Анализ состояния и прогнозирование дефектности теплообменных труб парогенераторов АЭС с ВВЭР с применением информационной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ состояния и прогнозирование дефектности теплообменных труб парогенераторов АЭС с ВВЭР с применением информационной системы

Тесленко М. В.

Во время проведения планово-предупредительного ремонта на АЭС проводится вихретоковый контроль (ВТК) теплообменных труб парогенераторов. ВТК позволяет обнаруживать дефекты и индикации на теплообменных трубах (ТОТ). Под индикацией в ВТК ТОТ понимается любое отклонение сигнала контролирующей установки от эталонных значений. Дефект - это индикация с приписанной глубиной. Если глубина дефекта превышает критерий глушения, то теплообменная труба, на которой он расположен, подлежит выводу из эксплуатации (глушению). За остальными трубами с дефектами осуществляется регулярный мониторинг, на основании которого осуществляется анализ и оценка состояния ТОТ ПГ.

Новые виды анализов количества дефектов и их характеристик

Практика анализа показала, что для оценки состояния ТОТ ПГ на основе данных ВТК необходима разработка новых параметров анализа как для количественных, так и для качественных характеристик дефектов и индикаций. Поэтому в информационно-аналитической системе “Парогенераторы АЭС” были разработаны и реализованы новые виды анализов.

Основным параметром, по величине которого принимается решение о глушении, является глубина дефекта в стенке трубы. Данная глубина определяется аналитиком по фазе сигнала от индикации ВТК прибора. Тем не менее амплитуда сигнала является важным параметром, так как она пропорциональна объему индикации. Поэтому амплитуда ВТ сигнала также учитывается при принятии решения о глубине дефекта и соответственно при принятии решения о глушении ТОТ. В настоящее время обсуждается введение глубино-амплитудного критерия глушения на российских парогенераторах. Поэтому в ИАС “Парогенераторы АЭС” был введен амплитудный анализ индикаций: распределение амплитуд для каждого ППР, вычисление и отображение средних скоростей изменения (роста) амплитуд индикаций между ППР.

Практика показала, что количественная оценка динамики выявления новых дефектов наилучшим образом характеризует интенсивность протекания коррозионных процессов в металле ТОТ. Поэтому, был расширен анализ новых дефектов и индикаций: рассчитывается относительное количество новых индикаций и дефектов (рисунок 1); проводятся амплитудный и глубинный анализы дефектов: формируется амплитудное и глубинное распределение новых дефектов; рассчитывается доля новых дефектов в новых индикациях.

Рисунок 1. Относительное количество новых индикаций

Особенности контроля многих ПГ (нерегулярность контроля, малые объемы контроля, контроль непересекающимися зонами), а также специфика деградации разных ПГ (расположение индикаций, наличие типичных и нетипичных зон интенсивной деградации), резко снижают возможности анализа на основе абсолютных величин количеств индикаций и дефектов. Переход к отслеживанию динамики величин, отнесенных к объемам контроля (относительных величин), позволяет повысить качество анализа. Поэтому в системе “Парогенераторы АЭС” были реализованны новые виды расчетов относительных величин. Был реализован расчет относительных параметров: относительное количество индикаций (ОКИ); для каждого ВТК рассчитывается абсолютное и относительное количество труб с более чем N индикациями, где N - задаваемый параметр.

Расположение дефектов на теплообменных трубах парогенераторов

Основной составляющей систем хранения и анализа данных ВТК является картограмма - сечение пучка теплообменных труб, на котором цветом выделены трубы, на которых были обнаружены дефекты. На рисунке 2 приводится картограмма парогенератора ПГВ-440 информационно-аналитической системы “Парогенераторы АЭС”, разработанной и используемой в ОКБ “ГИДРОПРЕСС” /1/.

Рисунок 2. Картограмма ПГ 440 в ИАС “Парогенераторы АЭС”

Серым цветом обозначаются проконтролированные трубы. Зеленым цветом обозначены трубы с допустимыми дефектами, в данном случае глубина которых менее 75 процентов. Красным цветом - трубы с недопустимыми дефектами, глубина которых более 75%. На сегодняшний день подобные картограммы являются основным средством отображения дефектов на ТОТ парогенераторов. Но картограмма и различные двумерные представления не дают полного представления о положении дефектов в объеме трубного пучка. Поэтому, было реализовано трехмерное представление, которое наглядно показывает как расположены дефекты в парогенераторе (рисунок 3).

При вихретоковом контроле в России используются проходные зонды, особенностью которых является интегрирование сигнала от всех несплошностей, расположенных по окружности в одном сечении теплообменной трубы /2/. Это означает, что если в одном сечении трубы есть два дефекта, то проходной зонд выдаст сигнал об одном дефекте с некоторой усредненной глубиной и амплитудой равной векторной сумме амплитуд. При ВТК с использованием проходных зондов длина дефектов не измеряется, фиксируются только координаты середины дефекта. Поэтому при трехмерном представлении все дефекты условно отображаются как участки труб одинаковой длины (рисунок 3). Для улучшения отображения дефектов дистанционирующие решетки и коллектора отображаются условно.

Рисунок 3. Трехмерное представление дефектов теплообменных труб парогенераторов.

Трехмерное представление наглядно показывает как расположены дефекты в трубном пучке парогенератора. На рисунке 3 зеленым цветом обозначены трубы с допустимыми дефектами, в данном случае глубина которых менее 60 процентов. Красным цветом - трубы с недопустимыми дефектами, глубина которых более 60%. Пороговое значение глубины настраивается.

Результаты анализа трехмерного представления подтверждают индивидуальный характер деградации каждого парогенератора даже в пределах одного блока. Так, на однотипных парогенераторах наблюдается достаточно равномерное распределение дефектов по объему (рисунок 3) и плотные скопления дефектов (рисунок 4). Однако, обнаруживается и много сходных особенностей. На парогенераторах, на которых есть критические зоны, дефекты плотно сосредоточены в этих зонах (по длине ТОТ). Трехмерное представление позволяет более точно отображать и оценивать критические зоны.

Рисунок 4. Трехмерное представление дефектов теплообменных труб парогенераторов.

На российских парогенераторах ТОТ, на которых были обнаружены недопустимые дефекты, выводятся из эксплуатации (заглушиваются) и в дальнейшем не контролируются. При обнаружении недопустимого дефекта в США ранее широко использовались втулки, закрепляемые с внутренней стороны ТОТ под дефектом, позволяющие ремонтировать ТОТ и не выводить ее из эксплуатации /3/. В связи с глушением ТОТ, фактически на российских парогенераторах можно увидеть только искаженное распределение дефектов и индикаций по объему парогенератора.

В трехмерном представлении реализованы следующие возможности (рисунок 3):

· вращение трехмерного представления;

· увеличение масштаба;

· отображение только новых дефектов;

· отображение дефектов за все контроли, за один выбранный контроль, всех дефектов вплоть до выбранного контроля;

· отображение дефектов только выбранного типа и подтипа;

· выделение цветом дефектов, превышающих заданную глубину или заданную амплитуду ВТК сигнала.

Масштабирование трехмерного представления позволяет детально рассматривать скопления дефектов. Возможность выбора отображения отдельных типов дефектов позволяет определять какие типы дефектов превалируют в этих скоплениях.

На трехмерном представлении совместно с дефектами возможно отображение зафиксированных вихретоковым контролем шлама и отложений.

Данные поступающие в ОКБ “ГИДРОПРЕСС” содержат только номер ТОТ и координату, соответствующую максимуму интенсивности отложений или середине отложений на ТОТ.

Данные не содержат информацию о длине отложений на ТОТ, толщине или профиле отложений. В связи с не полной информацией возможно только условное отображение отложений и шлама на трехмерном представлении. Отложения и шлам на трехмерном представлении условно отображаются участками одинаковой длины. На рисунке 5 представлен ПГВ-440 с отображением отложений и шалама. Отложения и шлам обозначены синим цветом.

Рисунок 5. Дефекты, индикации, отложения и шлам в ПГВ-440.

В связи с неполнотой передаваемой информации возможны только качественные оценки. На всех ПГВ-440 и ПГВ-1000 наблюдается совпадение мест сосредоточения дефектов и отложений. На основании этого можно утверждать, что расположение дефектов, в основном, определяется расположением отложений по объему парогенератора. В качестве примера на рисунке 6 приводится ПГВ-440, у которых на длинной стороне имеются по два скопления дефектов, в отличии от ПГВ-1000, у которых на длинной стороне горячего коллектора наблюдается одно скопление дефектов. Данное расположение дефектов характерно для всех ПГВ-440 всех блоков данной АЭС. Такое расположение дефектов определяется расположением отложений, которые также отображаются синим цветом на рисунке 6.

Хорошее совпадение сосредоточений дефектов и отложений подтверждает утверждение о том, что на трубах без отложений и шлама маловероятно появление дефектов и индикаций.

Рисунок 6. Дефекты, индикации, отложения и шлам в ПГВ-440.

На всех ПГВ-1000 присутствует скопление дефектов на длинной стороне горячего коллектора напротив холодного коллектора (рисунок 7). На абсолютном большинстве ПГВ-1000 образование дефектов начинается именно в этом месте. В качестве примера на рисунке 8 приводится ПГВ-1000 с относительно малым количеством дефектов. Такое распределение дефектов по объему парогенераторов является типичным для большинства ПГВ-1000, но ряд ПГВ-1000 имеет свои особенности.

Рисунок 7. Дефекты, индикации, отложения и шлам в ПГВ-1000; вид сверху.

Рисунок 8. Дефекты, индикации, отложения и шлам в ПГВ-1000.

Помимо скопления дефектов на длинной стороне горячего коллектора на всех парогенераторах Калининской АЭС блока 1 наблюдается скопление дефектов также и на короткой стороне горячего коллектора (рисунок 9).

Рисунок 9. Дефекты, индикации, отложения и шлам в ПГВ-1000 Калининская АЭС блок № 1.

Такое расположение дефектов определяется расположением отложений (рисунок 9) и, вероятно, связано с реконструкцией системы водопитания и продувки ПГ /4/.

Помимо скопления дефектов на длинной стороне горячего коллектора на всех парогенераторах АЭС блока A наблюдается большое количество дефектов под дистанционирующими решетками (рисунки 10, 11). Такое нетипичное расположение дефектов, возможно, объясняется отрицательными факторами, имевшими место при эксплуатации парогенераторов данного блока АЭС. На теплообменных трубах парогенераторов данного блока АЭС было обнаружено наибольшее количество дефектов по сравнению с парогенераторами других АЭС с ВВЭР.

Рисунок 10. Дефекты, индикации, отложения и шлам в ПГВ-1000 Балаковская АЭС блок № 3

На рисунке 11 приводится расположение дефектов в объеме трубного пучка в ПГВ-1000, ТОТ которого имеют наибольшее количество дефектов и индикаций.

Рисунок 11. ПГВ-1000, содержащий наибольшее количество дефектов и индикаций

На рисунках 2 - 11 отображаются индикации и дефекты, обнаруженные за все вихретоковые контроли всего срока экплуатации. На рисунках 5 - 10 отображаются отложения и шлам также за все вихретоковые контроли.

В целом, использование трехмерного представления дефектов позволяет точнее оценивать состояние парогенераторов и лучше понимать процессы деградации на них.

Прогнозирование количества заглушенных труб

ремонт парогенератор теплообменный дефект

Была разработана и реализована программно методика краткосрочного прогнозирования количества глушений теплообменных труб (ТОТ) парогенераторов, основанная на расчете средних скоростей роста (изменения) глубин дефектов. Прогноз расчитывается, как сумма ТОТ, которые будут заглушены по причине появления новых дефектов и роста старых дефектов, обнаруженных в течение последнего ВТК. Прогноз расчитывается на 1, 2 и 3 года вперед.

Для прогноза количества заглушенных труб из-за изменения глубины дефектов используется следующая методика:

1) вычисляются средние скорости роста глубины дефектов по двум последним смежным ВТК;

2) к глубине каждого дефекта, обнаруженного в течение последнего ППР, прибавляется средняя скорость роста глубин дефектов;

3) если полученная на предыдущем шаге сумма глубины дефекта и средней скорости роста глубин дефектов превышает критерий глушения труб по глубине, то прогнозируется, что трубка с данным дефектом будет заглушена.

4) учитывается разница в объемах контроля: количества ТОТ, на которых глубина дефектов превысит критерий глушения в планируемый период, умножается на коэффициент , где -планируемый объем контроля (количество ТОТ, шт); - объем контроля за последний ВТК (количество ТОТ, шт).

Рисунок 12. Средние скорости роста глубин дефектов

Средняя скорость роста дефекта может быть вычислена следующими способами (рис. 12):

1) Отношение суммы всех приростов глубин дефектов к количеству повторяющихся дефектов (“Скорость с учетом отрицательных и нулевых приростов” на рисунке 12). V₁ = , где -все приросты глубин, -положительные приросты глубин, -отрицательные приросты глубин; n - количество повторяющихся дефектов, ,,- количество повторяющихся дефектов соответственно с положительными, нулевыми и отрицательными приростами глубин.

2) Отношение суммы приростов глубин дефектов, в которой отрицательные приросты были заменены нулями к количеству повторяющихся дефектов (“Скорость: все отрицательные приросты =0” на рисунке 12) V₂ = .

3) Отношение суммы всех положительные и нулевых приростов глубин дефектов к количеству повторяющихся дефектов с положительными или нулевыми приростами глубин (“Скорость с учетом нулевых приростов” на рисунке 12) V₃ = .

4) Отношение суммы всех положительных приростов глубин дефектов к количеству повторяющихся дефектов с положительными приростами глубин (“Скорость без учета отрицательных и нулевых приростов” на рисунке 12) V₄ = .

По результатам измерений приросты глубин дефектов могут быть отрицательными, т. е. глубины дефектов уменьшаются. В данной работе не рассматриваются физические аспекты данного измерительного факта.

Очевидно, что V₄ >= V₃ >= V₂ >= V₁, так как

>=>=>=.

Различные методы расчета скоростей соответствуют разным степеням консервативности прогнозов. Прогноз на основе средней скорости без учета отрицательных и нулевых приростов (V₄) является самым консервативным, так как в нем учитываются только положительные приросты. Прогноз на основе средней скорости с учетом отрицательных и нулевых приростов (V₁) является наиболее оптимистическим.

Прогноз появления новых дефектов расчитывается как произведение количества новых дефектов, превышающих критерий глушения, обнаруженных в течение последнего ППР, и коэффициента, учитывающего разницу в объемах контроля. При этом консервативно предполагается, что каждый новый дефект появится на отдельной трубе.

Для того, чтобы уменьшить влияние различий в объемах и расположении зон контролей используется разбиение трубного пучка на зоны и расчет относительного количества новых дефектов отдельно для каждой зоны. Для ПГВ-1000 используется разбиение (рисунок 13) на 6 зон, предложенное в /5/.

Рисунок 13. Схема разбиения трубного пучка ПГВ-1000 на зоны

Для ПГВ-440 предлагается разбиение на четыре зоны (рисунок 14).

Рисунок 14. Схема разбиения трубного пучка ПГВ-440 на зоны

В случае, если известно расположение зоны планируемого контроля, то прогноз появления новых дефектов расчитывается для ПГВ-1000 как:

;

для ПГВ-440 прогноз появления новых дефектов:

, где:

- прогнозное количество новых дефектов;

- количество новых дефектов, обнаруженных в последний контроль, соответственно в 1...6 зонах трубного пучка ПГ;

- пересечения зоны последнего контроля со всеми предыдущими зонами контролей соответственно в 1...6 зонах трубного пучка ПГ;

-планируемые объемы контроля соответственно в 1...6 зонах трубного пучка ПГ.

В случае, если известен только объем планируемого контроля, но не известно расположение зоны планируемого контроля, то прогноз появления новых дефектов расчитывается для ПГВ-1000 и ПГВ-440 как:

, где:

- количество новых дефектов, обнаруженных в последний контроль;

- пересечение зоны последнего контроля со всеми предыдущими зонами контролей;

-планируемый объем контроля.

При расчете прогноза считается, что глубина новых дефектов будет изменяться со средней скоростью изменения глубин всех дефектов за период между последними смежными контролями.

На подавляющем количестве парогенераторов большинство ТОТ глушатся по причине появления новых дефектов, глубина которых превышает критерий глушения.

Прогноз расчитывается, как сумма ТОТ, которые будут заглушены по причине появления новых дефектов и роста старых дефектов, обнаруженных в течение последнего ППР. Результаты прогноза выводятся в виде графика (рисунок 15), на котором каждая из кривых соответствует одному из способов расчета скорости роста дефекта.

Рисунок 15 - прогноз количества заглушенных труб

Основными факторами, снижающими точность прогнозов являются:

1. Нерегулярный и недостаточный по объему ВТК теплообменных труб.

2. Отсутствие информации о планируемом объеме и зоне контроля (в каком количестве и в какой части трубного пучка будут проконтролированны ТОТ). При проведении расчетов прогнозов условно в качестве планируемого объема контроля берется объем последнего ВТК.

3. Возможные неточности и погрешности при определении координат дефектов.

4. Наличие человеческого фактора при определении параметров дефектов по ВТК сигналу и при принятии решения о глушении ТОТ.

5. Различные критерии (различная пороговая глубина дефектов) глушения ТОТ.

Для того, чтобы иметь возможность проверки адекватности прогноза ретроспективным методом была реализована возможность выбора года, на основе которого будет составляться прогноз. Если выбирается год не последнего ППР, то на графике также выводится реальное число наблюдавшихся дефектов, превышающих критерий глушения, что и обеспечивает ретроспективную проверку предложенной методики.

В качестве окончательного прогноза используется прогноз расчитанный на основе скорости V₂, так как она не учитывает только отрицательные приросты дефектов. С 2009 года с помощью разработанной методики и программного средства расчитываются прогнозы глушений ТОТ для всех парогенераторов АЭС с ВВЭР. Наблюдается хорошее совпадение прогнозных и реальных количеств глушений.

Принципиальным отличием данной методики от других является полный учет всех дефектов в каждом конкретном парогенераторе, отслеживание их индивидуальной динамики.

Литература

1. Тесленко М. В., Бергункер В. Д. Развитие информационно-аналитической системы “Парогенераторы АЭС” Вопросы атомной науки и техники. - Подольск, 2010 -№26. - С. 113 - 119.

2. Strategy for Assessment of WWER Steam Generator Tube Integrity IAEA-TECDOC-1577 IAEA. -2007.

3. В.Д. Бергункер. Целостность теплообменных труб вертикальных и горизонтальных парогенераторов (сравнительный анализ). 7-й международный семинар по горизонтальным парогенераторам: Тезисы докладов - Подольск, 2006.

4. Березанин А. А. Опыт эксплуатации и проведения комплекса работ по повышению ресурса теплообменных трубок на парогенераторах Калининской АЭС. Материалы регионального семинара МАГАТЭ “Целостность трубок парогенераторов” - Удомля, 2000.

5. Немытов Д. С. Влияние эксплуатационных и конструкционных факторов на ресурс теплообменных труб парогенераторов АЭС с ВВЭР. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук - Москва, 2009.

Размещено на Allbest.ru