Измерение остаточных напряжений с использованием пьезооптических датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Ведерников, Павел Александрович

• Ведерников, Павел Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ведерников, Павел Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБОРУДОВАНИИ АЭС.

1.1 Проблема наличия остаточных напряжений в реакторном оборудовании.

1.2 Обзор методов измерения остаточных напряжений.

ГЛАВА 2 КОНЦЕПЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЬЕЗООПТИЧЕ

СКИХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

2.1 Механическое состояние чувствительного элемента и его тарировка.

2.2 Процедура измерений.

2.3 Физико-математическая модель измерения оптических эффектов методом поворотной компенсации.

ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ.

3.1 Некоторые вопросы конструирования измерительных средств на основе пьезооптических датчиков.

3.1.1 Исключение влияния на результаты измерений дополнительных остаточных напряжений, вызванных изготовлением освобождаемой поверхности.

3.1.2. Обеспечение концентричности пьезооптического датчика и освобождаемой поверхности.

3.2 Анализ влияния термомеханического состояния пьезооптического датчика на результаты измерений.

3.3 Технологические вопросы изготовления и эксплуатации пьезооптических датчиков для измерения остаточных напряжений.

3.4. Методика измерения радиальных остаточных напряжений в зоне завальцовки теплообменной трубки в трубную доску.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОРТОГОНАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА В ЗАДАЧЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

4.1 Экспериментальная тарировка измерительного устройства для измерения однородных остаточных напряжений.

4.2 Экспериментальная тарировка измерительного устройства для измерения неоднородных по глубине остаточных напряжений.

4.3 Определение статистических характеристик значений главных остаточных напряжений при их косвенных измерениях.

ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНЦЕПЦИИ.

5.1 Результаты тарировки пьезооптического датчика на основе поликарбонатного чувствительного элемента.

5.2 Исследование остаточных напряжений в темплете из композитного сварного шва коллектора парогенератора ПГВ-1000У.

5.3 Исследование остаточных напряжений в антикоррозионной наплавке защиты нижнего сварного шва коллектора парогенератора ПГВ-1000У.

5.4 Экспериментальное определение функции Грина на модели вальцованной заглушки.

5.5 Поляриметр портативный метода поворотной компенсации.

5.6 Информационно-измерительная система для определения остаточных напряжений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Измерение остаточных напряжений с использованием пьезооптических датчиков»

Актуальность работы:

Постоянное повышение требований к безопасности ЯЭУ вызывает необходимость надежного обоснования прочности и ресурса реакторного оборудования. Введение дополнительных требований к безопасности АЭС в рамках национальных и международных нормативно-технических документов, привело к существенному увеличению числа факторов, учитываемых при обосновании надежности реакторного оборудования. Одним из таких факторов являются остаточные технологические напряжения. В последнее время значительно возрос интерес к определению влияния остаточных напряжений на хрупкую прочность оборудования, процессы развития дефектов, выявленных при технической диагностике, а также на деградацию свойств материалов, что нашло отражение в нормативных документах атомной энергетики.

Расчетное определение остаточных напряжений в большинстве случаев затруднено из-за необходимости учета механических, тепловых и физико-химических факторов, влияющих на ход процессов их образования и релаксации, а также значительной неопределенности начальных и граничных условий при описании этих процессов. В связи с этим весьма актуальной является проблема разработки и совершенствования методов и средств измерения остаточных напряжений, данные которых могут использоваться как самостоятельно, так и для верификации расчетных методов.

В настоящее время существует большое количество методик и приборов для измерения остаточных напряжений разрушающими и неразрушающими методами. Однако проведение достоверных измерений по-прежнему представляет собой сложную и дорогостоящую операцию. Применение неразрушающих методов измерения остаточных напряжений сдерживается недостаточной достоверностью таких измерений при исследовании натурного реакторного оборудования. В этой ситуации широкое распространение получили разрушающие методы. Однако их использование затрудняют весьма жесткие ограничения на размеры освобождаемых поверхностей и относительно высокая стоимость из6 мерений. Необходимость повышения надежности и точности измерений остаточных напряжений, в сочетании с уменьшением стоимости измерений, а также существующая потребность в расширении круга решаемых задач, определяет актуальность диссертационной работы.

Цель работы:

Разработка измерительных средств и методик измерения остаточных напряжений методом освобождения цилиндрической поверхности с использованием датчиков на основе эффекта фотоупругости (пьезооптического эффекта).

Исследования проводились по следующим направлениям:

- разработка пьезооптических датчиков нового поколения на основе неоднородно-напряженных чувствительных элементов;

- разработка методик тарировки пьезооптических датчиков, в том числе с использованием экспериментально определенных функций Грина;

- разработка нового метода измерения фотоупругих оптических эффектов -метода поворотной компенсации;

- создание математического обеспечения процедур тарировки и измерений на основе математической теории эксперимента;

- определение путей практической реализации предложенных подходов к созданию средств измерения остаточных напряжений и применение разработанных измерительных средств для определения остаточных напряжений в оборудовании ЯЭУ.

Научная новизна работы: 1. Предложена новая концепция использования пьезооптических датчиков для определения остаточных напряжений. Основным положением новой концепции является применение фотоупругого чувствительного элемента, в котором реализуется неоднородное трехосное напряженное состояние, для регистрации радиальных перемещений, вызванных освобождением цилиндрической поверхности от остаточных напряжений. При этом допускается наличие произвольных начальных оптических эффектов в чувствительном элементе. Использование предложенной концепции позволяет создавать эффективные средства измерения остаточных напряжений в сварных швах, вальцованных соединениях и других элементах реакторного оборудования.

2. Разработан новый высокоэффективный метод измерения фотоупругих эффектов - метод поворотной компенсации. Метод прост в реализации и позволяет измерять сигналы пьезооптических датчиков с высокой точностью. Кроме того, метод поворотной компенсации является наиболее приемлемым методом измерения при создании информационно-измерительных систем на основе пьезооптических датчиков.

3. Разработано математическое обеспечение тарировки и измерений. Использование ортогонального планирования эксперимента позволяет оптимизировать размещение экспериментальных точек в факторном пространстве, в связи с чем, при малых издержках могут быть проведены та-рировочные эксперименты с высокой степенью доверительности результатов.

4. Для определения фотоупругих эффектов в пьезооптических датчиках применена процедура сканирования, что позволяет отказаться от использования допущений о направлении главных напряжений при проведении измерений. Кроме того, при использовании процедуры сканирования любые квазистационарные поля температур в системе «пьезооптический датчик - исследуемая конструкция» не оказывают влияния на результаты измерений.

Практическая значимость работы:

Высокая чувствительность, надежность и помехоустойчивость измерительных средств, созданных на основании предложенной концепции, в сочетании с их невысокой стоимостью и простотой автоматизации измерений, позволяют расширить область применения экспериментальных методов для определения остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления, монтажа, ремонта и эксплуатации оборудования АЭС.

Разработанные пьезооптические датчики, измерительные средства на их основе, методики измерения и программное обеспечение внедрены и использованы в ОКБ «Гидропресс» для измерения остаточных напряжений в элементах 8 парогенератора ПГВ-1000У. Полученные результаты использованы для обоснования технологии эксплуатации и ремонта парогенератора.

Автор защищает:

- новую концепцию использования пьезооптических датчиков для определения остаточных напряжений в оборудовании АЭС, включая новый метод измерения фотоупругих оптических эффектов - метод поворотной компенсации;

- методику тарировки пьезооптических датчиков;

- приложения концепции для создания средств измерения остаточных напряжений и контактных давлений;

- приложения концепции для создания информационно-измерительной системы для измерения фотоупругих эффектов в пьезооптических датчиках;

- математическое обеспечение процедур тарировки и измерений;

- результаты исследования остаточных напряжений в элементах парогенератора АЭС с ВВЭР.

Апробация работы и публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на конференциях: «Научная сессия МИФИ - 98» (Москва, 19-23 января 1998 г.), 2-й Московской международной телекоммуникационной конференции «Молодежь и наука» (Москва, 20 октября-20 декабря

1998 г.), «Научная сессия МИФИ - 99» (Москва, 18-22 января 1999 г.), «Научная сессия МИФИ - 2000» (Москва, 17-21 января 2000 г.), на У1-м международном семинаре «Технологические проблемы прочности» (Подольск, 22-24 июня

1999 г.). По результатам проведенных исследований опубликовано 9 печатных работ, включая труды конференций [1-9]. 9

Заключение диссертации по теме «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», Ведерников, Павел Александрович

Выводы:

- Проведены измерения остаточных напряжений в одной из наиболее нагруженных зон коллектора ПГВ-1000У - антикоррозионной наплавке композитного сварного шва. Измерения проводились методом освобождения путем сверления отверстий глубиной 1.7 мм и диаметром 4 мм. Для регистрации деформаций, вызванных сверлением отверстия, использовались пьезо-оптические датчики;

- Величины измеренных остаточных напряжений в защитной антикоррозионной наплавке композитного сварного шва приварки переходного кольца к корпусу коллектора ПГВ-1000У по величине не превышают 33 МПа, что существенно ниже расчетных величин.

140

5.4 Экспериментальное определение функции Грина на модели вальцованной заглушки.

Вальцованные заглушки, разработанные фирмой «Westinghouse Electric», находят широкое применение для глушения дефектных теплообменных трубок парогенераторов атомных электростанций. Конструкция и принцип установки заглушки описаны в п. 3.4.

Для обоснования применимости вальцованных заглушек, производимых хорватской фирмой «Inetec», при ремонтах парогенераторов ПГВ-440 и ПГВ-1 ООО, проводятся испытания моделей узлов глушения. При проведении испытаний основное внимание уделяется исследованию влияния установленной заглушки на конструкционную прочность коллектора парогенератора, определению зависимости усилия страгивания заглушки от ряда эксплуатационных параметров и выяснению возможности сохранения герметичности заглушённой теплообменной трубки при повреждении сварного шва приварки трубки к коллектору парогенератора. Большое значение для решения этих задач имеет определение давлений на границе контакта заглушки и теплообменной трубки, а также на границе контакта теплообменной трубки и корпуса коллектора, возникающих при установке вальцованной заглушки.

Для определения указанных контактных давлений используются 4 однотрубных модели перфорированной зоны коллектора (по две модели для каждого парогенератора) и фрагменты многотрубных моделей перфорированной зоны. В настоящее время модели отправлены в Республику Хорватия для установки заглушек силами специалистов фирмы «Inetec».

Определение контактных давлений в узле глушения дефектных теплообменных трубок парогенератора будет проведено с использованием пьезооптических датчиков, разработанных автором. Конструкция пьезооптических датчиков для измерения радиальных контактных давлений и методика их тарировки изложены соответственно в п. 3.4 и п. 2.2. Для определения тарировочных зависимостей в данной задаче функция Грина для используемого пьезооптиче-ского датчика определена экспериментальным путем.

141

Функция Грина для пьезооптического датчика, устанавливаемого на вальцованную заглушку, определена с использованием результатов тарировки пьезооптического датчика установленного на модель заглушки. При этом модель и пьезооптический датчик изготовлены и испытаны с соблюдением соотношений подобия.

В данном параграфе приведены результаты экспериментального определения функции Грина для задачи измерения контактных давлений на границе вальцованная заглушка - теплообменная трубка. Функция Грина определена в предположении равномерного распределения контактного давления по высоте уплотняющего зубца.

На рис. 41 показаны схема модели заглушки и пьезооптического датчика, а на рис. 42 показан общий вид модели заглушки с пьезооптическим датчиком.

Рис. 41. Схема модели заглушки и пьезооптический датчик.

Материал пьезооптического датчика - эпоксидная смола, отвержденная метилтетрагидрофталевым ангидридом. Материал модели заглушки - нержавеющая сталь 08Х18Н10Т. Диаметр окружности измерения - 32 мм. Угловое расстояние между точками измерения - 20°. Коэффициент геометрического подобия а- 0.3 .

142

Рис. 42. Модель заглушки с пьезооптическим датчиком

Рис. 43. Модель заглушки, пьезооптический датчик и образцовый динамометр в захватах разрывной машины Р-5.

Модель заглушки в процессе ее нагружения показана на рис. 43. Функция Грина, соответствующая нагрузке 200 кГ приведена на рис. 44. Отчет угла про

143 изводиться от места приложения точечной нагрузки. Порядок полосы указан в делениях компенсатора (1 полоса - 48 делений).

60 -1————————————

90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90 X

90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90 X

Рис. 44. Функция Грина для модели заглушки, а - зависимость порядка полосы от угла, б - зависимость параметра изоклины от угла.

Функция Грина использована для определения тарировочного коэффициента, соответствующего действию равномерного по уплотняющему зубцу контактного давления. Величина указанного тарировочного коэффициента составила для модели заглушки 1.34 пп на 100 МПа. С учетом коэффициентов геометрического и силового подобия при измерениях контактных давлений в на

144 турном узле глушения тарировочный коэффициент для равномерного контактного давления составит 0.4 пп на 100 МПа. В случае использования поликарбоната в качестве материала чувствительного элемента пьезооптического датчика, величина указанного тарировочного коэффициента составит 0.9 пп на 100 МПа.

Точность измерения фотоупругих оптических эффектов стандартными поляриметрами находиться на уровне Дш « ±0.02 пп. Точность измерения фотоупругих оптических эффектов может быть значительно увеличена при использовании разработанного автором метода поворотной компенсации (см. п. 2.2).

Из анализа уровня точности измерений фотоупругих оптических эффектов и приведенных выше тарировочных коэффициентов следует, что пьезооп-тические датчики являются весьма точным средством измерения контактных давлений, возникающих при установке вальцованной заглушки в узел глушения дефектной теплообменной трубки парогенератора.

145

5.5 Поляриметр портативный метода поворотной компенсации.

Точность измерения порядков полос и параметров изоклин измеряемых оптических эффектов при использовании разработанного автором метода поворотной компенсации (п. 2.3) прямо пропорциональна точности измерения угла поворота компенсирующего элемента, соответствующего моменту компенсации. Этот момент может быть точно зафиксирован, например, с помощью модернизированного стандартного поляриметра для определения угла вращения плоскости поляризации в оптически активных жидкостях.

Примером такого прибора является портативный поляриметр П-161-М, выпускающийся Загорским оптико-механическим заводом. Точность отсчета угла вращения равна 0.1°. Пределы измерения угла вращения ± 20°. Цена прибора составляет примерно 1000 р в ценах 2000 г. Немногим более сложный прибор - портативный поляриметр СМ позволяет измерять углы вращения с точностью 0.05°. Лучшие поляриметры способны измерять углы вращения с точностью до 0.001°. Следует также отметить, что промышленность выпускает автоматизированные поляриметры, например, марки «Пике» отечественного производства.

С точки зрения фотоупругости оптическая схема поляриметра представляет собой плоский скрещенный полярископ. Имеющихся у поляриметра оптических элементов недостаточно для измерения обоих оптических эффектов в фотоупругости - порядка полосы интерференции и параметра изоклины. С использованием плоского скрещенного полярископа (без дополнительных оптических элементов) можно измерять только параметры изоклины.

Кроме того, трудностями, стоящими на пути использования поляриметров в фотоупругости являются следующие обстоятельства:

1. Для достижения номинальной точности измерения углов необходимо обеспечить однородность наблюдаемого оптического эффекта по всему полю поляриметра (диаметр светового пучка составляет примерно 3 мм).

2. Механическая система поляриметра не позволяет одновременно поворачивать на строго определенный угол поляризатор и анализатор как

146 это требуется для измерения параметра изоклины в плоском скрещенном полярископе.

3. Наиболее простой и дешевый поляриметр П-161-М имеет ограничение на максимальную величину измеряемого угла вращения (это значение равно 20°).

Таким образом, оптическая схема и особенности конструкции поляриметра для измерения угла вращения плоскости поляризации не позволяет использовать его непосредственно для измерения фотоупругих оптических эффектов. Однако поляриметр может быть адаптирован для измерения фотоупругих оптических эффектов методом поворотной компенсации путем незначительной модернизации. В конструкцию поляриметра добавляется оптический элемент простой конструкции, механическая схема и отсчетное устройство не изменяется.

Метод поворотной компенсации позволяет обеспечить квазиоднородное поле наблюдений для реализации метода тройного поля, используемого для измерений в поляриметре, и измерение полных оптических эффектов: порядков полос и параметров изоклин при соблюдении указанного выше ограничения 20° на максимальный угол вращения.

Поле наблюдения поляриметра имеет определенный размер. Порядок полосы и параметр изоклины, как измеряемого оптического эффекта, так и компенсирующего оптического эффекта неоднородны по этому полю. Однако для измерения оптических эффектов с использованием метода тройного поля необходимо обеспечить постоянство по полю наблюдения оптической величины, связанной с его затемнением. В методе поворотной компенсации измеряются параметры изоклины суммарного оптического эффекта. Чем выше отношение величины компенсирующего эффекта к максимальной величине измеряемого эффекта, тем более однородным является распределение изоклин суммарного оптического эффекта по полю наблюдения (в пределе, если шк » ш, поле наблюдения становится абсолютно однородным). С другой стороны, как будет показано ниже, использование больших соотношений тк1т необходимо в связи с ограничением максимальной величины поворота в механической системе поляриметра. Мощным средством «выравнивания» поля изоклин является введение дополнительных оптических эффектов с однородным по полю наблюде

Поляриметр, адаптированный для измерения оптических эффектов методом поворотной компенсации получил название ПП МПК (поляриметр порта

148 тивный метода поворотной компенсации). Продольный разрез прибора изображен на рис. 45. Общий вид прибора показан на рис. 46.

Рис. 46. Портативный поляриметр метода поворотной компенсации (ПП МПК).

Наиболее удобно использовать компенсирующие элементы с квазиоднородным по полю наблюдения оптическим эффектом. Определение параметра изоклины и порядка полосы квазиоднородного компенсирующего эффекта производится экспериментально после установки компенсирующего элемента в поляриметр. Параметр изоклины определяется непосредственно поляриметром. Порядок полосы определяется относительно дополнительного компенсирующего элемента с квазиоднородным фотоупругим эффектом подходящей величины. Процедура определения порядка полосы компенсирующего элемента выглядит следующим образом:

1. Изготавливается оправка, позволяющая точно поместить дополнительный компенсирующий элемент на оси поляриметра.

2. Определяется параметр изоклины для обоих компенсирующих элементов.

3. Рабочий компенсирующий элемент устанавливается на свое место в поляриметре, а дополнительный компенсирующий элемент устанавливается в оправке таким образом, чтобы при проведении измерений его

149 оптического эффекта по штатной процедуре обеспечивалась бы максимальная точность измерения порядка полосы. Необходимый угол установки может быть определен по приближенному значению порядка полосы для дополнительного компенсирующего элемента с использованием тарировочных поверхностей поляриметра (см. п. 2.3).

4. Оптический эффект в дополнительном компенсирующем элементе определяется по штатной процедуре измерения.

5. Порядок полосы квазиоднородного оптического эффекта в рабочем компенсирующем элементе определяются в долях от порядка полосы дополнительного компенсирующего эффекта по любой из формул в виде (10 А): тк = &т(2(р) тк = соз(2ф) ПО А) т вт(2 <ркхУ т зт(2 (ркх)' где (р - параметр изоклины компенсирующего оптического эффекта относительно системы координат, связанной с полярископом - он известен в результате предыдущих операций (параметр изоклины рабочего компенсирующего эффекта определяется для его правильной установки относительно системы координат полярископа).

Важной особенностью данной процедуры тарировки рабочего компенсирующего элемента является независимость результатов последующих измерений от фактической величины порядка полосы для дополнительного компенсирующего элемента, относительно которого определяется порядок полосы в рабочем компенсирующем элементе. Это положение справедливо, если для тарировки пьезооптических датчиков и измерений остаточных напряжений используется один и тот же рабочий компенсирующий элемент. Поскольку фактическое значение порядка полосы для дополнительного компенсирующего элемента может быть принято за единицу, погрешности определения порядка полосы для дополнительного компенсирующего элемента не переходят в погрешности измерения остаточных напряжений, а оказывают влияние лишь на величину тарировочных коэффициентов, определяемых не по абсолютной величине, а от

150 носительно «опорного» оптического эффекта дополнительного чувствительного элемента. В случае если дополнительным компенсирующим элементом служит оптический элемент с точно известным порядком полосы, например, кварцевая пластинка целой длины волны, оптический эффект для рабочего компенсирующего элемента определяется фактически по абсолютной величине.

В большинстве случаев отсутствует необходимость определять точное значение порядка полосы в рабочем компенсирующем элементе по абсолютной величине. Достаточно приближенно определить порядок полосы при просвечивании компенсирующего элемента в обычном полярископе и принять неизвестное фактическое значение порядка полосы за единицу при выполнении последующих тарировки и измерений. Параметр изоклины для рабочего компенсирующего элемента определяется в этом случае непосредственно поляриметром, что необходимо для правильной установки рабочего компенсирующего элемента относительно системы координат полярископа.

В некоторых случаях не удается с достаточной точностью обеспечить постоянство зависимости компенсирующего оптического эффекта от угла компенсации. В таких случаях необходимо получить эту зависимость экспериментальным путем. Процедура тарировки аналогична описанной выше для постоянного компенсирующего эффекта, но для получения искомой зависимости дополнительный компенсирующий элемент устанавливается в различных положениях относительно рабочего с тем, чтобы обеспечить различные значения углов компенсации в системе координат поляриметра. Подбор необходимых для построения зависимости тк (<рк) углов установки дополнительного компенсирующего элемента осуществляется путем итерационной процедуры.

Особенности конструкции некоторых поляриметров не позволяют измерять углы компенсации, абсолютная величина которых превышает 15-20°. Это ограничение может быть преодолено путем использования компенсирующего эффекта, величина которого превышает максимальную величину измеряемых оптических эффектов. Относительно системы координат поляриметра параметр изоклины измеряемого оптического эффекта лежит в диапазоне -90° <<р< 900.

151

Соотношение между величиной компенсирующего эффекта и максимальной величиной измеряемого эффекта определяется расчетным путем по формуле (10) исходя из возможностей поляриметра. В частности, для поляриметра на базе П-161-М максимальная величина угла компенсации равна 20°. Соотношение тк(тМАХ в этом случае равно 1,5.

Определим по формулам п. 2.3 минимальную точность измерения оптических эффектов поляриметром ГШ МПК (для которого: Аср = 0.1 ,

9мах ~ 20° ,тк =1.5тМАХ). Пусть Шмдх = 3. В этом случае точность измерения mM,N порядка полосы составит Am = 0.005 • тМАХ , а минимальное значение точности измерения параметра изоклины - Аф = 0.5°. Таким образом, ПП МПК обладает высокой точностью измерения оптических эффектов, что было подтверждено результатами его экспериментальной апробации.

152

5.6 Информационно-измерительная система для определения остаточных напряжений.

Процедура измерений порядков полос и параметров изоклин методом поворотной компенсации позволяет реализовать эффективную схему автоматизированных измерений фотоупругих оптических эффектов.

Автором разработаны и реализованы конструкция и принцип действия информационно-измерительной системы (ИИС) для определения остаточных напряжений. Рассмотрим пример использования ИИС в задаче измерения радиальных контактных давлений, возникающих при установке вальцованной заглушки в дефектную теплообменную трубку парогенератора (см. п.3.4).

Информационно-измерительная система состоит из пьезооптических датчиков, вторичных преобразователей, цифровой камеры, платы цифрового видеоввода и ПЭВМ.

Рис. 47. Принципиальная схема ИИС для определения остаточных напряжений с использованием пьезооптических датчиков. 1 - ПЭВМ; 2 - плата цифрового видеоввода; 3 - цифровая камера; 4 - светодиоды; 5 - поляризующий элемент; 6 - компенсирующий элемент; 7 - исследуемая модель.

153

Принцип измерений, выполняемых ИИС, поясняет схема рис. 47. Лучи монохроматического света от светодиодов 4 проходят через поляризующий элемент 5, компенсирующий элемент 6 и пьезооптический датчик, установленный на модели заглушки 7. Отразившись от поверхности модели, лучи снова проходят через пьезооптический датчик, компенсирующий элемент, поляризующий элемент (который в этом случае играет роль анализатора) и попадают на ПЗС матрицу цифровой камеры 3, которая соединяется с платой видеоввода 2, установленной в ПЭВМ 1.

Для измерения сигналов пьезооптических датчиков используется метод поворотной компенсации, разработанный автором (см. п. 2.3).

Ниже приводится процедура определения радиальных контактных давлений с использованием разработанной ИИС.

Запись потока изображений картин полос в пьезооптическом датчике, соответствующих различным углам поворота компенсирующего элемента (шаг поворота -1°).

2. Определение значений параметров окружности измерения (см. табл.

4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

1. Предложена концепция использования пьезооптических датчиков для измерения остаточных напряжений, основу которой составляют следующие положения:

- радиальные перемещения, вызванные освобождением от остаточных напряжений цилиндрической поверхности, воспринимает чувствительный элемент, в котором реализуется неоднородное трехосное напряженное состояние.

- допускается наличие произвольных начальных оптических эффектов в чувствительном элементе. Основными достоинствами разработанных пьезооптических датчиков являются примерно на порядок большая чувствительность по сравнению с традиционными фотоупругими средствами измерения остаточных напряжений, а также помехозащищенность, широкий круг решаемых задач и относительно низкая стоимость.

2. Разработан новый высокоэффективный метод измерения оптических эффектов

- метод поворотной компенсации. Метод позволяет повысить точность измерения фотоупругих эффектов в пьезооптических датчиках в несколько раз по сравнению с известными методами Тарди и Сенармона и обеспечивает эффективную автоматизацию измерений оптических эффектов. Измерительные средства на основе метода поворотной компенсации имеют минимальное количество оптических и механических элементов, что благоприятно сказывается на их метрологических характеристиках и стоимости.

3. На основе математической теории эксперимента разработаны методики тарировки пьезооптических датчиков и измерения остаточных напряжений. Благодаря использованию при проведении тарировочного эксперимента математического планирования эксперимента, с одной стороны обеспечена высокая доверительность результатов эксперимента за счет рациональной организации выполнения измерения при различных глубинах и нагрузках, с другой стороны, оптимизировано количество проведенных измерений из условия получения наилучших точностных характеристик искомых тарировочных зависимостей при ограниченных ресурсах.

4. Обоснована возможность применения при измерениях процедуры сканирования, что позволяет:

157

- Определить величины и направления главных остаточных напряжений по результатам измерений оптических эффектов без использования допущений о направлении главных остаточных напряжений.

- Существенно снизить влияние температурных воздействий на результаты измерения остаточных напряжений, т.к. при использовании процедуры сканирования любые квазистационарные поля температур в системе пьезооп-тический «датчик-исследуемая конструкция» не оказывают влияния на результаты измерений.

5. Разработаны информационно-измерительная система для измерения фотоупругих эффектов в пьезооптических датчиках. Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать все этапы измерений: от обработки первичных данных до получения значений остаточных напряжений с учетом дисперсий тарировочных коэффициентов. Проведена апробация информационно-измерительной системы на примере пьезооптического датчика для измерения радиальных контактных давлений, возникающих при установке вальцованной заглушки в дефектную теплообменную трубку парогенератора.

6. Разработанные измерительные средства применены для измерения остаточных напряжений в элементах оборудования АЭС. Получены новые данные об остаточном напряженном состоянии композитного сварного шва коллектора парогенератора ПГВ-1000У и антикоррозионной наплавке защиты нижнего сварного шва коллектора. Полученные значения остаточных напряжений в антикоррозионной наплавке существенно ниже расчетных значений. Отработана методика измерения контактных давлений между уплотняющими зубцами заглушки и теплообменной трубкой.

Измерительные системы, построенные на основании предложенной концепции, позволяют расширить область применения экспериментальных методов для определения остаточных напряжений, возникающих в процессе изготовления, монтажа, эксплуатации и ремонта оборудования АЭС. Они могут быть использованы совместно с системами измерений остаточных напряжений неразрушающи-ми методами (Баркгаузена, дифракции тепловых нейтронов, дифракции рентгеновских лучей и др.), что позволит увеличить надежность и снизить стоимость измерений остаточных напряжений.

158

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ведерников, Павел Александрович, 2000 год

1. Ведерников П.А., Марковский М.В., Исаченко В.В., Селезнев A.B. Методика измерения остаточных напряжений методом сверления отверстия с применением фотоупругих покрытий// Научная сессия МИФИ-99: Сборник научных трудов, Т. 5. М.: МИФИ, 1999. - С. 205-206.

2. Ведерников П.А., Гущик И.А., Селезнев A.B., Пономарева В.К. Пьезоопти-ческие датчики для измерения остаточных напряжений// Материалы VI международного семинара «Технологические проблемы прочности», 22-24 июня, 1999, Подольск, С. 240-250.

3. Ведерников П.А., Исаченко В.В. Пьезооптические датчики для измерения радиальных остаточных напряжений и контактных давлений// Научная сессия МИФИ-2000: Сборник научных трудов, Т.8. М.: МИФИ, 2000. -С.120-121.

4. Ю.Махутов H.A., Стекольников В.В., Фролов К.В. и др. Конструкции и методы расчета водо-водяных энергетических реакторов. М.: Наука, 1987. -232 с.11 .Бессонов М.И. Успехи физических наук, 1964, т. XXXIII, с. 1.

5. Титов В.Ф. Совещание экспертов МАГАТЭ по парогенераторам АЭС с ВВЭР. Атомная энергия, 1997, т. 83, вып. 1.

6. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. - 232 с.

7. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок, ПНАЭ Г-7-002-86, Москва, Энергоатомиздат, 1989.-525 с.

8. Методика определения допускаемых дефектов в металле оборудования и трубопроводов во время эксплуатации АЭС, М-02-91, Москва, 1991.

9. Руководство по применению концепции безопасности течь перед разрушением к трубопроводам АЭУ, Р-ТПР-01-99, Москва, 1999.

10. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. -М.: Наука, 1985.-504 с.

11. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1983. - 248 с.160

12. Вишняков Я.Д., Писарев В.Д. Управление остаточными напряжениями. -М.: Металлургия, 1989.

13. Экспериментальная механика. Книга 2// Под ред. Кобаяси А. М.: Мир, 1990. - 551 с.

14. Measurements of residual strains in a shape welded steel tube by neutron and X-ray diffraction methods. Сообщения Объединенного института ядерных исследований, Дубна, 1997 г. 13 с.

15. Mathar J. Determination of initial stresses by measuring the deformations around drilled holes. Trans. ASME, 56, 1934.

16. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975.

17. Чернышев Г.Н. и др. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука, 1996. - 239 с.

18. Kirsch G. Theory of elasticity and application in strength of materials. -Zeitchrift vevein deutscher ingenieure, 42, no. 29, 1898.

19. Soete W., Vancrombrugge R. An industrial method for the determination of residual stresses. Proc. SESA, VIII, no. 1,1950.

20. Riparbelli G. A method for the determination of initial stresses. Proc. SESA, VIII, no. 1, 1950.

21. Boiten R.G., Ten Gate W. A routine method for the measurement of resudial stresses in plates. App. sci. res., sec. A, no. 2, 1952.

22. Kelsey R.A. Measuring non-uniform residual stresses by the hole drilling method. Proc. SESA, XVI, no. 1, 1956.

23. Rendler N.J., Vigness I. Hole drilling strain-gage method of measuring residual stresses. Exp. Mech., 6, no. 12, 1966.

24. Schajer G.S. Application of finite-element calculations to residual stress measurements. -ASME Trans., J. Eng. mater, tech., 103, no. 2, 1981.

25. Flaman M.T. Brief investigation of induced drilling stresses in the center-hole method of residual-stress measurement. Exp. mech., 22, no. 1, 1982.161

26. Determining residual stresses by the hole-drilling strain-gage method, ASTM Stand. E837-89, ASTM, Philadelphia, 1989.

27. Sandifer J.P., Bowie G.E. Residual stress by blind-hole method with off-center hole. Exp. mech., 18, no. 5, 1978.

28. Ajovalasit A. Measurement of residual stresses by the hole-drilling method: influence of hole eccentricity. J. Strain anal., 14, no. 4, 1979.

29. Антонов A.A. и др. Определение остаточных напряжений при помощи создания отверстий и голографической интерферометрии. Механика твердого тела, 1980, №2.-С. 182-189.

30. Антонов А.А., Чернышев Г.Н., Каменская Н.Н., Вертелов В.М. Анализ экспериментальных методов определения остаточных напряжений в реальных сварных конструкциях/ Сварочные работы в энергостроительстве. М., 1988.-С.82-83.

31. Лобанов Л.М., Пивторак В.А., Черкашин Г.В. Голографический способ определения остаточных напряжений. А.С. 1696843 А1.

32. Писарев B.C., Щепинов В. П., Щиканов А. Ю. Определение остаточных напряжений по плоским деформациям, измеренным на контуре зондирующего отверстия методом голографической интерферометрии// ЖТФ. -1996, Т.66, №1. С. 176-182.

33. Татаринов A.C. Исследование начальных напряжений в деталях машин с применением фотоупругих покрытий. В кн.: Труды 5-й Всесоюзной конференции по поляризационно-оптическим методам исследования напряжений.-Л.: ЛГУ, 1966.-С. 249-253.

34. Отчет о выполнении научно-исследовательской темы «Разработка поляри-зационно-оптического метода исследования нелинейных задач прочности элементов сооружений». Новосибирск: НИИЖТ, 1970. - 108 с.

35. Недосека А.Я. Полуавтоматический прибор для измерения сварочных напряжений на поверхности изделий. Автоматическая сварка, 1979, № 3.

36. Александров А.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1973. - 576 с.

37. Тараторин Б.И. Моделирование напряжений в конструкциях ядерных реакторов. -М.: Атомиздат, 1973.

38. Абен Х.К. Интегральная фотоупругость. Таллин: Валгус, 1975.

39. Дверес М.Н., Фомин A.B. Методы определения остаточных напряжений. -Машиноведение, 1987, №5, С. 23-31.

40. Прейсс А.К. Определение напряжений в элементах конструкций параметрическим методом по ограниченным эксперименитальным результатам. -Машиноведение, 1989, №2, С. 32-37.

41. Экспериментальная механика. Книга 1// Под ред. Кобаяси А. М.: Мир, 1990.-615 с.

42. Поликарбонаты. Черкассы: Научно-исследовательский институт технико-экономических исследований, 1981. - 22 с.163

43. Нетребко В.П. Оптико-механические свойства макролона и его применение для решения задач фотопластичности. Вестник МГУ, сер. Математика, механика, 1970, №1.

44. Канцельсон М.Ю., Балаев Г.А. Полимерные материалы. JL: Химия,1982. -315 с.

45. Островский Ю.И., Щепинов В.П., Яковлев В.В. Голографические интерференционные методы измерения деформаций. М.: Наука, 1988.-248с.

46. Бахтин A.B., Чалый В.Д. Многокритериальные планы эксперимента для построения моделей объектов и процессов. М.: МИФИ, 1995. -114 с.

47. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1983. - 263 с.

48. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1985. -225 с.

49. Стренг Г. Линейная алгебра и ее применения. М. Мир, 1980. - 455 с.

50. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок. Сварка и наплавка. Основные положения, ПНАЭ Г-7-009-89, 1989.

51. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977. - 480 с.

52. Термоциклические испытания опытного коллектора парогенератора ПГВ-1000У. Промежуточный отчет 8.14-167, ОКБ «Гидропресс», Подольск, 1995.

53. Результаты тензометрирования и голографических измерений остаточных напряжений в опытном коллекторе ПГВ-ЮООУ при технологических операциях изготовления. Отчет У320.05-0-021, ОКБ «Гидропресс», Подольск, 1993.