High-Temperature Ultrasound NDE Systems for Continuous Monitoring of Critical Points in Nuclear Power Plants Structures

High temperature pipe cracks are the root of a steam power failure in the EU typically every 4 years, resulting in loss of human life, serious accidents and massive financial losses. According to IAEA’s Reference Technology Database, such an event on a nuclear power plant has an average cost of €120 million, including outage costs, emergency repair costs, insurance and legal costs. Since only one growing crack is needed to cause a major failure, they have to be inspected and monitored thoroughly. Breakdowns at extreme conditions (e.g. 580°C, 400 bar) are a result of two major weld failure modes: a) creep cracks near pipe welds; b) fatigue cracks on pipe welds. Current maintenance practice is to proceed with repairs on a detected crack according to its severity. For cost reasons, cracks that are not judged as severe enough will not be repaired. Crack severity judgement is based on its probability to cause a failure and this probability is derived taking into account the crack size and operational lifetime. More variables such as operating temperature and vibrations may rarely be found in other studies. Recent data from fracture mechanics statistical studies shows this connection between the size of a crack on a nuclear power plant pipe and its probability to lead to a failure. To deal with the above problems two Structural Health Monitoring (SHM) systems have been developed and they are presented in this work. These systems are able to achieve continuous operation for an extended time period at operating temperatures of nuclear power plants. The developed systems employ novel phased array (PA) ultrasonic and ultrasound guided wave (UGW) probes able to withstand and continuously operate even up to 580 °C. The systems are designed to be permanently mounted on superheated steam pipes, at locations of known defects and to continuously monitor their size. However, this supposes that defects will have already been detected by a traditional method during an outage. The PA transducers are placed according to the Time-of- Flight Diffraction (TOFD) technique’s topology, thus creating a novel configuration, while the UGW transducers are placed on a stainless steel ring in a circular array configuration. These configurations can enable continuous tracking of cracks growth with high accuracy, enabling maintenance crews to estimate the severity directly and not through statistics

Tijek izrade prototipa ultrazvučne sonde za nuklearno energetsko postrojenje.

Ultrazvučne sonde su sastavni dio ultrazvučnih sustava za kontrolu i ispitivanje bez razaranja. Bez ultrazvučnih sustava danas je nemoguće zamisliti kvalitetno obavljen posao inspekcije u nuklearnim elektranama. Primarna djelatnost tvrtke INETEC jest obavljanje inspekcije u nuklearnim elektranama, a od nedavno, počeli su sa prvom proizvodnjom ultrazvučnih sondi u Hrvatskoj. Na početku ovog rada kratko je opisan projekt unutar kojega se započelo sa proizvodnjom sondi za nerazorno ispitivanje, definiran je pojam ultrazvuka, ultrazvučnih sondi te opisan sustav kojim se vrši inspekcija. \Nadalje, dio rada je posvećen nuklearnim elektranama s tlakovodnim ili PWR reaktorima te je dan shematski prikaz ultrazvučne metode kontrole u nuklearnim elektranama. Nakon uvodnog dijela koji se bavi temeljnim pojmovima, primjenom dijagrama tijeka su prikazani koraci u izradi jedne sonde na temelju kojih se vrlo lagano uoči da troškove proizvodnje sonde značajno ne generira sam tehnološki proces izrade sonde koliko troškovi razvoja. Upravo su ti troškovi od iznimnog značaja za određivanje ukupnih troškova proizvodnje sondi te se, nakon što je dana opća definicija troškova i njihova klasifikacija te pregled modela za upravljanje troškovima, primjenom matematičkog modela upravljanja troškovima temeljem aktivnosti profesora Polajnara (Activity Based Costing - POLAJNAR), došlo do zadnje cijene ravne ručne sonde. Završetak ovoga rada bavi se perspektivom nuklearnih elektrana u budućnosti, kao jednim od preduvjeta daljnje potražnje ovih vrsta ultrazvučnih sondi, a u svijetlu stalnog porasta energetskih potreba uzrokovano gospodarskim razvitkom i rastom životnog standarda

Utjecaj piezoelektrične anizotropije na dizajn visokotemperaturnih ultrazvučnih sondi

Poseban izazov za primjenu ultrazvučne metode nerazornog ispitivanja predstavlja ispitivanje materijala i komponenti pri povišenim temperaturama, kao što su primjerice radne temperature reaktorske posude nuklearnog reaktora PWR tipa (NE Krško). U diplomskom radu je analiziran utjecaj piezoelektrične anizotropije akustički aktivnog materijala – piezoelektrika na ukupne elektromehaničke parametre ultrazvučnih sondi (pretvarača) pri povišenim temperaturama. Analiza se temelji na fenomenološkom LGD pristupu koji kombinira termodinamički proračun Gibbsove slobodne energije ispitivanih piezoelektričnih materijala i eksperimentalne rezultate elektromehaničkih parametara pripadajućih materijala objavljene u literaturi, a uz pomoć modeliranja u KLM teoriji. Rad obuhvaća nekoliko različitih piezoelektričnih materijala, uključujući i keramike i monokristale. Temeljem rezultata proračuna izrađena je i karakterizirana ogledna prototipna visokotemperaturna ultrazvučna sonda za radne temperature reaktorske posude nuklearnog reaktora PWR tipa korištenjem novosintetizirane piezoelektrične keramike Curieve temperature oko 500 oC. Na kraju je prikazano kako temperaturni efekti i devijacije kemijske kompozicije piezoelektričnih materijala mogu utjecati na razinu pouzdanosti ultrazvučnog ispitivanja te su predložene smjernice za konstruiranje ultrazvučnih sondi za primjenu na temperaturama višim od sobne