Про один підхід до діагностування обладнання та трубопроводів АЕС

Автори статті: Воронков Вадим Олександрович Заст. директора інституту неруйнівних методів дослідження металів ВАТ НВО «ЦНДІТМАШ», ІІІ рівень за УЗК та ВІК Тихонов Дмитро Сергійович Технічний директор ТОВ НВЦ «ВІДЛУННЯ+», м. Москва, к. т. н. Бакір Мурат Баязитович Генеральний директор ТОВ «НСУЦ «Центр матеріалознавства та ресурсу компонентів ядерної техніки», м. Москва, д. т. н., технічний експерт МАГАТЕ, лауреат премії СМ Україна Юркін Сергій Олександрович Начальник Відділу дефектоскопії та металознавства Ростовської атомної станції

Методи ультразвукової дефектоскопії (УЗД) широко застосовуються в різних галузях промисловості для ПК конструкцій та обладнання. Щодо небезпечних виробничих об'єктів (наприклад, АЕС) УЗД проводиться за методиками, узгодженими наглядовою організацією. Слід визнати, що норми розбракування, запропоновані свого часу для атомної галузі, є досить жорсткими (наприклад, протяжні непорушності не допускаються). Це відіграло позитивну роль в епоху становлення галузі, оскільки зумовило високу надійність виготовлення та монтажу обладнання та трубопроводів АЕС. Однак при цьому виникли певні проблеми у процесі монтажу обладнання та його експлуатації. Справа в тому, що, згідно з правилами контролю, об'єкти з виявленими в них дефектами повинні бути відремонтовані, але сам ремонт, будучи цілком технологічним на стадії виготовлення, перетворюється на досить витратний процес при монтажі, а при експлуатації додаються ще й витрати, пов'язані з простоєм станції , та ускладнення внаслідок радіаційного фону. Для скорочення витрат на ремонт видається перспективним переглянути прийняту концепцію контролю та перейти від контролю до діагностики.

При діагностиці змінюється нормативна базанорми розбракування пов'язуються з розрахунковим періодом безаварійної роботи устаткування. Отже, проведенню діагностики має передувати отримання розрахункових (або розрахунково-експериментальних) даних за нормами розбракування стосовно заданого періоду безаварійної роботи обладнання. Досвід проведення таких робіт показує, що отримані норми суттєво м'якші, і це, зрештою, дозволяє уникнути ремонту обладнання більш ніж у 90% випадків виявлення дефектів за правилами контролю. Проте перехід до розрахункових норм висуває підвищені вимоги до змісту дефектоскопічної інформації – із задовільною точністю представляти геометричні параметри виявлених неполадок. Цим вимогам нині найкраще задовольняють системи ПК серії «Авгур», які дозволяють вирішити такі завдання:

автоматизувати процес пошуку та реєстрації несплошностей;
візуалізувати результати контролю, тобто отримувати зображення неполадок;
визначати типи несплошностей та оцінювати їх геометричні параметри.

Процес діагностики реалізується через наступний алгоритм (рис. 1):

на першому етапі проводиться штатний автоматизований або ручний контроль (АУЗК або РУЗК) за нормами і правилами, що діють у конкретній галузі. Якщо в об'єкті контролю (ОК) відсутні дефекти, він пропускається в експлуатацію;
на другому етапі всі ділянки з виявленими дефектами піддаються експертному контролю із застосуванням систем серії «Авгур» для візуалізації, визначення типу та вимірювання геометричних параметрів несплошностей;
на третьому етапі інформація про параметри несплошностей використовується для розрахунку ресурсу роботи ОК з урахуванням інших характеристик,що впливають ресурс. Якщо за розрахунками запас міцності такий, що наявність несплошности не впливає ресурс роботи устаткування, що розглядається, то ОК допускається в експлуатацію. В іншому випадку ОК підлягає ремонту.

Запропонована схема діагностики була застосована під час введення I блоку Ростовської АЕС. Справа в тому, що після сімдесятипроцентної готовності монтажу роботи були перервані на більш ніж десятирічний період, а при відновленні робіт довелося зважати на те, що тривала бездіяльність станції могла негативно позначитися на стані обладнання, і, крім того, з частковою втратою документації з- після виходу з ринку основних підрядників монтажних робіт. Штатний контроль проводився за методиками контролю ПНАЕ Г-7-030-91, а оцінка якості проводилася відповідно до норм розбракування ПК1514-72, що діяли під час монтажу. У процесі проведення діагностики було розширено дослідницьку частину роботи, що полягає у заниженні рівня фіксації і тим самим збільшенні кількості фіксованих несплошностей, стосовно яких проводився експертний контроль із застосуванням систем серії «Авгур».

Дані автоматизованого експертного контролю оброблялися для одержання тривимірних зображень несплошностей. За цими зображеннями після обробки та аналізу даних експертами складалися висновки про тип і розміри неполадок.

При штатному контролі зварних з'єднань приварювання колекторів парогенераторів до патрубка Ду1200 в жодному з 8 проконтрольованих швів у перерізі не було виявлено дефектів. Лише одне шов за даними РУЗК містив несплошність лише на рівні фіксації по ПК 1514-72. У кореневій частині шва РУЗК в 5 швах виявлені відбивачі, що перевищують рівень бракування. Експертним контролем всі відбивачі в корені шваідентифіковані як нерівність внутрішньої поверхні шва. Несуцільність у перерізі шва лише на рівні фіксації дентифицирована експертним контролем як непротяжна. Разом з тим, за даними експертного УЗК у чотирьох швах виявлено протяжні несплошності, які за результатами аналізу міцності визнані допустимими для експлуатації цих швів при розрахункових параметрах. Зображення однієї з таких протяжних неполадок наведено на рис. 2. При штатному контролі сорока монтажних зварних з'єднань ГЦТ Ду850 тільки в одному виявлено два допустимі непротяжні відбивачі на глибині 52 мм з еквівалентною площею, що відповідає мінімально фіксованій - 5 мм2. На рис. 3 та 4 наведено зображення цих неполадок, отриманих системою «Авгур 4.2».

У 11 швах автоматизованим експертним контролем було зафіксовано протяжні несплошності на підвищеному рівні фіксації. За результатами аналізу міцності всі зварні шви ГЦТ визнані придатними до експлуатації при розрахункових параметрах

Діагностика монтажних зварних з'єднань другого контуру охоплювала 908 швів різних типорозмірів. У табл. 1 представлений весь обсяг ручного та автоматизованого УЗК першого та другого контурів до проведення холодного гідроопресування (ХГО). Усього за допомогою ручного контролю було обстежено 956 швів. У 268 їх зафіксовано несплошності, у тому числі, 157 були забраковані за правилами контролю. Всі шви були піддані експертному контролю з подальшим розрахунком на міцність. Виявилося, що практично у всіх зварних швах виявлені відбивачі не впливають на властивості міцності конструкцій в умовах експлуатації. Недоступними щодо АУЗК виявилися лише 2 % від кількості зварних швів, призначених для експертного контролю. Недоступні шви – цетакі, на які через конструктивні особливості або утруднена установка скануючого пристрою, або неможливе повноцінне сканування.

Розрахункове обґрунтування для трубопроводів другого контуру типової реакторної установки РУ В-320 для всіх режимів, включаючи як нормальні умови експлуатації (НУЕ), так і режим максимального розрахункового землетрусу (МРЗ), виконувався Генеральним конструктором даного обладнання ДНІПКД «Атоменергопроект» на статичну міцність. При цьому як навантажувальні параметри розглядалися тиск, температура і сейсмічні дії 7 балів, а також враховувалася прибавка до розрахункової товщини.

Трубопроводи виконані із сталей 16ГС, 15ГС, ст. 20. Відповідно до пункту 5.8.1.9 ПНАЕ-Г-002-86 за наявності в них несплошностей розрахунок проводиться за граничними пластичними станами, і не розглядається крихкий механізм руйнування. Під граничним пластичним станом розуміється стан, у якому перетин зруйнується під прикладеним навантаженням.

При розрахунку за граничними пластичними станами як навантажувальні фактори враховуються тільки загальні мембранні і загальні згинальні напруги, тобто рівномірно розподілені за перерізом. При зменшенні площі перерізу в зварному шві трубопроводу він досягне граничного пластичного стану при менших навантаженнях. Розрахунок проводився відповідно до методики М-02-91: розглядалися мембранні та згинальні напруги, що діють на трубопровід радіусом R і розрахунковою товщиною h, який містився поверхневий дефект довжиною 2c і глибиною a. Як R вибирався середній радіус по металу трубопроводу відповідного ДУ за формулою R = Rтр + hтр/2, де Rтр і hтр бралися з проектних розрахунків без урахування сумарної надбавки до розрахункової товщини. В якостірозрахункової товщини h вибиралося мінімальне значення SK(N) і SK(P). Розглядався дефект секторної форми, де як глибина а вибирався максимум з різниці h - zверх. Його довжина 2с вибиралася від крайнього лівого до крайнього правого становища, де h – zверх > 0. У разі під поверхневого включення розглядався поверхневий дефект довжиною 2с і глибиною а, що дорівнює різниці zнижн - zверх. За наявності кількох місць з утонениями задля забезпечення консерватизму розміри розрахункового дефекту вибиралися за такими принципам:

для кожного дефекту проводилася роздільна схематизація та визначалися ai та 2ci, де i = 1, …, N; N - Число дефектів на однойменному зварному шві;
сумарна глибина а вибиралася як максимум з ai;
сумарна довжина 2с вибиралася як сума всіх 2ci;
центр дефекту розміщувався в самому навантаженому згинальними напругами місці по кільцю, тобто вибирався максимум по згинальних напруг.

Для забезпечення консерватизму на достовірність результатів експертного УЗК з а і с приймалися коефіцієнти запасу а = а + 2 мм, с = с + 10 мм.

Для підповерхневого дефекту коефіцієнти запасу приймалися рівними нулю. Напруги для проведення розрахунків було визначено за відповідними зонами трубопроводів з перевірочних розрахунків на міцність, що проводилися ДНІПКД «Атоменергопроект» для енергоблоків Балаківської та Запорізької АЕС. Для перевірки статичної міцності використовували максимальну напругу з усіх режимів експлуатації, включаючи МРЗ.

У випадку, якщо різниця між товщиною розрахованого зварного шва і глибиною дефекту була вищою за товщину, яка використовується в розрахунках на статичну міцність за проектом (табл. 1), подальший розрахунок не проводився, оскільки проектні умови свідомо забезпечені (цевідповідає розрахунку зварного шва з дефектом довжиною с, що дорівнює довжині кола, і глибиною а, меншою за проектний запас). Для інших зварних швів за даними проектних розрахунків визначалися мембранні та згинальні напруги для проведення розрахунку за граничними пластичними станами за наявності схематизованого тріщиноподібного дефекту. Мембранні поздовжні напруги, що виникають від тиску, відповідно до ПНАЕ-Г-002-86 розраховувалися за формулою σm = PR 2 /[(Rтр – hтр) 2 – R2 тр] де Р – розрахунковий тиск.

Загальні згинальні напруги обчислювалися для режимів НУЕ та МРЗ. Для ряду трубопроводів (наприклад, трубопровід гострої пари в РЦ) у зв'язку з незначними відмінностями напруги по ділянці бралися максимальні напруги на даній ділянці. Напруги від сейсмики вибиралися з проектних розрахунків для конкретного зварного шва кожного трубопроводу.

Шляхом порівняння розташування зварних швів з розрахунковими схемами встановлювалися напруги кожного зварного шва. Мембранні та згинальні напруги перераховувалися з товщини hтр на обрану розрахункову товщину h. За згинальними напругами закладався запас σз + 50 МПа для кожного зварного шва.

Для кожної зварної сполуки, що підлягає розрахунку, були отримані критичні криві допустимих дефектів відповідно до методики М-02-91.

Відповідно до переліку проектних режимів експлуатації сумарна кількість режимів експлуатації (включаючи аварійні) на весь проектний термін становить 850. Розрахунок кінетики зростання несплошностей у процесі експлуатації проводився відповідно до методики М-02-91 на 850 циклів навантаження та максимальної напруги без урахування сейсміки.