Анализ состояния и прогнозирование дефектности теплообменных труб парогенераторов АЭС с ВВЭР

Парогенератор АЭС с ВВЭР является составной частью циркуляционной петли ядерной паропроизводящей установки. При эксплуатации парогенераторов (ПГ) на теплообменных трубах (ТОТ) образуются дефекты, которые могут стать причиной разгерметизации первого контура АЭС. Основным механизмом повреждения ТОТ является коррозионное растрескивание под напряжение, которое обуславливается наличием коррозионно-активной среды и воздействием механических напряжений.

В период проведения планово-предупредительного ремонта на АЭС проводится вихретоковый контроль (ВТК) теплообменных труб парогенераторов. ВТК позволяет обнаруживать дефекты и индикации на теплообменных трубах. Под индикацией в ВТК ТОТ понимается любое отклонение сигнала контролирующей установки от эталонных значений. Дефект — это индикация с приписанной глубиной. Если глубина дефекта превышает пороговое значение, то теплообменная труба, на которой он расположен, подлежит выводу из эксплуатации (глушению).

ВТК позволяет получать большие объемы информации о состоянии ТОТ. Для хранения, обработки, представления и анализа этой информации в ОКБ «ГИДРОПРЕСС» с участием автора разработана информационно-аналитическая система (ИАС) «Парогенераторы АЭС». Накопленный за время эксплуатации системы опыт свидетельствует о необходимости пересмотра некоторых подходов к анализу данных ВТК контроля. Практика показала, что для оценки состояния ПГ на основе данных вихретокового (ВТ) контроля необходима разработка новых параметров оценки дефектного состояния ТОТ ПГ и характеристик соответствующих этому состоянию ВТ сигналов. Так, в частности, введение глубино-амплитудного критерия глушения ТОТ ПГ потребует более детального анализа амплитуд дефектов. В связи с необходимостью решения проблемы повышения надежности и увеличения сроков службы парогенераторов разработка новых параметров оценки состояния ТОТ на основе данных ВТК является актуальной проблемой.

ИАС «Парогенераторы АЭС» содержит картограммы ПГ — сечение пучка теплообменных труб с выделенными цветом ТОТ, на которых были обнаружены дефекты. На сегодняшний день подобные картограммы являются основным средством отображения дефектов на ТОТ парогенераторов. Но картограмма и различные двумерные схемы не дают полного представления о положении дефектов в объеме трубного пучка. Разработка трехмерной модели расположения дефектов ТОТ в объеме трубного пучка ПГ позволила бы выявить закономерности распределения дефектов на ТОТ.

Для оценки целостности ТОТ ПГ нормативные документы предписывают проводить не только ретроспективный, но и перспективный анализы по результатам контроля трубчатки в последующий (до следующего контроля) период эксплуатации. В США широко используется практика формирования прогнозного распределения параметров дефектов (амплитуд, глубин) на следующий период эксплуатации. В качестве перспективного анализа в данной работе предлагается использовать прогнозы количества ТОТ, которые будут заглушены после проведения очередного ВТК.

Цели и задачи научного исследования.

Главной целью является повышение уровня безопасности эксплуатации парогенераторов на основе более точной оценки состояния теплообменных труб. Для этого ставились следующие задачи:

— разработать новые параметры оценки дефектного состояния ТОТ ПГ и характеристик соответствующих этому состоянию ВТ сигналов;

— разработать трехмерную модель расположения дефектов в объеме трубного пучка ТОТ;

— установить закономерности распределения дефектов на ТОТ;

— провести статистический анализ появления и развития дефектов на основе данных ВТК всех ПГ за все время проведения ВТК.

— разработать методику прогноза количества ТОТ, которые будут заглушены после проведения очередного ВТК.

Научная новизна:

1 Разработаны новые параметры оценки дефектного состояния ТОТ ПГ и характеристик соответствующих этому состоянию ВТ сигналов (анализ амплитуд вихретоковых сигналов от индикаций, анализы количества новых дефектов и индикаций). С использованием результатов статистической обработки накопленных данных вихретокового контроля выявлены статистические закономерности количественного распределения дефектов, образующихся на поверхности ТОТ.

2 С использованием разработанной трехмерной модели расположения дефектов теплообменных труб выявлены закономерности распределения дефектов по объему трубного пучка парогенераторов.

3 Разработана и реализована методика краткосрочного прогноза количества теплообменных труб парогенераторов, которые будут заглушены после проведения очередного ВТК.

Степень достоверности результатов работы подтверждается применением апробированного математического аппарата статистических исследований к обработке и анализу больших объемов реальных данных эксплуатационного ВТК и совпадением прогнозируемых характеристик о состоянии ТОТ ПГ с полученными на практике результатами.

Практическая ценность выполненных работ заключается в следующем:

Разработаны новые параметры оценки дефектного состояния ТОТ ПГ и характеристик соответствующих этому состоянию ВТ сигналов. Был введен анализ амплитуд ВТ сигналов от дефектов и индикаций. Практика показала, что количественная оценка динамики возникновения новых дефектов наилучшим образом характеризует интенсивность протекания коррозионных процессов в металле ТОТ. Поэтому были разработаны параметры оценки дефектного состояния ТОТ ПГ и характеристик соответствующих этому состоянию ВТ сигналов. Разработанные параметры использовались при выпуске отчетов «Анализ состояния ТОТ ПГ АЭС с РУ ВВЭР по итогам ВТ контроля» за 2008, 2009, 2010, 2011, 2012 годы в ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

Картограммы и различные двумерные схемы не дают полного представления о положении дефектов в объеме трубного пучка. Была программно реализована трехмерная модель расположения дефектов ТОТ в парогенераторах. На основе анализа расположения дефектов во всех ПГ представлены закономерности расположения дефектов в объеме трубного пучка ПГ. Разработанная трехмерная модель расположения дефектов ТОТ в ПГ использовалось при выпуске отчетов «Анализ состояния ТОТ ПГ АЭС с РУ ВВЭР по итогам ВТ контроля» за 2011, 2012 год.

Разработана и реализована методика краткосрочного прогнозирования количества заглушённых труб парогенераторов. Под краткосрочным прогнозом понимается прогноз количества ТОТ, которые будут заглушены, на 1, 2 и 3 года вперед. По данной методике формировались прогнозы количества заглушённых ТОТ, которые включались в ежегодные отчеты «Анализ состояния ТОТ ПГ АЭС с РУ ВВЭР по итогам ВТ контроля» с 2009 года. Наблюдается хорошее совпадение прогнозных и реальных количеств глушений ТОТ.

Основные результаты работы.

1. Разработаны новые параметры оценки дефектного состояния ТОТ ПГ и характеристик соответствующих этому состоянию ВТ сигналов.

1.1 Был введен анализ амплидут вихретоковых сигналов от индикаций: распределение амплитуд ВТ сигналов для каждого ВТК, вычисление и отображение средних скоростей изменения (роста) амплитуд индикаций между ВТК.

1.2 Практика показала, что количественная оценка динамики появления новых дефектов наилучшим образом характеризует интенсивность протекания коррозионных процессов в металле теплообменных труб. Поэтому, был расширен анализ новых дефектов и индикаций: рассчитывается относительное количество новых индикаций и дефектовпроводятся амплитудный и глубинный анализы дефектов: формируется амплитудное и глубинное распределение новых дефектоврассчитывается доля новых дефектов в новых индикациях.

1.3 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 — задаваемая величина.

2. Разработана и реализована трехмерная модель расположения дефектов теплообменных труб в парогенераторах. Реализовано отображение отложений и шлама в объеме трубного пучка ТОТ. Использование трехмерного представления дефектов позволяет точнее оценивать состояние теплообменных труб парогенераторов.

3. На парогенераторах ПГВ-440 и ПГВ-1000 скопления дефектов типа «ММ» (дефекты между решетками) и скопления электропроводящих отложений (тип «ОБ») располагаются в непосредственной близости. На теплообменных трубах, на которых при ВТК обнаруживаются отложения, более вероятно появление дефектов.

4. Рассмотрены и статистически обобщены данные по появлению новых дефектов и развитию ранее обнаруженных дефектов на всех парогенераторах за все время проведения ВТК. Образование новых дефектов на парогенераторах ПГВ-440 и ПГВ-1000 происходит с относительно большими глубинами (примерно в половине случаев превышающими 60%), но затем при эксплуатации практически не изменяются (не растут) по глубине. В большинстве случаев при глушении ТОТ по глубинному критерию глушения причиной является появление новых дефектов.

5. Была разработана и реализована программно методика краткосрочного прогнозирования количества глушений теплообменных труб парогенераторов. Прогноз рассчитывается, как сумма ТОТ, которые будут заглушены по причине появления новых дефектов и роста старых дефектов, обнаруженных во время последнего ВТК. Отличием данной методики от других является учет всех дефектов в каждом конкретном парогенераторе, а также отслеживание их индивидуальной динамики.

Перечень принятых сокращений.

АЭС — атомная электростанция.

БалАЭС — Балаковская атомная электростанция.

ВВЭР — водоводяной энергетический реактор

ВТК — вихретоковый контроль.

ВХР — водно-химический режим.

Ду — условный диаметр

ДЭ — дистанционирующий элемент.

ИАС — информационно-аналитическая система.

КЗ — критическая зона.

Кол. — количество.

КРН — коррозионное растрескивание под напряжением.

МАГАТЭ — Международное агенство по атомной энергии.

НВО АЭС — Нововоронежская атомная электростанция.

ОКГ — относительное количество глушений.

ОКИ — относительное количество индикаций.

ОКНД — относительное количество новых дефектов.

ОКНИ — относительное количество новых индикаций.

ОКТ1 — относительное количество труб с более, чем одним дефектом.

ОКТ5 — относительное количество труб с более, чем пятью дефектами.

ПГ — парогенератор

ПГВ — парогенератор ВВЭР.

ППР — плановый предупредительный ремонт.

РД — руководящий документ.

РУ — реакторная установка.

СТП — стандарт предприятия.

ТОТ — теплообменная труба шт. — штук.

EFPY — effective full power year — эффективный год работы на мощности 100%.

EPRJ — Electric Power Research Institute.

IGA — intergranular attack — межкристаллитная коррозия.

NRC — Nuclear Regulatory Comission — Комиссия ядерного регулирования.

ODSCC — outer diameter stress corrosion cracking — коррозионное растрескивание под напряжением со стороны внешнего диаметра PWR — реакторы с водой под давлением p^g primary water stress corrosion cracking — коррозионное растрескивание под напряжением в водном теплоносителе первого контура TW — tube wall — стенка трубки.