

Структурные особенности КТМС разных 3.3. производителей……………………………………………………… Особенности характеристик термоэлектрических 3.3. преобразователей…………………………………………………….

Особенности характеристик термометров 3.3. сопротивления………………………………………………………..

ГЛАВА 4 МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИОННОГО

ПОДКЛЮЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ (УКПТП) ……….……….

4.1 Разработка технологии литья в металлические формы (кокили)………………

Основные результаты испытаний модернизированных УКПТП……………………………………………………………..…

Глава 5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

5.1 Высокотемпературные термоэлектрические преобразователи в производстве электрогенерирующих каналов термоэмиссионных 5.2 Исследование возможностей улучшения термоэлектрических свойств вольфрам-рениевых термопар за счет легирования положительного термоэлектрода наночастицами оксида иттрия.…………………………………………………………………….

5.3 Международная стандартизация НСХ термопары ВР5/20………

Глава СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНФРАСТРУКТУРЫ И

УПРАВЛЕНИЯ ЗАТРАТАМИ ПРОИЗВОДСТВА СРЕДСТВ

ТЕМПЕРАТУРНОГО КОНТРОЛЯ …………………………….………….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ……………… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………… СПИСОКИЛЛЮСТРАТИВНОГО МАТЕРИАЛА…………………………… Актуальность проблемы. Температура – один из важнейших параметров, назначения.

дислоцируются на нескольких тысячах измерительных позиций. Именно с их 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.

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

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 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., не благоприятно 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 инфраструктуры и повышения эффективности производства преобразовательных КЯЭУ.

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 вольфрам-рениевых 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 характеристиками для внутриреакторного и технологического контроля на АЭС с РУ РБМК и ВВЭР;

-разработана технология и оборудование кокильного литья корпусных деталей компенсационных устройств подключения термоэлектричских преобразователей (УКПТП);

-на базе термопар ВР5/20 созданы высокотемпературные преобразователи КЛ-201, -204, -210, 217, отвечающие потребностям разработки КЯЭУ;

термопары ВР5/20 требованиям МЭК;

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 техникоэкономических показателей производства.

Методы исследования.

основные положения термодинамики и термометрии, методы математического анализа и статистик, 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 оригинальных преобразователей, включая многозонные, для РУ БН.

-Результаты экспериментальных исследований по улучшению рабочих внутриреакторного и технологического контроля РУ с РБМК и ВВЭР.

-Модели дрейфа градуировочных характеристик термоэлектрических преобразователей и термометров сопротивления.

преобразователей.

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

-Рекомендации 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/ включены в Международные стандарты МЭК №60584-1 и №60584-2.

Сформирован единый конструкторский, технологический и инфраструктурой.

Апробация.

Основные результаты работ были доложены и обсуждались на:

-Международном симпозиуме «Измерения важные для безопасности в реакторах» (Козлодуй, Болгария, 2010);

-пятой и шестой Международных научно-практических конференциях «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.);

обеспечение измерений в Госкорпорации «Росатом» (Сочи, Россия, 2010, 2012г.);

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

(Мадейра, Португалия, 2013г.).

Выполненные лично автором работы состоят:

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 выводов. 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 метрологического профиля.

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 изменяемой 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 167 страницах машинописного текста, 25 таблиц, 49 рисунков и схем, и состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 115 наименований.

Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СООСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ЯЭУ

Детальный анализ организации температурных измерений в ЯЭУ различного назначения выполнен автором в обзоре [1], в котором по результатам более чем полутора сотен публикаций рассмотрены особенности разработки, испытаний, производства и эксплуатации всей номенклатуры термометрических средств, применяемых в отрасли.

Учитывая существенную разницу в способах решения измерительных задач на АС, где температуры оборудования ограничены 500-700°С и пока, по сути, экспериментальных ядерных преобразовательных установках с рабочими температурами, в пределе на 2000 градусов более высокими, обзор разделен на два соответствующих раздела. В одном из них рассмотрены также специфические проблемы технологического контроля при изготовлении тепловыделяющих элементов и электрогенерирующих каналов ЯЭУ, когда контролируемые температуры имеет промежуточные значения.

1.1 Особенности организации температурных измерений на АЭС.

На начальном этапе работ по промышленному освоению станций с реакторами различного типа основной вклад в разработку температурной тематики внесли специалисты головных научно-исследовательских и проектных институтов отрасли – ИАЭ им. И.В.Курчатова, НИКИЭТ, Гидропресс, ФЭИ и др.

С конца 60-х годов в НИКИЭТ были разработаны конструкции шести типов термоэлектрических преобразователей испытанных в лабораторных условиях, исследовательских и промышленных реакторах, а также на головных блоках АЭС. Несколько позже аналогичные разработки «Гидропресс».

преобразователей, коммутации и компенсации их рабочих сигналов.

разработанных средств были переданы головному предприятию Минприбора – КБ «Термоприбор» (г. Львов). Именно там дорабатывался весь объём рабочей конструкторской документации, создавались необходимые производственные линии, испытательные подразделения и накапливалась комплексная информация, включая результаты подконтрольной эксплуатации средств измерений на атомных объектах. Серийный выпуск СИ был организован на ПО «Электротермометрия» (г. Луцк.).

В том же регионе разрабатывалась и производилась вторичная аппаратура для всех систем температурного контроля.

За относительно короткий срок созданное объединение заняло ведущее, по существу, монопольное положение в разработке температурных СИ не только для атомной промышленности, но и для всех отраслей народного хозяйства. Оно во многом определяло направление научно-технической политики и уровень информационного обеспечения вида измерения в стране.

К сожалению, разрыв хозяйственных связей между странами СНГ быстро привел монопольного производителя к неоправданной технической и ценовой политике по отношению к российским потребителям. Несмотря на то, что значительная часть комплектующих как для термоэлектрических преобразователей (термоэлектроды, термопарный кабель, компенсационные провода, электроизоляция), так и термометров сопротивления (платиновая и медная проволока для чувствительных элементов и ряд других материалов), своевременно поставлялись на Украину из России, обеспеченность атомной недостаточной.

Попытки выйти из положения путём привлечения возможностей ряда подразделений научно-исследовательских организаций, имеющих многолетний опыт разработки и изготовления не стандартизованных СИ или использования надежности. Тем не менее, на станции длительное время в ограниченном объеме продолжали поступать не стандартизованные (экспериментальные) преобразователи РНЦ «КИ» и ВНИИАМ, о которых еще пойдет речь ниже.

Переориентация в сжатые сроки российских производителей СИ бывшего Минприбора или Госстандарта на выпуск продукции в атомном исполнении оказалась практически нереализуемой. Во-первых, для всех отечественных конструкторской и технологической документации. Во-вторых, из-за давности ее разработки в ней не учитывались требования новых норм и правил, и вряд ли этот недостаток можно было исправить оперативной корректировкой. В-третьих, оснащенность действовавших производств была явно недостаточной для выпуска необходимой испытательной базы.

Именно поэтому Минатом и принял стратегическое решение (№010- необходимых термометрических средств путем конверсии ряда лабораторий НИИ НПО «Луч» [2]. При этом кооперация со смежными организациями и потенциальных интеллектуальных и финансовых затрат.

Вопросы восстановления надлежащего качества измерений на АЭС решались с учетом:

-принятия в России целого ряда новых основополагающих законов «Об обеспечении единства измерений» (1993г.), «Об использовании атомной энергии» (1994г.), «Об энергосбережении» (1994 г.), «О сертификации продукции и услуг» (1993 г.) и др.;

-введения значительного числа новых ГОСТов, правил, инструкций, указаний, рекомендаций и т.п. как в области, подлежащей государственному контролю и надзору за использованием атомной энергии (Госатомнадзор России), так и при контроле и надзоре за метрологическими нормами и правилами (Госстандарт России);

- внедрения в стране принятой международным сообществом в 1990 г.

новой Международной температурной шкалы МТШ-90.

-жестких ограничений правил лицензирования в РФ разных видов деятельности.

Последнее обстоятельство ограничило возможности разработки полного объёма конструкторской документации, отвечающей современным нормативам, главными конструкторами реакторов РБМК (НИКИЭТ) и ВВЭР (ОКБ «Гидропресс»), имеющими необходимые лицензии.

Типаж термопреобразователей, разработанных ОКБ «Гидропресс» и НИКИЭТ для российских АЭС обсуждался в [3], и приведен в таблицах 1.1-1.3.

Таблица 1. Термопреобразователи и термометры сопротивления для термоконтроля теплоносителя в активной зоне реакторных установок АЭС Таблица 1. Термопреобразователи и термометры сопротивления для термоконтроля основного технологического оборудования реакторных установок АЭС Таблица 1. Термопреобразователи и термометры сопротивления для термоконтроля оборудования машзалов АЭС Тип Рабочий диапазон Класс допуска Класс безопасности Характерной особенностью измерительных позиций в активных зонах (АЗ) ядерных установок являются:

-труднодоступность и большая затеснённость при размещении первичных преобразователей во всех АЗ;

-воздействие на преобразователи интенсивных реакторных излучений;

- механические воздействия (вибрационные и ударные нагрузки);

-трудности эксплуатации, связанные с наведённой активностью и невозможностью демонтажа датчиков с целью их поверки;

-невозможность преобразователей.

Конструктивные исполнения внутризонных датчиков показаны на рис. 1.1 – 1.2.

Рисунок Конструкции термоэлектрических преобразователей, применяемых на АЭС с РУ ВВЭР: а – ТХА/ТХК-01; б - ТХА/ТХК-02; в ТХА/ТХК-03; г - ТХА/ТХК- Рисунок 1.2 Конструкции термопреобразователей сопротивления: а -ТСП-01;

б - ТСП-03; в-ТСП-04; г-ТСП- Сопоставление термопреобразователей, разработанных ОКБ «Гидропресс» и «Электротермометрия» приведено в таблице 1.4.

Таблица 1. Первичные измерительные преобразователи для АЭС с РУ ВВЭР (по классификации НИИ НПО «ЛУЧ» и ПО «Электротермометрия») Обознач. типа ТП Обозначение типа термопреобразователей по каталогу (отд. «Техно-Луч») ТСП-01 Рис.1* ТСП-1390 Рис. 9, 12 ТСП-0879 Рис. ТСП-05 Рис. ТСП-05 Рис. ТСП-05 Рис. ТСП-02 Рис.1 ТСП-0690 Рис.3 ТСП-0879-01 Рис. Продолжение таблицы 1. ТСП-03 Рис. 1, 2 ТСП-1390 Рис. 1, 2 ТСП-8053 Рис.1, * Рис. — тип (вид) исполнения.

преобразователей обоих изготовителей, что было важно в начальный переходный период.

Естественно, что все перечисленные преобразователи должны были отвечать вновь установленным ограничениям по прочности и герметичности их узлов герметизации, электросопротивления изоляции, стойкости к механическим и иным воздействиям при хранении и транспортировке.

Работоспособность датчиков должна сохраняться в аварийных условиях, когда всё оборудование подвергается воздействию сначала паровой смеси, а затем горючих дезактивационных растворов. При этом длительность воздействий зависит от тяжести аварии (так называемая «малая» и «большая»

течи) и в пределе может составлять сотни часов. С аварийными ситуациями на сейсмостойкости, ударной и вибропрочности и т.д.

испытаний и контроля, которым должны подвергаться все термометрические средства при приемосдаточных, периодических испытаниях и испытаниях с целью утверждения типа. Их номенклатура, для ТЭП отечественных станций включала 24 позиции. Для экспортной продукции в объём типовых испытаний преобразователей были дополнительно включены [4]:

-проверка на устойчивость к опрессовке помещения;

-проверка сейсмостойкости при сейсмических перегрузках МРЗ и вибростойкости при вибрационных нагрузках, вызванных падением самолета и ударной волной;

-испытания на устойчивость к возникновению плесневых грибов;

-проверка устойчивости к воздействиям соленого (морского) тумана, а также атмосферы типа IV;

-дополнительные испытания на воздействия магнитного поля.

Итоговым показателем являлась надежность изделий, регламентированная в каждом ТУ.

Особенности организации производства термометрических изделий детально охарактеризованы в [2].

Их разработка и постановка на производство полностью соответствовали требованиям ПНАЭ Г-1-028-91 (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 Структурная схема разработки и внедрения изделий в производство Все технологические приемы изготовления преобразователей, а также других элементов измерительных каналов разработаны специалистами НИИ НПО «ЛУЧ», нашли исчерпывающее отражение в [5].

Разработанная при этом система качества полностью отвечала требованиям ПНГосатомнадзора России, инспекция которого осуществляла приёмку продукции и систематически контролировала состояние оборудования и технологии.

Принимая во внимание повышенные требования к надёжности изделий, соответствующий испытательный комплекс с использованием ранее созданной в НИИ НПО «ЛУЧ» стендовая база, включавшей установки для вибрационных, ударных, климатических и транспортных испытаний широкого спектра изделий, ранее выпускавшихся на предприятии в так называемом атомном исполнении.

Часть стендов была спроектирована, изготовлена и аттестована с учётом специальных требований ТУ (ТУ 95 2380-92, ТУ 95 2381-92, ТУ 95 2464-93, ТУ 2465-93, ТУ 95 2466-93, ТУ 95 2541-94, ТУ 95 2573-94, ТУ 95 2672-97), так как не удалось подобрать промышленно выпускаемое оборудование с необходимыми характеристиками.

Среди нескольких десятков потребовавшихся испытательных установок и выпускавшимся серийно и реализовавшим хорошо апробированные методики. К таковым, прежде всего, относились процедуры и оборудование контроля и испытаний электрических параметров различных элементов преобразователей при разных температурных и климатических воздействиях: электросопротивление чувствительных элементов, сопротивление изоляции, ее электрическая прочность, термоэлектрические характеристики термопар, их стабильность и т.п. При этом для реализации методик испытаний требовались простейшие приспособления, например к камерам Т-1000 (устойчивость ТП к повышенным температурам) и КТЛК- (устойчивость приспособлениями ограничились и при организации неразрушающего контроля (рентгеновского, Госатомнадзором РФ, а также при испытаниях на устойчивость к межкристаллитной коррозии.

Более сложные приспособления потребовались к стендам ВЭДС (испытания ТП на виброустойчивость и вибропрочность, в том числе при транспортировке), СТТиспытания на прочность к воздействию ударов при транспортировке) и при испытаниях на сейсмостойкость.

Ряд имеющихся установок позволял проводить контрольные операции с определенными ограничениями, например по производительности, точности воспроизведения необходимых испытательных воздействий, степени автоматизированности и т.п. К таковым можно отнести очень инерционное термическое оборудование большинства отечественных поверочных установок, оборудование по оценке показателя тепловой инерции ТП и др.

Для реализации почти трети необходимых испытаний разработан ряд специализированных стендов, перечисленных в таблице.1.5 [6]. Их детальные описания вместе с описаниями испытательных процедур содержатся в соответствующих технических описаниях, инструкциях по эксплуатации, рабочих методиках испытаний.

Таблица 1. Испытательные стенды, разработанные в НИИ НПО «ЛУЧ» в 1992-1994гг. при организации производства ТЭП «Параметр - Б» Ц 1525 Испытание ТЭП на устойчивость к обработке поверхности «Прочность»

«Вауумный»

«Герметичность»

Продолжение таблицы 1. Ц 1570 Испытания устойчивости спаев ТЭП к термоударам «Термоцикл»

«Надежность-1»

«Надежность-2»

«Надежность-3»

«Надежность-4»

«Надежность-5»

«Технотерм»

В документах, регламентирующих методики испытаний, установлены:

-назначение и область распространения методики испытаний;

-перечень параметров, определяемых при испытаниях;

-характеристики всех воздействующих факторов;

-методы измерений их параметров и характеристик продукции при испытаниях;

-требования к СИ, ИО, вспомогательным устройствам и материалам, применяемым при испытаниях продукции;

-операции подготовки к испытаниям и выполнения испытаний ТЭП;

-операции обработки (вычисления) результатов измерений, выполняемых при испытаниях продукции;

-требования к оформлению результатов испытаний продукции;

-требования к квалификации и обучению персонала, проводящего испытания;

практически (и даже иногда текстуально) совпадает с формулировками ряда позднее принятых нормативных документов.

Описанный комплекс стал технической базой вышеупомянутой системы статистические методы анализа распределений. Их примеры приведены на рисунках 1.4-1.6 [7].

Рисунок Гистограмма распределения термоэлектрических преобразователей типов ТХА/ТХК-02, изготовленных в 1997-1998гг (752 шт.) по тепловой инерции Рисунок Гистограмма распределения термоэлектрических преобразователей типов ТХА -03 (809 шт.), ТХК -03 (566 шт.), изготовленных в 1998 г из проволоки диаметром 1,2 мм, по электрическому сопротивлению (на 1 м длины ТЭП) Рисунок Гистограмма распределения термоэлектрических преобразователей изготовленных в 1997-1998гг (681 шт.) по отклонениям термоЭДС при 300 °С от НСХ ХА (в температурном эквиваленте °С) Устойчивость подобных распределений в различные периоды выпуска изделий служили лучшим доказательством стабильности технологии производства [7].

1.1.2 Устройства подключения, компенсации и защиты ТП Часть испытательного и контрольного оборудования использовалась также при аттестации таких вспомогательных устройств как устройства подключения термоэлектрических преобразователей (рисунок 1.7), устройства компенсации (рисунок 1.8) и защиты (рисунок 1.9).

Устройства УПТП выполняют следующие функции:

-подключение от 7 до 18 преобразователей термоэлектрических (ТЭП) внутриреакторного контроля, объединенных в пучки термоконтроля (ТК), к кабельному шлейфу ТК;

-выравнивание температур свободных концов ТП;

-выдачу информации о температуре свободных концов ТП по двум независимым каналам в виде значения сопротивления двух термопреобразователей сопротивления;

-защиту узла выводов ТП от воздействия окружающей среды;

-компенсацию излишков длин ТП.

Рисунок 1.7 Устройство подключения термоэлектрических преобразователей аУПТП-01, б-УПТП- Технические характеристики УПТП-01 и -02:

Защищенность от пыли и воды-пыле- водозащищенное Герметичность к внешней среде -герметично Погрешность измерения температуры внутри УПТП-01, °С, не более Класс безопасности по ПНАЭГ-01-011-97-ЗН Категория сейсмостойкости Условия окружающей среды:

Относительная влажность при температуре- до 40 °С, %до Таблица 1. Модификации устройств подключения термоэлектрических преобразователей Модификация (ОКБ «Гидропресс», Аналог (Украина) НПО «ЛУЧ») Другим типом термометрических устройств были устройства компенсационные подключения ТП (УКПТП). Они предназначены для подключения преобразователей термоэлектрических (ТЭП) кабельного типа, наружным диаметром 1,5...4,0 мм, без головок к линиям связи с вторичной аппаратурой в системах температурного контроля оборудования реакторных установок АЭС с ВВЭР, выравнивания температуры в местах подключения соединительных спаев ТП и автоматической компенсации влияния изменений температуры соединительных спаев ТП на величину выходных сигналов ТЭП (автоматическое введение поправки). Разработано три исполнения: два с использованием блока питания (БП) для автоматической компенсации температуры соединительных спаев ТЭП с НСХ ХА(К), ТЭП с НСХ XK(L) и одно без БП и без компенсации, с выдачей информации о температуре соединительных спаев ТП.

Защитная коробка имеет вид, показанный на рисунке 1.4. В блоки питания (разработки СНИИП) - шесть гальванически разделенных каналов питания стабилизированным током мостовых схем компенсации температуры соединительных спаев термоэлектрических преобразователей, подключаемых к устройству УКПТП.

Рисунок 1.8 Устройство компенсационное подключения термоэлектрических преобразователей УКПТП: В1...В6 - вводы «холодных» концов ТЭП; X1...ХЗ входы от усилителя, а)блок питания щитового исполнения б) блок питания настенного исполнения Погрешность компенсации температуры Погрешность измерения температуры внутри УКПТП в диапазоне температур 0...90 °С, - не более±0, Защищенность Класс безопасности по ПНАЭГ-01-011-97-2НУ Категория сейсмостойкости по ПНАЭГ-5-006-87- I Условия окружающей среды:

относительная влажность К сожалению, сохранить кооперацию со СНИИПом после 2001 года не удалось из-за его реструктуризации.

Для защиты термопреобразователей от воздействия окружающей среды освоен выпуск защитных гильз рисунок 1.9) Рисунок 1.9 Защитные гильзы. а-427.08, б-427.09, в-427.14, г-427. Технические характеристики защитных гильз:

Таблица 1. Характеристики защитных гильз 427.08, 427.09 (на низкое давление) гильзы Класс безопасности 2Н, группа В, категория сейсмостойкости I Защитные гильзы 427.08, 427.09 (14 исполнен.) предназначены для защиты от воздействия окружающей среды преобразователей термоэлектрических и термопреобразователей сопротивления, контролирующих температуру оборудования РУ АЭС.

Таблица 1. Характеристики защитных гильз 427.14 (на низкое давление) Среда Предельные параметры среды Материал Срок службы Класс безопасности 2Н, группа В, категория сейсмостойкости I Длина рабочей части 80...3150 мм Таблица 1. Характеристики защитных гильз 427.17 (на высокое давление) 12Х18Н10Т 1.1.3.Состояние производства термометрических средств для АЭС Что касается особенностей функционирования вновь созданного производства, то определенные представления о них можно составить по данным таблицы 1.10, в которой приведена динамика поставок температурных датчиков за первые 10 лет.

Таблица 1. Выпуск температурных датчиков для АЭС [8] Разница между минимальным и максимальным объемом поставок в 1993и 1995-96 годах один к четырём. Основные причины неритмичности связаны с целым рядом обстоятельств. В первую очередь, следует указать на:

-разницу в объемах ремонтных комплектов СИ, накопленных на разных АЭС в предшествующий период;

-разную степень использования на станциях СИ общепромышленного применения;

- определённое несовершенство и сбои в системе снабжения АЭС;

-разницу в сроках продления работы АЭС после выработки ресурса;

-колебания объёмов финансирования (особенно в кризисные годы).

Заметный вклад вносила и неравномерность подготовки конструкторской и технологической документации на разные типы преобразователей.

Интегрально эти сроки оказались растянутыми с 1992 по 1997 годы.

Формально, например, при подготовке конструкторской документации можно было использовать НСХ термопар, отвечающих требованиям МТШ-90, только после 1999 года, когда была принята МИ 2559-99 «Методика применения в ГОСТ Р 50431-92. «Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования».

Существенное влияние на эффективность производства оказали и целый ряд других факторов. Прежде всего, нарастающая деградация качества термометрических материалов, обусловленная устаревшей технологией, изношенностью оборудования и падением технологической дисциплины у монопольного производителя исходных никелевых сплавов. По этой причине, по информации Кирсинского кабельного завода, предприятие с 1998 г. вообще перестало выпускать термопарный кабель с характеристиками по первому классу допуска. Именно в это время Конструктор РУ с ВВЭР ужесточил допуск на термоэлектрические характеристики внутризонных преобразователей с ± до ±2,5°С.

Другая группа проблем возникла в связи с предложениями научного руководителя разработки СВРК РУ ВВЭР, касающимися конструкции и метрологических характеристик преобразователей температуры типа ТХА-01, индивидуальной калибровки ТЭП с погрешностью ±0,5°С, что соответствовало требованиям вновь принятого РД ЭО 0515-2004 «Нормы точности измерений основных теплотехнических величин для атомных электрических станций с водо-водяными реакторами ВВЭР-1000» (п. 1.15. и 1.16), а также ранее сформулированным требованиям ГОСТ 26635-85. Последний относился к так называемым опережающим стандартам, устанавливающим повышенные, по отношению к достигнутому уровню, нормы и требования к объектам стандартизации, которые будут оптимальными в последующие 5-7 лет.

Несмотря на то, что прошло уже 20 лет инициатор разработки ГОСТа, а стандартизованных и не лицензированных преобразователей.

Что касается НИИ НПО «ЛУЧ», то в оперативном порядке пришлось [10, 11]:

-разработать и освоить новую методику поверки ТЭП (с погрешностью 0,19°С) и ТС (с погрешностью 0,13°С);

-приобрести дорогостоящее термическое и эталонное измерительное оборудование;

-переобучить и переаттестовать персонал.

прецизионных преобразователей остались нерешенными.

Всё это не могло не сказаться на экономической эффективности производства, которое длительное время было не рентабельным. Например, только в 2008 году расходы на нужды производства превысили доходы почти на 10 млн руб, что, естественно, потребовало коренного пересмотра организации производства. Тем более что в последующие годы прогнозируется резкое обострение конкурентной ситуации, в частности связанное с развитием конкурирующих фирм, таких как ООО «НТЛ –Прибор» и допуском к торгам других участников рынка термометрической продукции.

В заключении к рассмотренному разделу обзора, касающемуся оценки состояния и путей совершенствования термометрических средств для АЭС отечественных проектов, сформулированы следующие задачи, которые предстояло решить при выполнении диссертационной работы:

-разработка конструкций и технологии серийного производства новых термопреобразователей для АЭС с РУ на быстрых нейтронах, которые полностью отсутствовали в номенклатуре выпускавшейся продукции;

-модернизации производства ТЭП и ТС для термоконтроля теплоносителя в активной зоне, термоконтроля основного технологического оборудования и оборудования машзалов АЭС с РУ РБМК и ВВЭР, в связи с ужесточением требований к средствам измерений;

-совершенствования экспериментальных ТП для систем СВРК ВВЭР с целью их лицензирования СИ и организации их мелкосерийного производства в установленном нормативной документацией порядке;

-модернизации УКПТП с целью восстановления комплектации новыми электронными блоками и совершенствования технологии изготовления устройства;

-оптимизации инфраструктуры производства термометрических средств для АЭС и повышения его технико-экономической эффективности.

Последовательность решения сформулированных задач была изложена в сообщении [12].

1.2 ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ ЯЭУ

1.2.1. Особенности создания контактных средств измерений температуры в диапазоне 1000-2500°С Особенности создания высокотемпературных средств измерений для ЯЭУ детально рассмотрены в первой части уже цитированного обзора [1].

преобразователей в нашей стране началась после освоения МЭЛЗ технологии производства вольфрам- и молибден-рениевой проволоки для катодов радиоламп. Уникальные физико-механические характеристики этих сплавов позволяли надеяться на создание термопар, востребованных в черной и цветной металлургии. Достаточно быстро вокруг производителя сложилась устойчивая кооперация специалистов ЦЛА Чермет и НИИ НПО «ЛУЧ», с четким разделением направлений исследований. Первая из упомянутых организаций сосредоточила основное внимание на оптимизации составов термоэлектродов и их применения в рабочих средствах кратковременного контроля температуры жидкой стали [13]. Специалисты НИИ НПО «ЛУЧ»

основное внимание уделили исследованиям воспроизводимости рабочего сигнала различных вариантов термопар, оценки их стабильности в условиях применения в отрасли [14,15].

Изучен комплекс физико-механических и электрофизических свойств сплавов в системах молибден- и вольфрам-рений. Определены механические свойства проволок диаметром от 0,1 до 0,5 мм, до и после отжига при электросопротивление и микроструктура.

Выявлено влияние отжига проволоки в вакууме и аргоне при разных температурах и времени отжига на ее термоэлектрические свойства.

Разработана оригинальная методика градуировки и аппаратура для градуировки высокотемпературных термопар из неблагородных металлов.

Показано, что в этой системе чувствительные элементы преобразователей могут быть сформированы из сплавов содержащих высокий процент рения.

Для дальнейших исследований предложено остановиться на парах, содержащих 20/40 и 20/50 % рения в молибдене и 5/20 и 10/20 рения в вольфраме [16].

Окончательная оптимизация состава термопары из сплавов вольфрама с пятью и двадцатью процентами рения выполнена, исходя из стремления получить чувствительный элемент преобразователя с достаточно высоким дифференциальной чувствительности при высоких температурах. Последнее важно для практической термометрии, т.к. упрощает аппроксимацию рабочего сигнала во вторичных измерительных приборах.

Комплекс калибровочных работ, выполненных в НИИ НПО «ЛУЧ» на сформированных случайным образом из 85 различных технологических партий, отличались не более, чем на ± 1% [17]. Отклонения от среднего подчинялись нормальному закону. Это позволило не только рекомендовать полученную характеристику для практического использования, что устраняло неопределенности из-за использования в практике того периода градуировок СФВНИИМ, КБ «Термоприлад», «Инструкции 163-62 по поверке технических термопар», но и начать работы по стандартизации НСХ, завершившиеся принятием в 1974 году трех типов градуировок – А-1, А-2 и А-3 (ГОСТ 3044Градуировка А-1 до 2500С фактически повторяла усредненную.

Градуировки А-2 и А-3 имели верхний температурный предел 1800С и отстояли от средней чуть более одного процента.

Такое решение, хотя и несколько усложняло практику применения термопар, позволяло рационально использовать весьма дефицитный рений, т.к.

производителю, несмотря на трудности точной дозировки рения в штабиках, формируемых методом порошковой металлургии из смесей исходных порошков вольфрама и перената аммония, удалось обеспечить выход годного, близкий к 100%.

Стандартизация НСХ термопар типа ВР5/20 позволила расширить границы Государственной поверочной схемы вида измерения, которая после формальных корректировок, остается неизменной до сих пор. Следует отметить, что с определенного момента к работам подключились специалисты Минприбора и Госстандарта.

В работе [18] систематизирован комплекс результатов, касающихся методов и средств калибровки и испытаний высокотемпературных термоэлектродных материалов с итоговыми, среднеквадратичными погрешностями +6,6С при температурах 1800С, и +7,2С при 2000С. В рабочее пространство печи сопротивления автором введена молибденовая трубка, во внутреннюю полость которой постоянно подавался очищенный и осушенный аргон. Это исключало какие-либо загрязнения исследуемых термоэлектродов, что подтверждалось результатами финишного металлографического и рентгеноструктурного анализов.

Изменение рабочего сигнала термопары оценивали в ходе 20-часовых изотермических отжигов в нейтральной атмосфере, начиная с 1450С. В этом случае изменения их термоэлектрических характеристик не выявлено, хотя зафиксированы экспоненциальные снижения электросопротивления и микротвердости, особенно заметные у положительных электродов, а также почти пятикратное падение прочности (при комнатной температуре), что свидетельствовало о снятии в термоэлектродах термопар внутренних напряжений и их разупрочнении.

зарегистрированы, начиная с 1600С – температуры, являющейся для сплавов ВР5 и ВР20 промежуточной между температурами начала и конца их рекристаллизации. Экспоненциальные по характеру изменения (таблица 1.11) более существенны у пар с большим диаметром термоэлектродов.

Таблица 1. Изменения термоЭДС термопар ВР5/20 с разными диаметрами термоэлектродов в ходе отжига при 1600С [18] Термоэлектродным сличением выявлено, что во всех случаях наиболее термоэлектродов. Металло- и рентгенографические исследования показали, что именно в них в наибольшей степени прошла так называемая рекристаллизация термообработки, сопровождавшаяся образованием зародышей новых неискаженных зерен.

Более значительными и другого знака измерения оказались при повышении температуры испытаний до 1800 и 2000С. Их скорость была максимальной в начальный период термических воздействий, а итоговые результаты, приведенные в таблице 1.12 свидетельствовали о наиболее значимом снижении выходного сигнала у термопар с большим диаметром термоэлектродов.

Таблица 1. Изменения выходного сигнала высокотемпературных вольфрам-рениевых термопар через 20 часов отжига в чистом аргоне [20] Тип Температура Снижение выходного сигнала Е/Е, % термопары испытаний, С Диаметр термоэлектродов, мм Во всех термоэлектродах был зафиксирован существенный рост новых зерен, типичный для собирательной рекристаллизации. В наибольшей степени он проявлялся в положительных электродах большего диаметра. Скорость роста зерен во всех случаях к концу испытаний заметно снижалась. Обнаружено рассеяние многокомпонентной аксиальной текстуры деформации, характерной для их исходного состояния. Именно поэтому основную причину повышенной стабильности пар с меньшими диаметрами термоэлектродов связали с положительным влиянием дополнительной промежуточной термообработки последних при температурах до 1800°С, предусмотренной заводской технологической схемой.

Именно трансформация исходного электронного и фазового строения сплава ВР5, признана основной причиной нестабильности термопар этого типа.

Итоговым документом исследовательского этапа разработки нового типа первичных термопарных преобразователей наряду уже с упомянутым ГОСТ-6616-74, разработанным в рамках температурной шкалы МПТШ-68, явились утвержденные технические условия СУО.021.142 [19]. В 2001 году номинальные статические характеристики термопар ВР5/20 всех градуировок были приведены в соответствии с требованиями температурной шкалы МТШ-90.

В экспериментальных преобразователях пытались заменить наиболее нестабильный положительный электрод сплавами ВР10 и ВАР5. В обоих случаях стабильность рабочего сигнала удалось повысить практически вдвое.

К сожалению, в первом случае уровень рабочего сигнала преобразователя снизился почти на 30%. Во втором - МЭЛЗ изготовил партию вольфрам-рениевых сплавов, легированных добавкой 0,45% оксида иттрия, 0,3% оксида алюминия и 0,45% хлористого калия. Результаты их детальных исследований суммированы в [20], где показано, что мелкодисперсное упрочнение сплавов заметно повышает их прочность, не меняя пластичность и термоэлектрические свойства. Это позволило предложить оригинальную термопару ВАР5/20 [21].

Представляет интерес то обстоятельство, что легирование позволяет увеличить температуру предварительного гомогенизирующего отжига положительного электрода, т.к. прочность сплава ВАР заметно выше прочности проволок ВР5. Это потенциально позволяет повысить стабильность датчиков еще в полтора - два раза.

Именно поэтому этот тип термопар был рекомендован для штатных преобразователей, изготавливавшихся при реализации программы ЯРД.

Полученные результаты, в принципе, позволяли производителям и потребителям ТЭП реализовывать на практике целый ряд приемов, обеспечивавших достижение устанавливаемых норм точности в различных объектах. Прежде всего, это подбор ТЭП с чувствительными элементами подходящих диаметров, дополнительный отжиг преобразователей при температуре их предполагаемого применения (с или без установления индивидуальных характеристик), коррекция результатов измерений путем введения заранее определенных поправок, замены, в случае необходимости, положительных электродов термопар.

Практика показала, что при конструировании высокотемпературных термопар особое место занимали вопросы надежной электроизоляции их термоэлектродов.

Наряду с использованием так называемых «бус» из тугоплавких оксидов с отверстиями для прохода электродов в ряде случаев потребовалось сократить толщины изоляционных слоев и формировать их непосредственно на термоэлектродах.

Для этого была разработана серия органосиликатных покрытий [22] из суспензий полиметалсилоксана (ПМС) или полиметилфенилсилоксана (ПФМС) с наполнителями из альфа-модификации окиси алюминия и высоконагревостойкой слюды (флогопита), взятых в количестве 80% от веса полимера. Для модификации наполненных полиорганосилоксанов применен аминосилан. Особенности процессов структурирования таких покрытий при различных вариантах термообработки рассмотрены в [23].

Учитывая потребности в ряде случаев покрытий с нулевым водопоглощением, позже был предложен оригинальный способ получения композиций, модифицированных стеклами [24].

Результаты разработки были внедрены на опытном участке по производству термоэлектродов, покрытых органосиликатной композицией «10Б». Выпускаемые материалы использованы при изготовлении термоэлектрических преобразователей различного типа, применявшихся при отработке ряда преобразовательных установок. При выпуске толщину покрытий варьировали от 20 до 50 мкм.

В [25] описан оригинальный способ осаждения нитрида алюминия из газовой фазы, состоящей из хлористого алюминия, хлористого алюминия и аргона.

Применяя метод планируемого эксперимента с использованием решетки Шеде, удалось оптимизировать процесс формирования надежных покрытий.

Идея двухстадийного формирования на металлических поверхностях тонкослойных (до 10 мкм) покрытий окиси бериллия была описана в [26]. В глубоком вакууме на защищаемую поверхность путем испарения бериллиевой мишени вначале наносили заданный слой металлического покрытия, который при разряжении 10-1 мм.рт.ст. окисляли на всю толщину слоя. Подобраны режимы, позволившие управлять не только толщиной, но и сплошностью покрытия.

Сплошные покрытия наносили как на термоэлектроды, так и на подложки различной формы.

термопреобразователей, то значительный объём информации получен в ходе отработки рабочих средств температурного контроля, создаваемого на базе НИИ НПО «ЛУЧ» прототипа ЯРД. На предварительном этапе исследовались варианты защитных чехлов из нитрида титана и циркония [27]. Было установлено, что при температуре около 2700С изменения характеристик преобразователя в водороде за 20 минут не превысило 0,3 %.

В последующем для защиты термопреобразователей в разных температурных зонах установки применили защитные чехлы из молибдена и вольфрама. При этом, если в первом случае использовали мелкосерийно выпускаемые промышленностью капилляры из СМ-4, то во втором – были разработаны оригинальные приемы формирования заготовок методом газофазной металлургии с их последующей механической обработкой [28].

Широко были опробованы различные защитные неметаллические покрытия чехлов [29], что в последующем широко использовалось в практике различного рода испытаний поведения элементов конструкций РУ в аварийных условиях. В [30], например, описан вариант двухслойного молибденового чехла, один капилляр которого покрыт дисилицидом молибдена, а другой – карбидом циркония. Это позволяло сохранять работоспособность преобразователя на этапах разогрева испытуемых объектов на воздухе и в образовавшемся расплаве.

Все разработанные варианты защиты прошли всесторонние испытания, в том числе в различных технологических каналах, и включены в состав штатных средств контроля.

В НИИ НПО «ЛУЧ» в начале 90-х г.г. создано также специализированное конверсионное производство лейкосапфировых изделий, включая защитные чехлы и электроизолированную «соломку» для термопар с содержанием оксида алюминия не менее 99,99 %.

1.2.2. Штатные преобразователя для ЯРД Штатные средства измерения температур в ТВС реакторов ИВГ-1, ИГР, и ИРГИТ отрабатывались фактически параллельно с созданием самих ТВС.

Преобразователи для контроля температуры на входе в ТВС изготавливали из термопарного хромель-алюмелевого кабеля по технологии, описанной в [31].

Что касается температуры газа на выходе из ТВС, то наиболее его совершенный вариант был реализован в каналах АТК, в выходном сечении которых было установлено по два высокотемпературных термометра (ВТТ) антенного и консольного типов. Их располагали в жаровой трубе на расстояниях 800 и 817 мм от опорной решетки. В первом случае установлен один ВТТ антенного типа, во втором сечении кроме двух контрольных термометров один ВТТ антенного типа.

Жаровая труба – высокотемпературный тракт рабочего тела, защищенный по всей длине многослойной теплоизоляцией. Рабочие спаи антенных ВТТ располагали по центру жаровой трубы, спаи консольных ВТТ смещены на расстоянии 4,5 мм от центральной оси.

Варианты конструктивного исполнения ВТТ (позже маркированных как и Ш339) описаны в [32].

Термопары антенного типа представляли два термоэлектрода диаметром от 0,2 до 0,5 мм в электроизолирующей одноканальной соломке из ВеО и защитном стальном капилляре диаметром 3,0х0,5 мм, выходившие из двух диаметрально противоположных отверстий в жаровой трубе. Их рабочий спай формировали узлом с последующей сваркой по центру жаровой трубы. «Холодная» часть термометра с переходной втулкой, головкой и удлинительными проводами из одноименных термоэлектродов в защитных капиллярах устанавливалась в пазах вытеснителя из алюминия АМГ-6 для обеспечения интенсивного охлаждения удлинительных проводов и места их пайки в переходной головке припоем ПСРДалее шла трассировка по внешней поверхности канала до штекерного разъема измерительной системы, включавшей преобразователь, коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и регистратор.

Согласно [32] именно эта часть термометра из-за сложности монтажа и динамических нагрузок в рабочем режиме стала основным источником отказов в их работе. Что касается рабочего спая, то отсутствие защиты ограничивало время его функционирования десятками секунд, что позволяло в последующем корректировать показания как консольных, так и зонных ВВТ.

Консольные ВТТ первоначально включали 0,2-0,35 мм вольфрам-рениевые электроды в двухканальной электроизолирующей соломке из оксида бериллия, защитного чехла из вольфрама или сплава ВМ-5РК (W + 5 % Re + 0.5 % Mo + 0.1ZrC), вольфрамовой втулки. Рабочий спай образован аргон - дуговой сваркой. Из горячей зоны термоэлектроды выведены через переходную втулку из ковара в удлинительный капилляр из нержавеющей стали до переходной головки, где припоем соединены с одноименными удлинительными проводами в защитных капиллярах.

Анализ результатов измерения температуры в петлевых каплях разного типа, выполненный в [33,34] показал, что описанная конструкция ВТТ имеет целый ряд недостатков, прежде всего большие утечки тепла по чехлу из-за высокого температурного градиента, достигающего почти 100град/мм. В результате температура спая оказывалась на 200 градусов (и более) ниже температуры газового потока.

В связи с этим был предложен целый ряд оригинальных технических решений [35-37] суть которых сводилась в отделении рабочего спая термопары от вольфрамового чехла. Рабочий спай формировался аргоно-дуговой сваркой концов термоэлектродов, прижатых к втулке вольфрамовым кольцом. При этом он выступал за срез защитного чехла на 1,5 мм. Другим элементом конструкции служила теплоизолирующая втулка, изготовленная из спеченных до пористости 30 – 40 % микросфер из карбида циркония и отделяющая рабочий спай от защитного чехла.

Последующий анализ ситуации, итоги которого приведены в [38], показал, что заметная дополнительная погрешность возникает из-за оттока тепла от рабочего спая за счет излучения на более холодные стенки жаровой трубы. Для подавления этого эффекта захолаживания было предложено снабдить чехол термопары дополнительной тонкостенной втулкой, разделяющей поток рабочего тепла в месте установки консольной термопары надвое и экранирующей ее работой спай от холодной поверхности жаровой трубы.

Что касается зонных термопар, то их конструкции во многом повторяли уже описанные консольные ВТТ. В качестве защитного чехла использовали молибденовые капилляры, в которых располагались электроизолирующие элементы из оксида бериллия, надетые на термоэлектроды ВР5 и ВР20. Их концы скручивались и приваривались к торцу капилляра. Пять термопар устанавливались на место твэлов равномерно по сечению ТВС. По их показаниям судили о неравномерности температуры по сечению потока и определяли (по специальной расчетной методике) среднемассовую температуру газа в выходном сечении ТВС. Тарировку такого пересчета проводили в начальный период такого испытания, когда все датчики, в том числе установленные в выходном сечении, сохраняли работоспособность. С учетом установленных соотношений судить о температуре в выходном сечении в пусках, следующих за плановым отказом антенных термопар, оказалось возможным по показаниям данных термопар.

В течении всего периода испытаний ТВС конструкции ВТТ постоянно модернизировались. Всего было испытано более десятка типов технологических каналов общим числом более 140. При этом суммарное время наработки термометров при максимальных температурах достигло 4000 с, что являлось высшим достижением мировой измерительной практики.

Всего в ходе разработки термопреобразователей более трех десятков технических решений были защищены авторскими свидетельствами.

Что касается метрологического обеспечения измерений, то следует отметить комплексный характер оценки как инструментальных, так и методических составляющих погрешностей.

Совокупность неопределенностей, присущих компонентам измерительной цепи технологических каналов реактора ИВГ-1, выглядела следующим образом:

а) погрешность градуировочной характеристики термометра 12..5( 1С);

б) погрешность усреднения градуировочной характеристики С1 (-14..+19С);

в)погрешность определения температуры холодного спая С2 (5..10С);

г)погрешность нестабильности температуры холодных спаев C1 (0..3С);

д) погрешность шунтирования сигнала термометра резистором на входе нормирующего преобразователя (4С);

е) погрешность нормирующего преобразователя (13..32С);

ж) погрешность резистора на входе коммутатора (0..29С);

з)погрешность аналого–цифрового преобразователя АЦП -аналоговая (21С);

и) погрешность АЦП -дискретная є1 (22С);

к) погрешность линеализации нелинейной градуировочной характеристики термометра С4 (6С);

л) погрешность регистрации на автоматическом самописце КСУ-41 (11..27С);

м) погрешность отработки диаграммной ленты є4 (27С);

При этом составляющие а), е), ж), л) принимали как не исключенные систематические; б1, в2, д3, к4 – отнесены к систематическим, а остальные к случайным.

Результаты расчета инструментальной погрешности, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТ 8.207-76, показали, что при доверительной вероятности 0,95 для номинального режима испытаний технологических каналов суммарная погрешность при оценке сверху и снизу составила соответственно: 4, и 2,8 %.

Схема, поясняющая подход к оценке методических составляющих в газовом тракте жаровой трубы показана на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 Консольный термометрический термометр (КТТ) в газовом тракте жаровой трубы Очевидно, что разность между искомой температурой и температурой рабочего спая термопреобразователя в общем случае определяется:

-радиационным теплообменом со стенками тракта;

-оттоком тепла по защитному чехлу (корпус термопары) и термоэлектродам;

-наличием внутреннего энерговыделения в спае;

-торможением высокоскоростного потока на спае;

-радиационным теплообменом между спаем и стенками ТИП и опорной решеткой;

-радиационным теплообменом между спаем и электроизоляцией;

-условиями конвективного теплообмена на спае термопары.

Итоговое соотношение теплового баланса количества тепла Q в единицу времени (1 с) на рабочем спае ВТТ (высокотемпературный термометрический термометр) имело вид где: Qk –поступающего к рабочему спаю за счет конвективного теплообмена с потоком РТ;

Qv –выделяющегося в рабочем спае за счет внутреннего энерговыделения;

Qck –выделяющегося в рабочем спае за счет торможения потока РТ;

Qp –отводимого от рабочего спая за счет радиационного теплообмена с ТИП;

Qчех–отводимого от рабочего спая за счет отвода по чехлу ВТТ;

Qэл – количество тепла отводимого от рабочего спая по термоэлектродам КТТ.

Итоговые аналитические соотношения, приведенные в [38], имели вид для консольных КТТ:

где: Тсп и Трс - температуры рабочего тела (в точке установки спая) и рабочего спая, соответственно;

рс – коэффициент теплоотдачи от поверхности спая;

Fсп – омываемая рабочим теплом поверхность спая, а для зонных ЗТТ, аналогичное соотношение где: замещ – погрешность за счет замещения твэлов ВТТ;

Qр1 – количество тепла выделяемое в рабочем спае за счет радиационного теплообмена с твэлом (6 штук);

Qр2 – количество тепла выделяемое в рабочем спае за счет радиационного теплообмена с торцевым твэлом;

Qконд – количество тепла поступающего в рабочий спай за счет кондуктивного теплообмена с торцевым твэлом.

Расчетные оценки этих составляющих погрешностей приведены в [1].

Кроме них, в [38] рассмотрены дополнительные погрешности, обусловленные наличием радиационного воздействия. Как показано Стадныком Б.И. в работе [39], вследствие изменения энергии Гиббса при деформации кристаллической решетки сплавов в поле нейтронного облучения, дополнительная радиационная составляющая не должна превышать 1%.

Экспериментальная проверка высказанного предположения выполнена в работах Приймака С.В. с соавторами [40-42].

Предложено Трад рассматривать в виде алгебраической суммы обратимого (Тобр) и необратимого (Тно) слагаемых:

Трад = Тобр + Тно + Тмет. (1.4) Тобр – так называемый «мгновенный» эффект – линейно зависит от интенсивности излучения, исчезает с его прекращением и обусловлен конкурирующим взаимодействием целого ряда ядерно-физических процессов.

Для экспериментальной оценки этого эффекта потребовалось разработать ряд внутриреакторных облучательных устройств («Ресурс МО», «Ресурс М»), позволивших убедиться в том, что реакторное облучение практически не меняет температур фазовых переходов реперных металлов и предложить метод малых навесок, при реализации которого температуру фиксировали в момент их плавления.

В зависимости от способов формирования рабочих спаев термопар ВР5/20 вариации их выходного сигнала при потоках тепловых нейтронов до 3·1015см-2·с-1 не превышали + 5С, что при 2000С близко к 0,3 %.

Что касается необратимых изменений НСХ преобразователей ВР5/20, то итоговое соотношение выглядело следующим образом:

Тно = -13,686·10-20·Фт – 7,69·10-20 Фб·е-0,0017т,(1.5) в котором Фт – флюенс тепловых нейтронов, Фб - флюенс быстрых нейтронов, Т – температура рабочего конца облучаемого ВТТ.

Было установлено, что начиная с 2000С влиянием тепловых нейтронов на Тно можно пренебречь.

1.2.3 Состояние работ в области высокотемпературной термометрии к 2008 году К сожалению, сохранить достигнутый уровень высокотемпературной термометрии в условиях резкого сокращения в Российской Федерации преобразовательные установки, в том числе военного назначения) не удалось.

Объёмы потребления вольфрам – рениевой термоэлектродной проволоки неуклонно сокращались. Как следствие, в номенклатуру вновь созданного производства термометрической продукции был включен (таблица 1.4), только один тип высокотемпературных датчиков.

На годы растянулась разработка модернизированного государственного первичного эталона температуры во ВНИИМ им. Д.И.Менделеева, с температурным пределом 2500°С. Из тематики УНИИМ (г. Екатеринбург), ответственного в стране за высокотемпературных измерений, эти работы были исключены. Созданное в этом институте, а также в НИИ НПО «ЛУЧ»

полностью исчерпало свой ресурс. Оказались практически израсходованными стандартные образцы термоэлектродных материалов СОТМ-1 и СОТМ-2, используемых при аттестации вольфрам-рениевых термоэлектродов. Их производство стало неритмичным, а МЭЛЗ обанкрочен.

Между тем перспективные разработки ряда КЯЭУ, в частности, типа ТОПАЗ требовали восстановления работ в прежнем объеме, так как оказалось, что производство основных конструкционных компонент установок технологических переделов. Ситуацию в определенной мере обострила принятое в начале 2008 года решение МЭК о международной стандартизации американских аналогах ВР3/26 и ВР5/26.

Принимая во внимание многолетний опыт разработок отечественной термопары ВР5/20, а также традиции сложившегося взаимодействия с МЭК и перспективы вступления России в ВТО, российские представители в пятой рабочей группе шестьдесят пятого комитета МЭК посчитали целесообразным привлечь НИИ НПО «ЛУЧ» как наиболее квалифицированную организацию к участию в работе ТК65.

материалы, впоследствии обобщенные в обзоре [1], была рассмотрена на заседании рабочей группы в Токио и принято решение оставить для последующих исследований американскую пару ВР5/26 (градуировка С) и российскую – ВР5/20 (градуировка А).

Эта работа позволила НИИ НПО «ЛУЧ» проинтегрировать усилия целого ряда отечественных организаций и решить проблемы, возникшие в отрасли, связанные с:

-разработкой технологических процессов производства электрогенерирующих каналов КЯЭУ-25, 50 и их испытаний, в том числе реакторных;

-исследованием возможностей совершенствования методов и средств высокотемпературных измерений;

-исследованием, высокотемпературных датчиков;

а также реализовать работы необходимые для включения НСХ термопары ВР5/20 в стандарты МЭК 60584-1, 2.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ РУ БН

Общая ситуация, сложившаяся с температурным контролем на РУ БН Белоярской АЭС обсуждалась в докладе [43], в котором показано, что наряду с уже выпускаемыми преобразователями для внутриреакторных измерений требуется разработка новых типов, получивших условное наименование «высокотемпературных»

работоспособности преобразователей при температурах до 1000 °С [44].

2.1Термопреобразователь типа ВТП ТХА-08.000- Термопреобразователь этого типа предназначен для непрерывного измерения температуры натрия в реакторе БН-600, в том числе кратковременно в условиях запроектной аварии [45]. Его конструктивное исполнение показано на рисунке 1.

Рисунок 2.1 Устройство ВТП ТХА-08.000- ВТП состоит из следующих основных элементов:

-чувствительного элемента – термопары, предназначенной для преобразования измеряемой температуры в ТЭДС, выполненной из кабеля термоэлектрического с минеральной изоляцией КТМС(ХА) 2х0,9 (ТУ 16защитной арматуры (корпуса), предусматривающей биологическую защиту от радиационного излучения из стали 12Х18Н10Т;

- защитной головки из стали 12Х18Н10Т с клеммами для подключения соединительных линий;

- конструктивных элементов для крепления ВТП, выполненных в виде фланца с тремя отверстиями диаметром 10,5 мм.

По наличию электрического контакта термопары с защитной арматурой ВТП выполняются с изолированной термопарой.

ВТП является стационарным, погружным, однозонным, одинарным, невосстанавливаемым, неремонтируемым, однофункциональным изделием.

Диапазон измеряемых температур:

- до плюс 1000 С (не более 100 ч один раз за срок службы).

НСХ ВТП соответствует ГОСТ Р 8.585-2001, с пределами допускаемых отклонений (t) в температурном эквиваленте соответствующими классу 2:

t = ± 2,5 С при температуре от минус 0 С до плюс 333 С;

t = ± 0,0075 ·t при температуре свыше 333 С до плюс 1000 С, где t значение измеряемой температуры, С.

Показатель тепловой инерции ТП при коэффициенте теплоотдачи практически равном бесконечности – не более 20с.

Длина монтажной части – 4995 мм.

Диаметр защитной арматуры – 6 мм.

Назначенный срок службы ТП – 15 лет.

Рисунок 2.2 Внешний вид ТХА-08.000- Основные технологические приёмы производства ВТП базировались на традиционных разработках НИИ НПО «ЛУЧ» при выпуске аналогичной продукции для нужд АЭС [2].

Технология изготовления детально описана в технической документации [46]. Её особенности заключались в новых технологических приемах герметизации вводов холодных концов термопреобразователя и соединения термопреобразователь, в случае прорыва защитной гильзы и защитной арматуры, должен был препятствовать выходу теплоносителя (жидкий натрий) наружу через клеммную головку.

Для обеспечения герметизации вводов, согласно вышеуказанным условиям, потребовалась тщательная отработка процесса лазерной сварки с применением установок типа «Квант» и «Булат», в результате которой обеспечивалось герметичное сварное соединение по окружности отверстия для вывода холодных концов термопреобразователя.

Нормальные режимы эксплуатации ВТП определяются следующими воздействующими факторами:

- для погружаемой части:

а) окружающая среда – воздух;

б) температура окружающей среды – до плюс 750 С (до плюс 1000 С не более 100 ч);

в) максимальный флюенс нейтронов (с Е>0,1 МэВ) за год – 2,5 1020 см -2;

- для защитной головки:

а) окружающая среда – воздух;

б) при температуре окружающего воздуха до плюс 60 С и относительной влажности до 90%;

в) при температуре до плюс 100 С относительная влажность – от 30 до 80%;

г) атмосферное давление 84-106,7 кПа (630-800 мм.рт. ст.).

Основные требования к исполнению этого и последующих преобразователей:

-вид климатического исполнения ВТП – УХЛ4 )ГОСТ 15150-69), группа исполнения Д2 (ГОСТ Р 52931);

-степень защиты головки от попадания внутрь воды и пыли – IP54 (ГОСТ 14254-96);

-электромагнитная совместимость ВТП относится к группе исполнения IV, критерий качества функционирования – А (ГОСТ Р 50746-2000);

-устойчивость и прочность к воздействию синусоидальных вибраций - для группы исполнения V4 (ГОСТ Р 52931-2008);

-сейсмостойкость категория I (НП-031) и стойкость сейсмическим нагрузкам МП3 (6 баллов по шкале MSK-64).

В 2010 году выполнен полный объем испытаний для утверждения типа средства измерения и преобразователь ТХА-08.000-01 внесен в Госреестр под номером 44972-10. При этом, в работе комиссии приняли участие ФГУП «ВНИИМС», ОАО «НИКИЭТ», ОАО «ОКБМ Африкантов», Ростехнадзор и ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» (отделение «Атомтерм»). Объем испытаний в соответствии с ТУ [47] приведен в таблице 2.1.

Таблица 2. Объём испытаний термопреобразователей типа ТХА-08. 000- 1.Проверка соответствия ВТП требованиям:

б) габаритных размеров;

в)комплектности;

Продолжение таблицы 2. 3. Проверка электрического сопротивления изоляции ВТП:

относительной влажности от 30 до 80 % б) при температуре плюс 35 °С и 1.3.4.6) г)при температуре верхнего преДа Нет Нет г) предела измерения плюс 1000 °С изоляции ВТП 5. Проверка электрического сопро- 1.3. тивления термопары ВТП и маркировки его полярности спая термопары ВТП от НСХ при выпуске из производства 8. Проверка стабильности ВТП инерции ВТП 10.Испытание ВТП на устойчивость к воздействию пониженной температуры 1.3. 10.а) окружающего воздуха 11.Испытание ВТП на устойчивость к воздействию повышенной температуры 1.3.10.6) окружающего воздуха 12.Испытание ВТП на устойчивость к воздействию повышенной влажности окружающего воздуха Продолжение таблицы 2. 13.Испытание оболочки кабеля и металлоконструкций ВТП на стойкость 1.3. к МКК 14.Контроль герметичности ВТП 15.Испытание ВТП на виброустойчивость 1.3. 16. Испытание ВТП на вибропрочность 1.3. ударопрочность при транспортировании 18.Испытание ВТП на прочность к воздействию ударов при свободном падении в транспортной таре и воды в защитную головку ВТП дезактивирующим растворам 21.Испытания ВТП на сейсмостойкость помехоустойчивость Методики и примененное испытательное оборудование по большинству позиций детально описаны в статье [6]. Для испытаний при повышенных до и 1000°С температурах использовали стандартное термическое оборудование Определённые изменения касались испытаний ВТП на сейсмостойкость и помехоустойчивость.

В первом случае испытания выполнены в Центре Геодинамических исследований ОАО «ЦГИ» [48]. В процессе аттестации преобразователь испытывался методом сканирования при параметрах синусоидальных нагрузок с частотами от 5 до 100 Гц и ускорением от 5 до 30 м/сек2.

электромагнитной совместимости проведены в специализированном испытательном центре ВНИИА при воздействии на преобразователь наносекундных импульсных помех, электростатических разрядов, радиочастотного электромагнитного поля, магнитных полей промышленной частоты, импульсных магнитных полей, токов кратковременных синусоидальных помех частотой 50 Гц и микросекундных импульсных помех.

В 2011 году для комплектации АСУ ТП РУ БН-600 изготовлена и поставлена штатная партия преобразователей.

2.2 Высокотемпературные термопреобразователи типа ТХА- В ходе создания головного блока БН-800 допущены значительные временные разрывы между этапами разработки проектной документации, изготовления необходимого оборудования и его монтажа на рабочей площадке Белоярской АЭС. При этом, к сожалению, не удалось избежать определенных трудностей с комплектацией установки целым рядом типов средств измерения.

В частности, заложенные в проекты прототипы первичных преобразователей, предназначенных для непрерывного измерения и контроля температуры натриевых систем и систем слабо-перегретого и острого пара III контура энергоблока, пришлось переработать в связи с ужесточением требований заказчика [44] к работоспособности преобразователей в условиях запроектных аварий и существенно изменившейся в последнее десятилетие нормативной базы вида измерения. Введённые в стране лицензионные ограничения потребовали также смены разработчика и изготовителя преобразователей.

Разработка новой конструкторской документацией выполнена ОАО «НИКИЭТ» и её итоги обобщены в совместном докладе [49]. Естественно, что вновь разработанные преобразователи должны устанавливаться в уже заложенные в проектной документации на блок гильзы и установочные фланцы. В ходе разработки было сформулировано также дополнительное требование к изделиям на случай разрыва установочной гильзы. Сложность выполнения этого требования заключалась в том, что его следовало выполнить не меняя лимитированные габаритные размеры герметизирующих фланцев.

Как показано на рисунках 2.3 – 2.5 ВТП 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.

По числу зон контроля ВТП в зависимости от исполнения являются однозонными, трехзонными или четырехзонными, а по числу точек контроля (горячих спаев) в одной зоне - одинарными или тройными. Все термопары - с изолированным спаем.

Рисунок 2.3 Устройство и схема подключения ВТП ТХА-11 (вариант исполнения - однозонный) Рисунок 2.4 Устройство и схема подключения ВТП ТХА-11 (вариант исполнения -трехзонный) Рисунок 2.5 Устройство и схема подключения ВТП ТХА-11 (вариант исполнения - четырехзонный) В зависимости от исполнения применяют термопарные кабели КТМС (ХА) 2х0,06 или кабеля КТМС (ХА) 2х0,5.

Материал защитной арматуры ВТП – сталь 12Х18Н10Т или 08Х18Н10Т.

Способ крепления ВТП в технологические гильзы в зависимости от исполнения – штуцер с резьбой М20х1,5 или фланец с 4-мя шпильками.

невосстанавливаемым, неремонтируемым, однофункциональным изделием.

Диапазон измеряемых температур:

- до плюс 800 С (не более 100 ч);

- до плюс 1000 С (не более 10 ч один раз за срок службы).

Установленные пределы допускаемых отклонений термоэлектродвижущей (ТЭДС) ВТП (t) от НСХ соответствуют классу 2 :

t = ± 2,5 С при температуре от минус 0 С до плюс 333 С;

t = ± 0,0075 ·t при температуре свыше 333С до плюс 1000 С, где t значение измеряемой температуры, С.

Предусмотрена возможность поставки ВТП с индивидуальной статической характеристикой (ИСХ) преобразования в диапазоне температур до плюс С с погрешностью, не превышающей ± 2 С.

Значение показателя тепловой инерции ВТП, определенного при коэффициенте теплоотдачи, практически равном бесконечности в зависимости от исполнения, не превышает 2 с или 10 с.

Длина монтажной части (в зависимости от исполнения) меняется от 195 до 9697 мм. Диаметр защитной арматуры монтажной части– от 1,5 до 22 мм.

Назначенный срок службы ВТП – 15 лет.

Основные технологические приемы производства, отработанные в году, изложены в [50] и заключались в:

-применении конструкции типа «пучок» (когда каждая термопара термопреобразователя изготовлена из отдельного кабеля КТМС) при изготовлении термопреобразователя в многозонных исполнениях (3-х, 4-х зонных), вместо известной и применяемой на практике ОАО «НИКИЭТ»

конструкции одного многожильного кабеля КТМС с уже сформированными при его протяжке горячими спаями на определенном расстояний между собой по всей длине термопреобразователя;

-как и в случае с ТХА-08.000-01, в новых приемах герметизации вводов холодных концов термопреобразователя и соединения защитной арматуры с клеммной головкой, где согласно ТЗ, термопреобразователь, в случае прорыва защитной гильзы и защитной арматуры, должен был препятствовать выходу теплоносителя (жидкий натрий) наружу через клеммную головку.

Для обеспечения герметизации вводов, согласно вышеуказанным условиям, отработана прецизионная процедура лазерной сварки с применением герметичность сварного соединения по окружности трех (в случае с 3-х зонными и 4-х зонными исполнениями термопреобразователей), близко расположенных между собой отверстий диаметром 3 мм, предназначенных для вывода холодных концов термопреобразователя.

Внешний вид разработанных датчиков показан на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 Внешний вид преобразователя ТХА- В соответствии с разработанной документацией перечень операции при утверждении типа, приёмо-сдаточных и периодических испытаний изготавливаемых ВТП фактически совпадал с приведенными в таблице 2.1.

Испытания изделий установочной партии подтвердили соответствие их параметров заданным в ТУ [51] по устойчивости к климатическим воздействиям, герметичности головок, устойчивости ВТП к воздействию синусоидальных вибраций и сейсмическим нагрузкам (испытания проводились ОАО «СНИИП»), по помехоустойчивости (электромагнитной совместимости).

Испытания с целью утверждения типа ВТП ТХА-11 проведены во ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» при участии ОАО «ОКБМ Африкантов», ОАО «НИКИЭТ», технологическому и атомному надзору и по их результатам выдан сертификат (свидетельство) RU.С.32.004А № 40559.

В 2011 году завершена подготовка производства и выпущена штатная партия ВТП типа ТХА-11 (более 700 шт.).

2.3 Термопреобразователь типа ТП ТХА/ТХК- Учитывая постоянно возрастающий темп работ по тематике РУ БН и уже накопленный опыт освоения новых типов преобразователей, НИИ НПО « ЛУЧ»

лицензировано на право конструирования термометрических средств измерения для различных атомных объектов, что позволило избежать потерь времени и дополнительных затрат, неизбежных при традиционной кооперации исполнителей. Начиная с преобразователей ТХА/ТХК-12 всё последующее конструирование выполнялось на предприятии в отделении «Атомтерм»

самостоятельно.

Термопреобразователи этого типа разрабатывались по предложению ОАО «ОКБ «Гидропресс» и предназначены для свинцово-висмутового стендового комплекса.

Конструктивные исполнения [52, 53], схемы расположения контактов и схемы подключения приведены на рисунках 2.7- 2.8.

Рисунок 2.7 Преобразователи термоэлектрические ТХА-12(два исполнения) Рисунок 2.8 Преобразователь термоэлектрический ТХК- По нaличию контaкта термопaры с металлической частью зaщитной арматуры ТП выполнены изолировaнными.

Режим эксплуатации ТП для погружаемой части:

-окружающая среда - воздух;

-температура окружающей среды:

а) для ТХА-12 (рисунок А.1) – до плюс 650 °С (плюс 800 °С – не более 100 ч);

б) для ТХА-12 (рисунок А.2) и ТХК-12 – до плюс 450 °С;

-максимальная плотность потока гамма - квантов – -максимальная плотность потока нейтронов – не более Назначенный ресурс ТП 60000 часов.

Назначенный срок службы ТП 15 лет.

Основные воздействия и требования к сохранению рабочих параметров ТХА/ТХК-12 аналогичны перечисленным в подразделе 2.1. Именно поэтому при разработке технологии использованы те же приемы, что описаны в этом подразделе.

В настоящее время изготовлена установочная партия преобразователей и ведется подготовка к испытаниям для утверждения типа.

2.4.Высокотемпературные термопреобразователи типа ТХА-14.

По заданию ОАО «ОКБМ Африкантов» ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ»

приступил к созданию восьми зонного ВТП для БН-800 [54]. Этот первичный преобразователь предназначен для непрерывного измерения температуры теплоносителя в корпусе реактора БН-800. Термопреобразователи устанавливаются в специальные герметичные чехлы, входящие в комплект поставки [55]. Класс герметичности чехлов по отношению к внешней среде V по ПНАЭ Г-7-019-89. Диапазон измерения термопреобразователей от 0 до 650°С, кратковременно (не более 100 часов за срок службы) до 800°С.

Назначенный срок эксплуатации не менее 15 лет с вероятностью за время безотказной работы в течение 8 тысяч часов не меньшей 0,98.

ВТП типа ТХА-14 должны иметь следующие исполнения (рисунок 2.9):

- по способу установки – погружаемые;

- по условиям эксплуатации – стационарные;

- по числу зон – восьмизонные;

- по числу точек контроля в одной зоне – одинарные;

термопреобразователя – с изолированной термопарой;

- по отношению к окружающей среде – герметичные.

а)б) Рисунок 2.9 Высокотемпературные термопреобразователи типа ТХА- (а), б) - два исполнения термопреобразователя) ВТП изготавливаются из кабеля КТМС (ХА) 2х0,06 (ТУ 16.505.757).

Пределы допускаемых отклонений ТЭДС (t) от НСХ соответствуют классу 2 и в температурном эквиваленте при выпуске из производства соответствуют:

- t = ± 2,5 °С при температуре от 0 до плюс 333°С;

-t = ± 0,0075 · t при температуре свыше 333оС до плюс 1300°С, где t – значение измеряемой температуры, °С.

Конструкция узла ввода линий связи в головку восьмизонного ВТП ТХА- 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.

Степень защиты головки от попадания внутрь пыли и воды - IР67 (ГОСТ 14254).

циклического резкого (за время не более 3 с) изменения температуры измеряемой среды от плюс 400 до 25 ± 10°С, относятся к категории I сейсмостойкости по НП-031 и должны выдерживать сейсмические нагрузки МР3 (7 баллов по шкале MSK-64) включительно. По помехоустойчивости (электромагнитной совместимости) ВТП относятся к группе исполнения IV, критерий качества функционирования – А (ГОСТ Р 50746).

Вероятность безотказной работы ВТП за время наработки 8000 - не менее 0,98.

Назначенный срок службы не менее 15 лет, назначенный ресурс – не менее 100000 часов.

Технологическая реализация обеих конструкции базируются на использовании приемов, отработанных на ВТП ТХА-11. Естественно, что последовательность определяется их конструктивными особенностями.

Специфика конструкции потребовала также разработки индивидуальных методик и оборудования для испытаний и аттестации термопреобразователей.

2.5.Высокотемпературные термопреобразователи типа ТХА-15.

Преобразователи высокотемпературные термоэлектрические хромель – алюмелевые (ВТП) ТХА-15 предназначены для установки в механизм сканирования по высоте активной зоны РУ БН 800 [56]. Они крепятся в герметичные защитные гильзы ГЗ-15.

Устройство термопреобразователя и схема его соединения показаны на рисунке 2.9.

Рисунок 2.10 Преобразователь термоэлектрический ТХА- Технические требования, сформулированные в практически аналогичны ВТП ТХА-14, основные технологические решения повторяют описанные в подразделе 2.3. В конструкции используется кабель КТМС (ХА) 2х0,9. В соответствие с действующим договором ОАО «ОКБ «Африкантов»

утверждение типа ВТП ТХА -15 должно быть завершено в конце 2013 г.

Глава 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ АЭС С РУ РБМК И ВВЭР.

В аналитическом обзоре [1] автором показано, что усовершенствование выпускаемой термометрической продукции, предопределяющее объёмы модернизации и сроки повышения эффективности производства, является многофакторной задачей, при решении которой было необходимо постоянно актуализировать конструкторскую и технологическую документацию в связи c ужесточением требований к СИ потребителей, изменением нормативной базы (в частности, из-за принятия в 2008 году новой редакции ФЗ « Об обеспечении единства измерений», внедрение в практику ФЗ-94, корректировки ФЗ-170 «Об использовании атомной энергии»), а также необходимости переаттестации средств измерений из-за истечения сроков действия Лицензий на право их производства и применения.

Принимая во внимание, что перечни технологических процессов при выпуске однотипных ТП и ТС для АЭС с РУ РБМК И ВВЭР к 2008 году насчитывал почти 40 единиц [57], представлялось целесообразным провести их типизацию, что должно было упростить оценку перспектив принимаемых организационных и научно-технических решений.

3.1 Типизация технологических схем производства измерительных преобразователей Этот метод стандартизации, как известно, обладает определенным модернизационным потенциалом, так как позволяет сократить сроки новых разработок и снизить их стоимость за счет использования наиболее апробированных технологических приемов.

Отработанные и описанные в научно-техническом отчете [58] при участии автора типовые схемы универсальных технологических процессов изготовления термоэлектрических преобразователей и термометров сопротивления приведены на рисунках 3.1. и 3.2.

Универсальный технологический процесс изготовления ТП включает:

входной контроль материалов и комплектующих изделий, изготовление чувствительного элемента (термопары), изготовление деталей, изготовление головок из стали, полиамида или алюминиевого сплава, изготовление контрольного сварного соединения, сварку защитной арматуры, сварку ТП, ПСИ, определение отклонений характеристик ТП от НСХ, комплектацию, консервацию, упаковывание ТП.

Детально все упомянутые приёмы описаны в комплектах документов, перечисленных в научно-техническом отчете [57]. В зависимости от типа и исполнения ТП некоторые детали не изготавливаются и операции техпроцесса термоэлектрические и электроизоляционные материалы и материалы защиты ТП.

используются визуальный и измерительный контроль, испытания на стойкость к межкристаллитоной коррозии, ультразвуковая дефектоскопия сталей на отсутствие недопустимых дефектов, стиллоскопирование сталей на наличие и содержание легирующих элементов, измерение твёрдости сталей, определение НСХ термоэлектродных материалов и др.

Входной контроль обеспечивает применение при изготовлении средств измерений материалов и комплектующих, удовлетворяющих требованиям действующих стандартов, указанных в рабочих чертежах и подтвержденных сертификатами предприятий- поставщиков.

Входной контроль Рисунок 3.1 Схема универсального технологического процесса изготовления термоэлектрических преобразователей Входной контроль Рисунок 3.2 Схема технологического процесса изготовления термометров сопротивления При операционном контроле деталей, сварных соединений, сборок, узлов и изделий в соответствии с конструкторской и технологической документацией используют:

-визуальный и измерительный контроль;

-капиллярный контроль;

-радиографический контроль;

-гидравлические испытания (испытания на прочность);

-определение номинальной статической характеристики (НСХ или ИСХ).

Приёмочный контроль включает:

-приемо-сдаточные испытания;

-типовые испытания;

-периодические испытания.

Об объёме испытаний каждого типа дает представление таблица 2. 1.

Что касается типовой схемы производства ТС, то исключая операции формирования чувствительных элементов, они в основном совпадают с уже перечисленными в части последовательности изготовления, контроля и упаковывания.

разрабатывалась технология изготовления ТП ТХА-08, ТХА-11,12, 14 и 15, а также аналог ТХА-01, ранее разработанный для системы СВРК в РНЦ «КИ».

Типовые процессы использовались также при уточнении объектов интеллектуальной собственности и технологических «ноу-хау» предприятия.

На их базе под руководством автора реализован начальный этап проекта [59] по снижению трудозатрат на изготовление преобразователей.

3.2Оптимизация производства измерительных преобразователей.

В рамках упомянутого проекта построены исходные карты потоков, в которых отражены последовательности операций и процессов по превращению материалов и полуфабрикатов в конечные продукты.

Рассмотрим процедуры оптимизации на примере изготовления термометров сопротивления.

На рисунке 3.3. сравниваются текущее и предложенное целевое состояние потоков сборки ТС.

Рисунок 3.3 Укрупненная схема потока сборки термопреобразователей сопротивления В реальном процессе происходит многократное перемещение изготовленных чувствительных элементов на участки сушки и стабилизации. За восемь переходов суммарное расстояние составляет 288 м. При предложенном перемещении печей и вибратора в общее помещение это расстояние существенно сокращается, также как и время необходимое для реализации операций.

Аналогичным образом упрощалась ситуация при оптимизации операций сборки и сварки арматуры средств температурного контроля. Их соответствующие текущие и целевое состояния сравниваются на рисунке 3.4.

Очевидно, что простое перемещение двух единиц оборудования позволило сократить время изготовления арматуры для ТСП-03 почти на половину. И, если влияние перечисленных перестановок на качество операций оказывалось только опосредованным, то в операциях сборки и засыпки термометров сопротивления, проводимых в различных помещениях на разных этажах производственного корпуса не исключалось насыщение ЧЭ влагой. Это было доказано анализом с применением причинно-следственной диаграммы Ишикавы. Была сделана выборка данных по доле технологических отклонений за последние два года и выборка метрологических данных в дни, когда было обнаружено отклонение. На приведенном графике (рисунок 3.5) показано, что существует прямая зависимость доли технологических отклонений термометров сопротивления от содержания влаги в окружающем воздухе.

Исключить эту зависимость удалось, сосредоточив оборудование на одном этаже в смежных помещениях (рисунок 3.6).

Рисунок 3.4 Укрупненная схема потока сборки и сварки арматуры средств температурного контроля Рисунок 3.5 Зависимость доли технологических отклонений термометров сопротивления от содержания влаги в окружающем воздухе Рисунок 3.6 Укрупненная схема потока сборки термометров сопротивления Значительная экономия времени за счет рациональной перекомпоновки оборудования достигнута и на механическом участке. В [59] показано, что:

-объединение двух складских структур позволило сократить суммарные перемещения материалов с 65 до 15 м и сократить время на их выдачу на 40%;

-перемещение токарного станка для изготовления длинномерных и мелкогабаритных деталей сокращало суммарные перемещения с 55 до 20 м;

-перемещение станка с ЧПУ позволило сократить суммарные перемещения деталей с 55 до 17 м.

Итоговые показатели начального этапа проекта обобщены в таблице 3. Целевые показатели проекта [59] продукции, мин технологической доработке, % млн руб в год Очевидно, что в ходе оптимизации удалось получить как техническую, так и экономическую выгоду.