Ведомственный метрологический надзор Прогнозирование повреждений теплообменных трубок парогенератора

Прогнозирование повреждений теплообменных трубок парогенератора

Обеспечение надежной работы теплообменных трубок (ТОТ) парогенераторов (ПГ) является важнейшей задачей для различного типа АЭС как в отечественной атомной энергетике, так и за рубежом.

Тонкостенные теплообменные трубы парогенератора являются важной частью границы первого контура и для того, чтобы исполнять функции эффективного барьера, теплообменные трубы не должны иметь сквозных дефектов или дефектов, требующих глушения ТОТ.

На ПГ российского производства повреждения теплообменного пучка имеют место в различной степени на всех блоках АЭС и являются в настоящее время основным фактором, определяющим остаточный ресурс ПГ. 

Одной из важнейших в современной технике можно обоснованно полагать проблему точного знания ее состояния - остаточного и технического ресурса деградирующего металла на данный момент времени. Оценка технического и остаточного ресурсов, обоснование продления срока службы металла оборудования, в том числе – оборудования атомной энергетики, обоснование сроков снятия с эксплуатации - все это положительные производные от решения этой проблемы.

Реализация подобной задачи сопряжена как с объективными научно-техническими сложностями, так и с преодолением субъективных, исторически сложившихся подходов и путей ее решения, а именно.

Во-первых - методы вероятностного анализа не предназначены для ресурсных оценок.

Во-вторых - современные детерминированные методы могут это сделать, однако в пределах, как правило, одного повреждающего процесса.

В-третьих - в современных методах расчета на усталостную долговечность и статическую прочность все дополнительно участвующие в повреждении процессы предписано учитывать коэффициентами запаса.

В-четвертых - числовые значения упомянутых коэффициентов запаса определяются только экспертным путем, а нормативные методики их расчета отсутствуют.

В-пятых - обычно расчеты с использованием экспертных числовых значений коэффициентов удовлетворяют практику, но вместе с тем нередки случаи повреждения задолго до исчерпания назначенного ресурса оборудования, металл которого подвергался во время эксплуатации одновременному воздействию сразу нескольких повреждающих процессов.

Безусловно, важнейшее влияние на долговечность конструкционных сплавов оказывает усталость. Уже более 100 лет все конструкции из металла рассчитываются на усталостную долговечность (при условии удовлетворения требованиям статической прочности) [1]. Именно тогда были заложены так называемые коэффициенты влияния на усталостную долговечность коррозионной среды. Причем, числовое значение этого коэффициента не изменялось в течении всех этих лет ( fкс=10).

Как правило, влияние рабочих сред на прочностные характеристики металла помимо упомянутых коэффициентов учитываются еще и добавкой к расчетной толщине конструкции (для компенсации убыли металла по причине равномерной коррозии - утонения). Вместе с тем, коррозионные процессы и механизмы их воздействия на служебные свойства металла гораздо разнообразнее, чем это учтено в современных расчетных методах например, коррозия: при постоянном нагружении (КПН); коррозионное растрескивание (КР): транскристаллитное - трещина через тело зерен (ТКР) и межкристаллитное - трещины по границам зерен - коррозионное (МКР) растрескивание; водородное охрупчивание (ВО); коррозионная усталость (КУ) и т.д.. Нередко последствия именно этих локальных процессов и оказывают существенное влияние на долговечность конструкционного сплава в рабочих условиях.

В последнее время появились весьма тревожные факты,  свидетельствующие о том, что нельзя одним числовым коэффициентом описать все случаи взаимодействия всех типов и марок сплавов со всеми типами коррозионных сред.

Так, авария на Аляске с продуктопроводом показала, что коэффициент влияния среды может достигать 3600. Досрочная замена парогенераторов: - за рубежом из-за коррозионного растрескивания (КР) трубных пучков (около 80 единиц) и в СНГ - из-за КР коллекторов (32 единицы ) показала, что коэффициент влияния среды может составлять от 200 до 350.

Можно предположить, что одним из перспективных направлений, который приведет к решению обозначенной проблемы является создание математического аппарата, объединяющего частные аппроксимирующие детерминированные методики повреждающих процессов в единый функционал взаимного влияния всех таких процессов без исключения (или их противопоставления друг другу) так, как управление ресурсом есть не что иное, как:

Наличие феноменологического описания каждого частного процесса повреждения металла.

Выявление физически измеряемого признака повреждения металла по каждому частному процессу повреждения.

Выявление физически измеряемого значения критерия предельного состояния металла перед разрушением по каждому частному процессу повреждения.

Наличие детерминированной математической модели кинетики роста относительной меры повреждения как отношение текущего значения физически измеряемых признаков повреждения частных по отдельному частному процессу повреждения к значения критерия предельного состояния.

Наличие алгоритма вычисления общей относительной меры повреждения металла, объединяющего уравнения кинетики роста относительной меры повреждения по частным процессам повреждения.

Факторный анализ и обоснование критерия «отбраковки» - критерия, согласно которому какой либо частный процесс повреждения может быть исключен из рассмотрения.

Обоснование новых числовых характеристик конструкции, а также технологических режимов изготовления и эксплуатации для компенсации негативного воздействия на наработку до отказа отдельных факторов по критерию приращения срока безопасной эксплуатации.

Обоснование технической осуществимости и экономической целесообразности реализации компенсирующих мероприятий.

Реализация конструкторских, технологических и технических мероприятий с целью обоснования: 

- срока безопасной эксплуатации металла;

- остаточного ресурса – остаточного срока безопасной эксплуатации металла;

-продолжительности безопасной эксплуатации металла сверх назначенного ресурса;

-технических мероприятий для продления безопасной эксплуатации металла сверх назначенного ресурса.

Одно из направлений исследования причин повреждений коллекторов парогенераторов типа ПГВ-1000м было сформулировано как разработка концепции «Прочность через долговечность»: металл прочен пока сохраняет сплошность, т.е. долговечен и по условиям протекания локализованных повреждающих процессов [2]. На базе математического аппарата этой концепции удалось теоретически обосновать, экспериментально проверить и реализовать на действующих, проектируемых и изготавливаемых парогенераторах новые технологические мероприятия, которые способствуют продлению ресурса коллекторов. Концепция «Прочность через долговечность» не противопоставляется концепции «Течь перед разрушением». В отличие от вероятностного анализа надежности ее математический аппарат – детерминистские уравнения полифакторных повреждающих физико-химических процессов на границе раздела «металл/коррозионная среда» и в объеме металла, одновременно воздействующих на конструкционный сплав.

Суть этого направления состоит как в использовании уже известных подходов, методик и формул расчета ресурса и долговечности, так и в создании недостающих алгоритмов.

Во-первых это:

- концепция предельного состояния металла (критерий - числовое значение физического признака  повреждения металла перед его разрушением - гипотеза академика Российской Академии наук Болотина В.В., изложенная в монографии [2].

- алгоритмы расчета долговечности металла при воздействии отдельных, в том числе и полифакторных, но частных процессов повреждения металла (усталость; ползучесть; радиационная хрупкость).

Во-вторых:

- создание прикладных инженерных методик прогнозных расчетов технического τtech и остаточного τост ресурсов на основе новой и ранее неизвестной архитектуры  функции долговечности при одновременном кооперативном воздействии на металл нескольких  повреждающих процессов;

 - разработка прикладных программных средств «РЕСУРС-К» и «РЕСУРС-Т» применительно к расчетам ресурса коллекторов и трубных пучков парогенераторов типа ПГВ-1000М АЭС на основе алгоритма, детерминированных методик и формул, учитывающих особенности конструкции, технологии изготовления, характеристик технологических режимов эксплуатации (главным образом - типы циклов нагружения по амплитудам термо- и гидро- механических напряжений, а также характеристики водно-химического режима).

При контакте подвергаемого усталости металла с коррозионной средой возникает ситуация, известная под названием «коррозионная усталость» (КУ). Это наиболее распространенный в технике пример совместного повреждающего действия на металл двух процессов усталости и коррозии, Причем, коррозии в ее глубоком понимании происходящих физико-химических процессов как на границе раздела «металл/среда», так и в объеме металла. Известно, что КУ не имеет предела выносливости [3] в отличие от усталости на воздухе (рис. 1).

 Из рассмотрения рисунка 1.2 следует, что при использовании рекомендуемого в нормативных документах [4] приема – понижение в 10 раз предельного числа циклов на воздухе (для учета влияния контакта с коррозионной средой) не формируется главное отличие - сохраняется несуществующий предел выносливости (кривая 2), которого в условиях КУ на самом деле нет (кривая 3). Кроме того, известно, что кривая 3 смещается к оси ординат в более кислой среде и вправо – в более щелочной (относительно водородного показателя pH, для которого построена кривая 3).

 

Рисунок 1.2 - Зависимость предельного числа циклов  N0 от Δσ - амплитуды механических напряжений

1 - при испытаниях на воздухе;

2 - пониженное в 10 раз число циклов для учета влияния контакта  с коррозионной средой (согласно нормативных документов) при расчетах;

  3 - при испытаниях в контакте с коррозионной средой;

 4 - предел выносливости при испытаниях на воздухе.

Именно это обстоятельство делает уязвимыми для критики рекомендации по учету влияния среды с помощью деления на fкс =10 предельного числа циклов на воздухе N0 и сам способ - использование единого коэффициента для всех случаев многообразия компонентного состава коррозионных сред. Однако этот прием вполне приемлем, если доказан пренебрежимо малый вклад коррозионных повреждающих процессов в общем процессе повреждения конструкционного сплава.

Известно, что в реакторе ВВЭР-440, содержащим порядка 40 тонн ядерного топ-лива, "суммарная активность топлива, обогащением 3% по урану-235, составляет 6х1011 Бк (16 Ku). Через год эксплуатации радиоактивность продуктов, образовав-шихся в процессе деления ядер урана, уже составит 4х1019 Бк (109 Ku), т.е. будет в 100 млн. раз больше исходной" (Л1). Наработка радиоактивности в ядерном топ-ливе почти пропорциональна его количеству в реакторе и времени работы реактора на номинальной мощности.
Меры по повышению безопасности атомной станции