eng
Выпуск #3/2023
С. М. Бечаснов, В. Д. Бармасов, А. И. Попов, М. А. Завьялова
Система для эндоскопического контроля тепловыделяющих сборок
Система для эндоскопического контроля тепловыделяющих сборок
Просмотры: 830
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.3.224.230
Описана система для эндоскопического контроля внутренней поверхности направляющих каналов тепловыделающих сборок водно-водяных энергетических реакторов. Представлены основные структурные элементы системы, в том числе оптическая схема блока приема и обработки изображения. Данный блок обеспечивает угол обзора видеосистемы не менее 90°, дискретность показаний системы вертикального позиционирования 1 мм и длительность однократного полного цикла осмотра направляющих каналов 10 мин.
Описана система для эндоскопического контроля внутренней поверхности направляющих каналов тепловыделающих сборок водно-водяных энергетических реакторов. Представлены основные структурные элементы системы, в том числе оптическая схема блока приема и обработки изображения. Данный блок обеспечивает угол обзора видеосистемы не менее 90°, дискретность показаний системы вертикального позиционирования 1 мм и длительность однократного полного цикла осмотра направляющих каналов 10 мин.
Теги: endoscopic control fuel assemblies (fa) fuel elements (fe) тепловыделяющие сборки (твс) тепловыделяющие элементы (твэл) эндоскопический контроль
Система для эндоскопического контроля тепловыделяющих сборок
С. М. Бечаснов, В. Д. Бармасов, А. И. Попов,
М. А. Завьялова
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, Новосибирск, Россия
Описана система для эндоскопического контроля внутренней поверхности направляющих каналов тепловыделающих сборок водно-водяных энергетических реакторов. Представлены основные структурные элементы системы, в том числе оптическая схема блока приема и обработки изображения. Данный блок обеспечивает угол обзора видеосистемы не менее 90°, дискретность показаний системы вертикального позиционирования 1 мм и длительность однократного полного цикла осмотра направляющих каналов 10 мин.
Ключевые слова: тепловыделяющие сборки (ТВС), тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), эндоскопический контроль
Статья получена: 24.12.2022
Статья принята: 19.02.2023
Введение
Эндоскопический контроль (далее – ЭК) обладает высокой информативностью и широко используется во многих отраслях промышленности. Так, внутренний осмотр различных деталей и узлов позволяет выявить дефекты и повреждения в местах, недоступных глазу наблюдателя. Зачастую эндоскопия является единственным методом, позволяющим определить состояние ответственных деталей и узлов.
В атомном энергопромышленном комплексе с помощью ЭК решаются задачи повышения эксплуатационного ресурса и надежности тепловыделяющих сборок (ТВС) и тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) [1, 2]. Так, основной причиной разгерметизации ТВЭЛов являются дефекты, образующиеся в результате взаимодействия оболочки с посторонними предметами в теплоносителе реактора. Кроме того, встречаются дефекты оболочки в результате ее взаимодействия с дистанционирующей решеткой (ДР), а также связанные с нарушением технологии изготовления ТВЭЛов. Установлено, что в 60% случаев сквозное повреждение оболочек происходит за счет взаимодействия с посторонними предметами, попадающими в пучок ТВЭЛов из теплоносителя. В свою очередь, в сам теплоноситель могут быть занесены остатки материала, образующегося при производстве ТВЭЛов и ТВС.
Таким образом, эндоскопический контроль качества оболочек ТВЭЛов является важной стадией процесса производства топлива для атомных реакторов. Он позволяет проводить осмотр внутренней поверхности направляющих каналов ТВС и фиксировать состояние их внутренней поверхности. В работе представлены результаты разработки и исследования многоканального эндоскопического комплекса для осмотра внутренней поверхности направляющих каналов ТВС водно-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) (далее – Комплекс).
Описание комплекса
Комплекс предназначен для одновременного осмотра внутренней поверхности 19 направляющих каналов (далее – НК) и трубы центральной ТВС ВВЭР оператором на предмет обнаружения посторонних предметов и видеофиксации состояния внутренней поверхности.
Общий вид Комплекса представлен на рис. 1. Он состоит из следующих блоков:
рабочее место оператора-контролера ОТК;
блок приема и обработки видеоинформации (далее – БПО), располагаемый на крюке кран-балки с проводной системой передачи данных на рабочее место оператора-контролера ОТК;
система вертикального позиционирования положения блока приема и обработки видеоинформации относительно торца головки ТВС.
общая подвеска с 19 видеосистемами для осмотра внутренней поверхности направляющих каналов, центрально трубы центральной и ее дна. Кабели передачи данных и электропитания каждой видеосистемы располагаются внутри жесткой оболочки. Подвеска крепится к блоку обработки фото- видео- информации и в крайнем нижнем положении опирается на торец головки ТВС (непосредственно или через технологическое кольцо);
технологические кольца под различные типы ТВС для ограничения глубины погружения видеоканалов.
Оптическая схема БПО представлена на рис. 2. С помощью светодиодного осветителя формируется кольцо на внутренней поверхности труб. Отраженный пучок собирается с помощью объектива на камере, данные с которой обрабатываются с помощью специального программного обеспечения (ПО). Функционал ПО и методика обнаружения дефектов будут описаны в следующем разделе.
Данный блок предназначен для осмотра внутренней поверхности направляющих каналов ТВС ВВЭР, получения ее цифровых изображений и передаче их на рабочее место оператора-контролера по кабелю Ethernet.
19 видеосистем и система вертикального позиционирования размещены на подвеске. Максимальная длина погружной части видеоканалов от торца головки ТВС до торца видеокамеры составляет 4 410 мм. Наружный диаметр видеоголовки равен 8,2 мм. Дискретность показаний системы вертикального позиционирования достигает 1 мм.
Система вертикального позиционирования относительно торца головки ТВС представляет собой оптоэлектронный бесконтактный измеритель расстояния глубины погружения подвески в каналы ТВС, выполненный на лазерном дальномере FLS-С10 фирмы DIMETIX.
При проведении осмотра ТВС Комплекс выполняет следующие функции:
проверка работы каналов осмотра;
проверка работы системы вертикального позиционирования;
опрос видеоканалов и сохранение снимков;
вывод снимков и глубины погружения подвески на экран монитора;
поиск подозрительных мест в ТВС;
осмотр дна всех ТВС в отдельности.
Программное обеспечение Комплекса
Программное обеспечение Комплекса работает в нескольких режимах:
режим администрирования, предназначенный для изменения параметров работы Комплекса и настроек программы, просмотра локального протокола;
режим осмотра, предназначенный для вывода изображения от 19 видеосистем на рабочее место оператора с возможностью выделения выбранного канала и масштабирования изображения;
информационно-советующий режим, предназначенный для обработки изображения от 19 видеосистем с целью выделения сомнительных участков, их локализации и предоставления информации оператору-контролеру.
Пример изображений видеосистем в режиме «Осмотр» показан на рис. 3.
Осмотр заканчивается при достижении подвеской стопорного технологического кольца.
В режиме администрирования оператор дает команду на прием и сохранение результатов осмотра из БПО. В нем выполняется обработка принятых данных, на экран монитора выводятся изображения всех 19‑ти видеоканалов выбранной глубины погружения.
Оператор имеет возможность выполнить просмотр изображений с увеличением масштаба и выделением интересующих «окон».
По команде «Поиск сомнительных участков» выполняется обработка изображений с целью выявления посторонних предметов. В результате формируется протокол осмотра внутренней поверхности направляющих каналов.
В режиме просмотра файлов из архива выполняется обработка данных из выбранного архивного файла.
Пример просмотра изображений видеосистем из архива представлен на рис. 4.
Обработка изображений с целью выявления посторонних предметов
Используется два вида обработки изображений: обработка изображения стенок внутренней поверхности направляющих каналов и обработка изображения дна направляющих каналов.
Обработка изображения стенок внутренней поверхности направляющих каналов выполняется c использованием градиента изображения – вектора, показывающего направление наискорейшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля) [3, 4]. В данном случае градиент для каждой точки изображения (функция яркости) – двумерный вектор, компонентами которого являются производные яркости изображения по горизонтали и вертикали:
grad I(x, y) = (dI / dx, dI / dy).
В каждой точке изображения градиентный вектор ориентирован в направлении наибольшего увеличения яркости, а его длина соответствует величине изменения яркости.
Для обнаружения посторонних предметов на стенках внутренней поверхности направляющих каналов вычисляется длина градиентного вектора в каждой точке изображения и сравнивается с некоторым предельно допустимым значением (задается оператором при настройке приложения). Превышение допустимого значения считается обнаружением в точке постороннего предмета.
Проверка дна каналов на наличие посторонних предметов выполняется методом сравнения полученного изображения дна канала с эталонным изображением из базы эталонных изображений. Для этого используется хэш-функция (функция свертки), осуществляющая преобразование изображения (массива входных данных произвольной длины) в выходную битовую строку установленной длины (хэш) [5, 6].
Заключение
Таким образом, в разработанном многоканальном эндоскопическом комплексе для осмотра внутренней поверхности направляющих каналов ТВС ВВЭР достигнуты следующие технические характеристики:
угол обзора объектива видеосистемы – не менее 90°;
дискретность показаний системы вертикального позиционирования 1 мм.
видеосистема обеспечивает просмотр (четкое изображение) на всю глубину канала ТВС.
время снятия/установки видеосистемы не более 30 мин;
длительность однократного полного цикла осмотра направляющих каналов (с учетом транспортных операций и архивированием видеоинформации) составляет не более 10 мин.
Комплекс является автономным изделием технологической цепочки в составе оборудования участка контроля и упаковки ТВС ВВЭР в публичном акционерном обществе «Новосибирский завод химконцентратов».
Разработка данного комплекса позволяет значительно повысить скорость и объективность проведения эндоскопического контроля каналов ТВС ВВЭР.
Благодарности
Финансовая поддержка работы осуществлялась Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
REFERENCES
Pavlov S. V. Ul’trazvukovoj metod obnaruzheniya negermetichnyh teplovydelyayushchih elementov yadernyh reaktorov. Izv. vuzov. Yadernaya energetika. 2011; 5: 23–38. (In Russ.).
Pavlov S. V., Sagalov S. S., Amosov S. V. Sistema nerazrushayushchego kontrolya obluchennyh tvelov dlya stenda inspekcii teplovydelyayushchih sborok VVER. Izv. vuzov. Yadernaya energetika. 2010; 3: 5–11. (In Russ.).
Mezhenin A. V. Metody i sredstva raspoznavaniya obrazov i vizualizacii. – SPb., 2012; 129 p. (In Russ.).
Gonsales R., Vuds R. Cifrovaya obrabotka izobrazhenij. – M.: Tekhnosfera. 2006. 1072 p. (In Russ.).
Solovejchik Yu.G., Royak M. E., Persova M. G. Metod konechnyh elementov dlya skalyarnyh i vektornyh zadach. – Novosibirsk: NGTU. 2007. 896 p. (In Russ.).
Bryus Sh. Prikladnaya kriptografiya. Protokoly, algoritmy, iskhodnye teksty na yazyke CI. – M.: Triumf. 2002. 816 s. ISBN 5‑89392‑055‑4. (In Russ.).
ЛИТЕРАТУРА
Павлов С. В. Ультразвуковой метод обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2011; 5: 23–38.
Павлов С. В., Сагалов С. С., Амосов С. В. Система неразрушающего контроля облученных твэлов для стенда инспекции тепловыделяющих сборок ВВЭР. Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2010; 3: 5–11.
Меженин А. В. Методы и средства распознавания образов и визуализации. – СПб., 2012; 129 с.
Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. – М.: Техносфера. 2006. 1072 с.
Соловейчик Ю. Г., Рояк М. Э., Персова М. Г. Метод конечных элементов для скалярных и векторных задач. – Новосибирск: НГТУ. 2007. 896 с.
Брюс Ш. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си. – M.: Триумф. 2002. 816 с. ISBN 5‑89392‑055‑4.
Об авторах
Бечаснов Сергей Михайлович, руководитель группы КТИ НП СО РАН, Новосибирск, Россия.
Бармасов Виктор Дмитриевич, ведущий электроник КТИ НП СО РАН, Новосибирск, Россия.
Попов Анатолий Иванович, ведущий программист КТИ НП СО РАН, Новосибирск, Россия.
Завьялова Марина Андреевна, к. т. н, старший научный сотрудник КТИ НП СО РАН, Новосибирск, Россия.
ORCID: 0000-0003-2000-6226
С. М. Бечаснов, В. Д. Бармасов, А. И. Попов,
М. А. Завьялова
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, Новосибирск, Россия
Описана система для эндоскопического контроля внутренней поверхности направляющих каналов тепловыделающих сборок водно-водяных энергетических реакторов. Представлены основные структурные элементы системы, в том числе оптическая схема блока приема и обработки изображения. Данный блок обеспечивает угол обзора видеосистемы не менее 90°, дискретность показаний системы вертикального позиционирования 1 мм и длительность однократного полного цикла осмотра направляющих каналов 10 мин.
Ключевые слова: тепловыделяющие сборки (ТВС), тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), эндоскопический контроль
Статья получена: 24.12.2022
Статья принята: 19.02.2023
Введение
Эндоскопический контроль (далее – ЭК) обладает высокой информативностью и широко используется во многих отраслях промышленности. Так, внутренний осмотр различных деталей и узлов позволяет выявить дефекты и повреждения в местах, недоступных глазу наблюдателя. Зачастую эндоскопия является единственным методом, позволяющим определить состояние ответственных деталей и узлов.
В атомном энергопромышленном комплексе с помощью ЭК решаются задачи повышения эксплуатационного ресурса и надежности тепловыделяющих сборок (ТВС) и тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) [1, 2]. Так, основной причиной разгерметизации ТВЭЛов являются дефекты, образующиеся в результате взаимодействия оболочки с посторонними предметами в теплоносителе реактора. Кроме того, встречаются дефекты оболочки в результате ее взаимодействия с дистанционирующей решеткой (ДР), а также связанные с нарушением технологии изготовления ТВЭЛов. Установлено, что в 60% случаев сквозное повреждение оболочек происходит за счет взаимодействия с посторонними предметами, попадающими в пучок ТВЭЛов из теплоносителя. В свою очередь, в сам теплоноситель могут быть занесены остатки материала, образующегося при производстве ТВЭЛов и ТВС.
Таким образом, эндоскопический контроль качества оболочек ТВЭЛов является важной стадией процесса производства топлива для атомных реакторов. Он позволяет проводить осмотр внутренней поверхности направляющих каналов ТВС и фиксировать состояние их внутренней поверхности. В работе представлены результаты разработки и исследования многоканального эндоскопического комплекса для осмотра внутренней поверхности направляющих каналов ТВС водно-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) (далее – Комплекс).
Описание комплекса
Комплекс предназначен для одновременного осмотра внутренней поверхности 19 направляющих каналов (далее – НК) и трубы центральной ТВС ВВЭР оператором на предмет обнаружения посторонних предметов и видеофиксации состояния внутренней поверхности.
Общий вид Комплекса представлен на рис. 1. Он состоит из следующих блоков:
рабочее место оператора-контролера ОТК;
блок приема и обработки видеоинформации (далее – БПО), располагаемый на крюке кран-балки с проводной системой передачи данных на рабочее место оператора-контролера ОТК;
система вертикального позиционирования положения блока приема и обработки видеоинформации относительно торца головки ТВС.
общая подвеска с 19 видеосистемами для осмотра внутренней поверхности направляющих каналов, центрально трубы центральной и ее дна. Кабели передачи данных и электропитания каждой видеосистемы располагаются внутри жесткой оболочки. Подвеска крепится к блоку обработки фото- видео- информации и в крайнем нижнем положении опирается на торец головки ТВС (непосредственно или через технологическое кольцо);
технологические кольца под различные типы ТВС для ограничения глубины погружения видеоканалов.
Оптическая схема БПО представлена на рис. 2. С помощью светодиодного осветителя формируется кольцо на внутренней поверхности труб. Отраженный пучок собирается с помощью объектива на камере, данные с которой обрабатываются с помощью специального программного обеспечения (ПО). Функционал ПО и методика обнаружения дефектов будут описаны в следующем разделе.
Данный блок предназначен для осмотра внутренней поверхности направляющих каналов ТВС ВВЭР, получения ее цифровых изображений и передаче их на рабочее место оператора-контролера по кабелю Ethernet.
19 видеосистем и система вертикального позиционирования размещены на подвеске. Максимальная длина погружной части видеоканалов от торца головки ТВС до торца видеокамеры составляет 4 410 мм. Наружный диаметр видеоголовки равен 8,2 мм. Дискретность показаний системы вертикального позиционирования достигает 1 мм.
Система вертикального позиционирования относительно торца головки ТВС представляет собой оптоэлектронный бесконтактный измеритель расстояния глубины погружения подвески в каналы ТВС, выполненный на лазерном дальномере FLS-С10 фирмы DIMETIX.
При проведении осмотра ТВС Комплекс выполняет следующие функции:
проверка работы каналов осмотра;
проверка работы системы вертикального позиционирования;
опрос видеоканалов и сохранение снимков;
вывод снимков и глубины погружения подвески на экран монитора;
поиск подозрительных мест в ТВС;
осмотр дна всех ТВС в отдельности.
Программное обеспечение Комплекса
Программное обеспечение Комплекса работает в нескольких режимах:
режим администрирования, предназначенный для изменения параметров работы Комплекса и настроек программы, просмотра локального протокола;
режим осмотра, предназначенный для вывода изображения от 19 видеосистем на рабочее место оператора с возможностью выделения выбранного канала и масштабирования изображения;
информационно-советующий режим, предназначенный для обработки изображения от 19 видеосистем с целью выделения сомнительных участков, их локализации и предоставления информации оператору-контролеру.
Пример изображений видеосистем в режиме «Осмотр» показан на рис. 3.
Осмотр заканчивается при достижении подвеской стопорного технологического кольца.
В режиме администрирования оператор дает команду на прием и сохранение результатов осмотра из БПО. В нем выполняется обработка принятых данных, на экран монитора выводятся изображения всех 19‑ти видеоканалов выбранной глубины погружения.
Оператор имеет возможность выполнить просмотр изображений с увеличением масштаба и выделением интересующих «окон».
По команде «Поиск сомнительных участков» выполняется обработка изображений с целью выявления посторонних предметов. В результате формируется протокол осмотра внутренней поверхности направляющих каналов.
В режиме просмотра файлов из архива выполняется обработка данных из выбранного архивного файла.
Пример просмотра изображений видеосистем из архива представлен на рис. 4.
Обработка изображений с целью выявления посторонних предметов
Используется два вида обработки изображений: обработка изображения стенок внутренней поверхности направляющих каналов и обработка изображения дна направляющих каналов.
Обработка изображения стенок внутренней поверхности направляющих каналов выполняется c использованием градиента изображения – вектора, показывающего направление наискорейшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля) [3, 4]. В данном случае градиент для каждой точки изображения (функция яркости) – двумерный вектор, компонентами которого являются производные яркости изображения по горизонтали и вертикали:
grad I(x, y) = (dI / dx, dI / dy).
В каждой точке изображения градиентный вектор ориентирован в направлении наибольшего увеличения яркости, а его длина соответствует величине изменения яркости.
Для обнаружения посторонних предметов на стенках внутренней поверхности направляющих каналов вычисляется длина градиентного вектора в каждой точке изображения и сравнивается с некоторым предельно допустимым значением (задается оператором при настройке приложения). Превышение допустимого значения считается обнаружением в точке постороннего предмета.
Проверка дна каналов на наличие посторонних предметов выполняется методом сравнения полученного изображения дна канала с эталонным изображением из базы эталонных изображений. Для этого используется хэш-функция (функция свертки), осуществляющая преобразование изображения (массива входных данных произвольной длины) в выходную битовую строку установленной длины (хэш) [5, 6].
Заключение
Таким образом, в разработанном многоканальном эндоскопическом комплексе для осмотра внутренней поверхности направляющих каналов ТВС ВВЭР достигнуты следующие технические характеристики:
угол обзора объектива видеосистемы – не менее 90°;
дискретность показаний системы вертикального позиционирования 1 мм.
видеосистема обеспечивает просмотр (четкое изображение) на всю глубину канала ТВС.
время снятия/установки видеосистемы не более 30 мин;
длительность однократного полного цикла осмотра направляющих каналов (с учетом транспортных операций и архивированием видеоинформации) составляет не более 10 мин.
Комплекс является автономным изделием технологической цепочки в составе оборудования участка контроля и упаковки ТВС ВВЭР в публичном акционерном обществе «Новосибирский завод химконцентратов».
Разработка данного комплекса позволяет значительно повысить скорость и объективность проведения эндоскопического контроля каналов ТВС ВВЭР.
Благодарности
Финансовая поддержка работы осуществлялась Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
REFERENCES
Pavlov S. V. Ul’trazvukovoj metod obnaruzheniya negermetichnyh teplovydelyayushchih elementov yadernyh reaktorov. Izv. vuzov. Yadernaya energetika. 2011; 5: 23–38. (In Russ.).
Pavlov S. V., Sagalov S. S., Amosov S. V. Sistema nerazrushayushchego kontrolya obluchennyh tvelov dlya stenda inspekcii teplovydelyayushchih sborok VVER. Izv. vuzov. Yadernaya energetika. 2010; 3: 5–11. (In Russ.).
Mezhenin A. V. Metody i sredstva raspoznavaniya obrazov i vizualizacii. – SPb., 2012; 129 p. (In Russ.).
Gonsales R., Vuds R. Cifrovaya obrabotka izobrazhenij. – M.: Tekhnosfera. 2006. 1072 p. (In Russ.).
Solovejchik Yu.G., Royak M. E., Persova M. G. Metod konechnyh elementov dlya skalyarnyh i vektornyh zadach. – Novosibirsk: NGTU. 2007. 896 p. (In Russ.).
Bryus Sh. Prikladnaya kriptografiya. Protokoly, algoritmy, iskhodnye teksty na yazyke CI. – M.: Triumf. 2002. 816 s. ISBN 5‑89392‑055‑4. (In Russ.).
ЛИТЕРАТУРА
Павлов С. В. Ультразвуковой метод обнаружения негерметичных тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2011; 5: 23–38.
Павлов С. В., Сагалов С. С., Амосов С. В. Система неразрушающего контроля облученных твэлов для стенда инспекции тепловыделяющих сборок ВВЭР. Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2010; 3: 5–11.
Меженин А. В. Методы и средства распознавания образов и визуализации. – СПб., 2012; 129 с.
Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. – М.: Техносфера. 2006. 1072 с.
Соловейчик Ю. Г., Рояк М. Э., Персова М. Г. Метод конечных элементов для скалярных и векторных задач. – Новосибирск: НГТУ. 2007. 896 с.
Брюс Ш. Прикладная криптография. Протоколы, алгоритмы, исходные тексты на языке Си. – M.: Триумф. 2002. 816 с. ISBN 5‑89392‑055‑4.
Об авторах
Бечаснов Сергей Михайлович, руководитель группы КТИ НП СО РАН, Новосибирск, Россия.
Бармасов Виктор Дмитриевич, ведущий электроник КТИ НП СО РАН, Новосибирск, Россия.
Попов Анатолий Иванович, ведущий программист КТИ НП СО РАН, Новосибирск, Россия.
Завьялова Марина Андреевна, к. т. н, старший научный сотрудник КТИ НП СО РАН, Новосибирск, Россия.
ORCID: 0000-0003-2000-6226
Отзывы читателей
