1.1 Проблемы выявления дефектов и характеристики методов НК

2.1.1 Критичность систем

Критичность системы (элемента) есть свойство элемента, отражающее возможность возникновения отказа и определяющее степень влияния на работоспособность системы в целом для данного ранга последствий.

Критичность не может быть определена только одними свойствами элемента, а должна определяться в рамках всего технического объекта, его функциональной структуры. Наиболее распространенными показателями, характеризующими критичность, являются структурная важность и важность в смысле надежности [1,2].

Часто в инженерной практике при анализе систем различного функционального назначения (космических систем, энергетических установок, трубопроводов, электрических кабелей и т.д.) критичность рассматривается как более широкое понятие - векторное свойство. Выделяются три общих основных составляющих критичности [2]:

1. надежность (безопасность);

2. последствия отказа;

3. возможность уменьшения вероятности возникновения и тяжести последствий.

Пусть K=(K₁…, K_j,… K_j*) (3)

векторный показатель критичности, где K_j - j-й частный показатель, который отражает некоторую одну частную сторону, одну из характеристик объекта. Различные системы могут характеризоваться различными наборами частных показателей критичности. Эти частные показатели характеризуются как количественными показателями, так и могут принимать значения как лингвистические переменные.

Набор показателей K_j, принадлежащих К, может быть следующим:

· резервирование;

· возможность отказа;

· тяжесть последствий отказа;

· устойчивость элемента к воздействию внешних неблагоприятных факторов среды;

· контролируемость состояния элементов в ходе эксплуатации;

· продолжительность присутствия риска вследствие отказа;

· возможность локализации отказа и др.

Частные значения показателей критичности определяются различными видами шкал [2]. Пример частных показателей критичности и их шкалы приведен в табл. 1.

Таблица 3. Частные показатели критичности и лингвистические шкалы оценивания

Операция ранжирования элементов по степени критичности может осуществляться на различных уровнях структурирования объектов систем, агрегатов и узлов, частей конструкций и отдельных элементов на основе анализа морфологических блоков и структурных взаимосвязей [З]. Чем больше вес элемента, тем он важнее для обеспечения безопасности объекта.

Пусть в результате оценивания критичности элементов выделено множество критичных элементов

E={e_j, j ЄJ}, J={1,…, n}, (4)

на надежность которых следует обратить особое внимание при решении задачи обеспечения безопасности объекта.

Формально задача ранжирования элементов по степени критичности с учетом одного или совокупности критериев относится к классу задач определения предпочтений многомерных альтернатив [4, 5, 6]. Ее решение в каждом конкретном случае зависит от типов систем, выбранных частных показателей критичности, экспертной информации и т.д.

2.1.2 Анализ данных по критичным элементам

Для организации нормативно-технического обеспечения и сопровождения данными критичных элементов на различных этапах восстановления необходимо создание и ведение баз данных о дефектах и их положениях, размерах, результатах испытаний и диагностики, проблемах восстановления, структурных схемах систем и деревьях отказов и т.д. Эти данные являются важными как для оценки вероятности проявления дефектов, так и для более тщательного их изучения. Ведение «информационного паспорта» исследуемых критичных элементов с данными о технико-экономических показателях и операциях, которые выполнялись с элементами на предыдущих периодах восстановления, позволяют реализовать наиболее рациональные пути и способы устранения дефектов.

На основе анализа информационного паспорта элемента для различных периодов восстановления можно говорить: о контроле над развитием дефекта, сравнивать обнаруженные дефекты с определенными эталонами для их ранжирования, проводить классификационный анализ, принимая к вниманию аспекты связанные с безотказностью и ресурсами для системы. Информационный паспорт элементов это также основа для выбора и построения принципов контроля с учетом технических характеристик и экономических показателей.

Отсутствие эксплуатационных данных и материалов диагностики и контроля не позволяет рационально организовывать эксплуатацию систем таким образом, чтобы расходовать технический ресурс как можно дольше, не снижая при этом уровень надежности в целом.

2.1.3 Механизмы выявления различных дефектов

Проблема рационального использования технического ресурса для отдельных элементов и агрегатов системы ставит задачи исследования моделей и механизмов деградации элементов систем. Построение моделей для моделирования развития дефектов различного типа для различных типов элементов (кабели, трубы, двигатели и т.д.) с учетом различных внешних условий (окружающей среды) и возмущений является актуальной задачей.

Отметим также задачу выбора метода (инструментов) или комплекса методов неразрушающего контроля (НК) для проведения диагностики технического состояния как отдельных элементов, так и их совокупности с учетом технико-экономических показателей. Инженерная практика выдвигает ряд требований, которым должны удовлетворять методы, прежде всего, например, возможность визуализации дефектов, высокая выявляемоесть дефектов, чувствительность приборов, компактность и практичность оборудования. Для различных работ применяются как отдельные методы НК, так и их комбинации (комплекты). Однако их совместное сочетание (например, визуальный и вихретоковый) позволяют получить более достоверную информацию о качестве металлоизделий, например, в космосе [3].

В работах [8, 9, 10, 11] рассмотрены роль и место методов НК для обеспечения надежности и долговечности систем с высокой ценой отказа, а также рассматриваются модели и способы комплексирования различных по своей природе и затратам ресурсов методов НК.

2.1.4 Планирование восстановления критичных элементов

При решении задач восстановления актуальными являются модели и методы планирования восстановления элементов систем, которые учитывают возможности совмещения отдельных операций ТО, ремонта и технологических процессов, методы совершенствования расписаний обслуживания с учетом различных критериев и т.д. Для подготовки ТО критичных элементов необходимо также планировать обеспечение их различного рода ресурсами и разработать модели расходования ресурсов на основе теории управления запасами. Важными являются задачи планирования объемов и сроков проведения ТО, разработки оптимальных стратегий ремонтов по различным показателям готовности, стоимости и т.д. Основанием для назначения того или иного вида ремонта является выработка технологическим оборудованием технического ресурса, при котором создается угроза безопасности объекта.

При разработке таких моделей необходимо формировать показатели критериев и учесть ограничения на потребление различного рода ресурсов (численность специалистов, участвующих в проведении эксплуатационных процессов), оборудования, финансовых затрат, временных ограничений на восстановление.

Рассмотрим одну из задач принятия решений по выбору способов восстановления элементов систем.

Предположим, что для фиксированного периода времени Т в результате проведения исследования технического состояния выделенных критичных элементов и обработки результатов экспериментов по диагностике элементов (отдельных агрегатов или систем) с применением комплекса методов НК определены возможные способы восстановления элементов и заданы ограничения по технико-экономическим показателям на проведение работ.

Обозначим через Е=(e_j, j Є J), J={1,…, n}, (5)

- множество элементов (агрегатов), у которых на данный период восстановления Т необходимо проводить комплекс мероприятий, (ТО различного уровня), восстановление (профилактику, замену и т.д.). Объемы ремонтно-профи-лактмческих работ для каждого агрегата или системы зависят от экспертной информации о величине его остаточного ресурса, интенсивности отказов, результатов контроля систем, выделенных ресурсов и т.д.

Реализация восстановления работоспособности элемента е_j может осуществляться различными технологическими способами

x_jk Є X_j ={х_j1, х_j2,…, x_jk*} (6)

Тогда х = (х_1k1,… х_1kj,…, х_nkn) (7) - перечень способов восстановления всех критичных элементов системы.

При проведении работ могут задействоваться: различное число бригад, ремонтных органов, оборудование различного типа и т.д., для различных элементов необходимы финансовые и ресурсные затраты. От этих затрат зависит качество и сроки проведения работ (замена узла новым или замена (восстановление) его части и т.д.), что и определяет показатель вероятности не достижения предельного состояния после их восстановления.

Рис. 2. Возможные варианты восстановления критичных элементов систем

Определим для каждого способа восстановления x_jk показатели планируемых вероятностей не перехода в предельное состояние р_j (x_jk) и затрат ресурсов g_j (x_jk) (например, среднее время восстановления элементов и систем, стоимость ремонтно-профилактических работ, трудозатраты и т.д.).

Данные по ресурсам заносятся в таблицу в которой для каждого элемента фиксируются возможные способы его восстановления.

Пусть заданы ограничения b_i, i Є I = [1,…, т} по каждому ресурсу для планового периода времени Т. Тогда задача выбора способов восстановления элементов системы может быть сформулирована следующим образом:

максимизировать надежность

Р(х) = П p_j (x_jk) -> mах, (8)

при ограничениях на ресурсы восстановления

g_i (x) = SUM g_ij (x_jk) <= b_i, i Є I

x =(x_1k1,… x_jkj,… x_nkn) Є X = П X_j (9)

Результатом решения данной задачи являются фиксированные способы восстановления агрегатов или технологических систем в плановый период восстановления Т, после выполнения которых надежность системы является максимальной при выделенных ресурсах. Важно отметить, что при нахождении и интерпретации решений необходимо исследовать их корректность и адекватность. Для решения задачи могут быть использованы алгоритмы, базирующиеся на методе последовательного анализа и отсеивания вариантов [2,3].

2.2 Обеспечение безопасной эксплуатации АЭС в условиях ограниченных ресурсов

Рассмотрим конкретное воплощение указанных в предыдущем разделе методологических аспектов и концептуальных принципов на примере проблемы функциональных систем, важных для безопасности АЭС.

2.2.1 Аварии и инциденты, связанные с повреждением металла основного оборудования на АЭС

1) 22 января 1982 г. в результате коррозионно-усталостного разрушения шпилек горячих коллекторов 1,3,4, 5-го парогенераторов блока №1 Ровенской АЭС произошла авария, в результате которой 1100 м³ теплоносителя попало из первого контура в котловую воду парогенераторов с последующим выбросом радиоактивности за пределы блока.

2) 20 сентября 1990 г. на блоке №1 ЮУАЭС, 15 октября 1988 г. на блоке №1 ЗАЭС, 13 июня 1989 г. на блоке №2 ЗАЭС были обнаружены повреждения холодных коллекторов парогенераторов, причиной которых явилось зарождение, подрастание и объединение множества коррозионно-механических трещин размером до 800 мм.

3) 7 марта 1989 г. на блоке №1 АЭС «Me QUIRE» (США) произошла авария с открытием течи теплоносителя во второй контур. Причина - межкристаллитная коррозия трубчатки парогенератора со стороны 2-го контура.

4) 9 марта 1985 г. на АЭС «TROJAN» (США) произошла авария, связанная с разрушением напорного трубопровода диаметром 355 мм дренажного насоса с выбросом пароводяной смеси с температурой 178°С на высоту около 14 м. Причина аварии - эрозионно-коррозионный износ, в результате которого толщина стенки трубы уменьшилась с 9,5 до 2,5 мм.

5) 9 декабря 1986 г. На блоке №2 АЭС «SURRY» (США) произошел гильотинный отрыв участка трубопровода питательной воды со стороны всоса основного питательного насоса «А». Восемь работников АЭС, производивших замену теплоизоляции, попали под поток вскипающей воды при температуре 188°С. Из 8 рабочих четверо скончались от полученных ожогов. Причина аварии - эрозионно-коррозионный износ с уменьшением толщины стенки трубы с 12,7 до 6,3, а местами до 1,6 мм.

Аналогичная авария произошла на АЭС «LOVIISA» (Финляндия) в 1990 г., связанная с разрушением основного трубопровода питательной воды.

6) В 1989 г. на ряде АЭС Франции были вовремя обнаружены трещины в импульсных трубках компенсаторов давления. Причина - межкристаллитное коррозионное растрескивание под напряжением.

7) 24 декабря 1990 г. на блоке №5 Нововоронежской АЭС произошел инцидент, сопровождавшийся образованием течи в месте приварки перехода Ду 125х100 к переходу Ду 100 х 80 по композитному сварному шву. Наиболее вероятной причиной инцидента было коррозионно-механическое развитие сварочных дефектов под воздействием эксплуатационных факторов.

2.2.2 Причины аварий с разрушением трубопроводов и меры по их предотвращению

Эрозионно-коррозионный износ трубопроводов оказался одним из важнейших факторов старения оборудования на всех АЭС мира. В 1986 г. проявление этого процесса было зафиксировано на 34 блоках АЭС США и стало требовать целевых действий по его выявлению и предупреждению.

Анализ ситуации на АЭС «SURRY» показал, что основной причиной разрушения трубопроводов явилось эрозионное повреждение защитного оксидного слоя из продуктов коррозии, которое в дальнейшем спровоцировало прямое коррозионное воздействие воды на внутреннюю поверхность трубопроводов.

Аварии способствовала также неоптимальная конструкция Т-образного соединения трубопроводов, приводящая к прямому давлению потока воды, движущейся со скоростью около 5 м/с, на внутреннюю поверхность колена и к появлению еще более высоких (в 2-3 раза) локальных скоростей турбулентного потока. С этой точки зрения более выгодным было бы боковое соединение трубопроводов под углом 45°.

Прямыми измерениями было установлено, что наибольший износ наблюдается в местах локальных наибольших скоростей потока, в частности, в коленах и Т-образных переходах трубопроводов. Что касается кавитации, то ее влияние на развитие аварии маловероятно, хотя и не исключается полностью при некоторых режимах эксплуатации.

Оказалось также, что эрозионно-коррозионный износ является слабым местом углеродистых (мягких) сталей, использовавшихся в качестве конструкционных материалов для трубопроводов, износ которых становится наиболее существенным как раз в области рабочих температур трубопроводов 2-го контура -100-250°С.

Изучение альтернативных материалов показало, что стойкость деталей к износу значительно (в несколько раз) повышается при наличии 1-2% Сг и Мо в качестве легирующих элементов стали, тогда как разрушенная труба на АЭС «SURRY» отличалась необычно малым содержанием этих элементов (< 0,02%). Поэтому, в частности, в Великобритании изготавливают трубопроводы из стали, содержащей 2,25% Сг и 1% Мо.

Несомненно также влияние кислорода в воде и водно-химического режима на износ трубопроводов, который для мягких сталей велик при рН ниже 5 или между 7 - 9. И хотя на АЭС «SURRY» рН поддерживался между 8,8 и 9,2, локальные колебания рН были, несомненно, много больше. Поэтому для ограничения вредного влияния среды необходимо гарантированное поддержание рН в пределах 9,0-9,5.

Наиболее разумный компромисс обеспечивается использованием покрытия толщиной 0,5 мм из нержавеющей стали для трубопроводов достаточно большого диаметра (более 100 мм) из углеродистой стали или применением трубопроводов малого диаметра из нержавеющей стали. Такая идеология успешно реализована на ряде АЭС, в частности, в Швеции, в результате чего оказалось достаточным проводить инспекцию трубопроводов через 4 года. Кроме того, при этом значительно уменьшается перенос продуктов коррозии.

Следует, однако, отметить, что через 2 года после аварии на АЭС «SURRY» выяснилось, что замененные трубопроводы продолжают изнашиваться быстрее, чем ожидалось. В результате на обоих блоках потребовалось дополнительно заменить более 100 участков трубопроводов, и появились сомнения в правильном понимании механизма этого явления.

2.2.3 Методология эксплуатационного контроля на основе концепции риска. Основные положения

В последнее время для повышения надежности отдельных компонентов и систем, а также безопасности сложных технологических объектов, в целом, был предложен [22] и получил развитие [23] подход, позволяющий применять концепцию риска при построении программ эксплуатационного контроля. Особенно актуальны такие разработки для ядерной отрасли, где часто стоит задача эффективного использования ограниченных материальных и финансовых ресурсов при проведении дистанционного или ручного неразрушающего контроля, продолжительность которого ограничена во времени. Развитие идеологии применения концепции риска для проведения эксплуатационного контроля (Risk Informed In-Service Inspection - RI-ISI) в плане выбора методов НК и разработки процедур самого контроля меняется в сторону интегрирования НК в целостную программу управления сложным объектом [24], в рамках которой фундаментальным и обязательным является понимание механизмов деградации и повреждений, которые являются характерными для вполне определенного места той или иной системы. При этом, конечно же, процедура НК подразумевает использование конкретных методов, вероятность обнаружения которыми дефектов, обусловленных одним из возможных механизмов деградации, или их совокупностью, максимальна.

Чрезвычайно интересен в этом плане опыт США по разработке и применению методологии RI-ISI для контроля трубопроводов на АЭС [25]. Речь идет о разработке программ эксплуатационного контроля трубопроводов на основе результатов вероятностного анализа безопасности первого уровня (ВАБ-1) [26, 27].

Основные этапы применения RI-ISI методологии приведены на рис. 3.

Рис. 3. Методология применения RI-ISI

Рассмотрим основные этапы ее выполнения поподробнее.

На первом этапе, необходимо определиться с объемом программы RI-ISI по отношению к системам, т.е. необходимо выбрать системы и собрать данные для каждой системы по результатам работы блоков. Другими словами, требуется указать предварительный список систем АЭС, охватываемых в рамках программы Rl - ISI, которые включали бы:

- системы трубопроводов (в т.ч. по классам), которые составляют границы контуров давления;

- системы трубопроводов, рассматриваемые в ВАБ 1 - го уровня.

Результат отбора - категории систем по степени детализации, важной сточки зрения концепции риска.

Основные источники данных по системам блоков

Таблица 4

Этап 2 сопровождается выявлением режимов / механизмов отказа и их последствий. Для этого используют соответствующий метод FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) [26].

Необходимо отметить, что метод анализа режимов / механизмов отказов и их последствий является типичным примером индуктивного подхода к анализу влияния последствий отказов компонентов на работу системы в целом. Суть метода состоит в использовании систематического и логического процесса для идентификации всех режимов / механизмов отказов на уровне блока, системы, подсистемы, компонент либо процессов. Другими словами, метод индуктивным образом определяет эффекты и последствия влияния отказов на блок, систему или процесс, которые находятся в стадии изучения, а также позволяет лучше понять механизм отказа.

Результатом выполнения этого анализа есть кодификация способности системы, компоненты, системы и т.д. функционировать с требуемыми параметрами надежности. Наиболее полезным является возможность метода оценивать проектную адекватность системы выполнять свои функции, а также углублять понимание взаимосвязей на функциональном уровне между отдельными частями систем, подсистем и т.д.

Основными элементами метода являются:

- характеристика и назначение системы, подсистемы, компонента и т.д.;

- - режимы / механизмы отказа;

- - категория частот отказов;

- - механизмы отказов и их причины;

- - результат отказов (в т.ч. тяжесть последствий и время вынужденного простоя);

- - последствия отказов;

- - метод обнаружения отказов;

- - средства и возможности (в т.ч. проектные) уменьшения вероятностей отказов.

Таблица 5. Основные этапы проведения метода анализа режимов / механизмов отказов и их последствий

Схема применения метода приведена в таблице 5.

Результаты и информация, собранные в ходе FMEA, используются затем для получения количественных и качественных оценок риска для сегментов трубопроводов.

Как известно [28], для анализа безопасности АЭС применяют, в основном, два подхода: детерминистский и вероятностный. Не останавливаясь на преимуществах и недостатках каждого из них, отметим, что сегодня наибольшее распространение получил именно вероятностный метод - ВАБ. Выполнение первого уровня ВАБ позволяет на основе анализа проектных данных по блоку в целом и отдельным системам на основе выделенных исходных событий построить деревья отказов и деревья событий, достаточно полно проследив возможные пути развития аварий. Конечной целью выполнения ВАБ первого уровня является получение условной вероятности повреждения активной зоны реактора или частоты повреждения активной зоны (ЧПАЗ), которая определена в соответствующих нормативных документах [25] на уровне 10-5/ реакторо-лет как количественная цель безопасности.

Для ряда блоков АЭС Украины уже проведен ВАБ первого уровня. При этом для первого блока ЮУАЭС вклад аварий с потерей теплоносителя (по исходным событиям аварии) и доминантных аварийных последовательностей в ЧПАЗ составляет около 50% [27]. При этом исходными событиями аварий являются отказы трубопроводов.

2.2.4 Ранжирование сегментов трубопроводов

Говоря о ранжировании сегментов, желательно, прежде всего, определить понятие сегмента. Под сегментом подразумевают непрерывный участок системы трубопроводов, для которого уровень последствий и / или механизм повреждений является тем же самым и определенным.

Сегменты образуются за счет объединения примыкающих участков компонентов системы, для которых характерны либо те же уровни последствий, либо тот же механизм повреждений.

Выделяются две категории сегментов трубопроводов [22]:

1) сегменты, важные для безопасности;

2) сегменты, не важные для безопасности.

При этом каждая из категорий ранжируется по вкладу в частоту проплавления активной зоны, которая и является принятой оценкой риска системы в целом.

Этап 3 связан с проведением оценок риска отдельных сегментов трубопроводов. Последовательность шагов при оценке риска отдельного сегмента трубопровода приведена на рис. 3.

Высокий уровень последствий связан с нарушением границ контура давления, ведущим к существенному вкладу в суммарный риск АЭС. Средний - определяет события, не относящиеся к высокому либо низкому уровням последствий. Низкий - нарушение границ контура давления, приводящее к ожидаемым эксплуатационным событиям и не ухудшающее возможности АЭС по ослаблению последствий отказов.

Одна из «сильных» сторон рассматриваемого Rl - ISI подхода состоит в том, что его применение невозможно без детального изучения и понимания механизмов деградации трубопроводов.

2.2.5 Оценка частот повреждения трубопроводов

Задача оценки частот повреждения трубопроводов является затратной с точки зрения как трудовых, так и финансовых ресурсов. Говоря об оценке частот, необходимо отойти от вероятностных повреждений трубопроводов и использовать частотные характеристики, которые, особенно для редких событий, являются более полными с точки зрения их использования при расчете риска. Для оценки частот повреждения трубопроводов используется два подхода:

Рис. 3. Последовательность этапов при оценке риска отдельного сегмента трубопровода

1) анализ структурной надежности;