Ведомственный метрологический надзор Прогнозирование повреждений теплообменных трубок парогенератора

Вероятностный подход к управлению сроком службы ТОТ ПГ

Исходные данные и алгоритм расчета

В отечественной практике сбора и обработки результатов эксплуатационного контроля состояния ТОТ ПГ блоков АЭС с реакторами ВВЭР отсутствуют какие-либо данные по прогнозированию поведения теплообменных трубок. Необходимость разработки методов прогноза по развитию дефектов ТОТ ПГ обусловлена выработкой соответствующих мер по управлению ресурсом парогенераторов АЭС с ВВЭР.

В дипломе за основу исследований принят метод с применением вероятностного подхода к эксплуатационным данным, полученным по результатам ВТК  целостности ТОТ ПГ. Использование результатов контроля из формируемой базы данных ВТК позволяет строить экспериментальные функции распределения, обрабатывать их и делать краткосрочный прогноз количества повреждений ТОТ ПГ на различную глубину дефектов, а также прогноз количества ТОТ, подлежащих глушению.

Сравнительный анализ вероятностных законов распределения для описания длительности безотказной работы ТОТ ПГ

Длительность безотказной работы энергетического оборудования представляет собой случайную величину, значение которой зависит от большого числа факторов, например, свойств используемых материалов, условий окружаю­щей среды, режимов работы элементов оборудования, водно-химического режима и т.д. Определение  ве­роятностной модели для длительности безотказной работы оборудования и полу­чение оценок ее параметров необходимо для прогнозирования надежности, разработки оптимальной мето­дики начальной приработки, составления календарных графиков ремонта, планирования программ испытаний на надежность и т. д.

Рассмотрим возможность описания  времени безот­казной работы ТОТ ПГ с помощью некоторых наиболее часто используемых законов (нормального, равномерного, экспоненциального, Вейбулла), описываемых  соответствующими плотностями распределения [9]:

 (3.1)

где μ , σ, λ, b, tГ , t0 – параметры распределений.

Часто имеет смысл рассматривать функцию, дающую вероят­ность отказа за очень короткий промежуток времени при условии, что до этого момента отказов не было. Эта функция, называемая интенсивностью отказов (ее называют также условной функцией отказов или интенсивностью выхода из строя), имеет вид:

 (3.2)

где F(t) — функция распреде­ления длительности безотказной работы, [1‑F(t)] - вероятность безотказной работы.

Интенсивность отказов, свойственная многим явлениям, вклю­чая человеческую жизнь, часто имеет  «корытообразную» форму. Для начального периода интенсивность отказов h (t) может быть относительно велика вследствие так называемых приработочных отказов, т.е. ранних отказов, зачастую вызываемых производственными дефектами. За­тем интенсивность отказов h(t) убывает и остается почти постоянной до некоторого момента времени, после которого она возрастает вследствие появления износовых отказов. Интенсивность отказов, соответствующую определенной плот­ности распределения, можно найти непосредственно с помощью фор­мулы (3.2) по известным выражениям f(t) (3.1) и F(t). На рисунках 3.1, 3.2, 3.3 приведены графики плотностей распределения, функций распределения и интенсивности отказов для различных законов: нормального (для  заданных параметров μ=5, σ = 1); равномерного (на интервале t1=0, t2=10); экспоненциального (с параметром λ=0.1); Вейбулла (с двумя вариантами параметров  b и tг : 1) b=5, tг=10, t0=0; 2) b=0.5, tг=100, t0=0).

Нормальное распреде­ление может оказаться неприемлемым в качестве статистической модели для времени безотказной работы, поскольку нормально рас­пределенная случайная величина может принимать отрицательные значения; применение равномерного распределе­ния в качестве статистической модели ограничено, поскольку существует определенный верхний предел, до которого должен произойти отказ оборудования (на рисунке 3.3 это время равно 10 лет).;  экспоненциальное распределение не позволяет учитывать реальное изменение интенсивности отказов, которая остается постоянной на всем интервале времени. Кроме того, экспоненциальное распределение совпадает с распределением Вейбулла при b=1.

Рисунок 3.1 – Плотность распределения длительности  безотказной работы для различных законов

Рисунок 3.2 – Функции распределения длительности безотказной работы

Рисунок 3.3 – Интенсивность отказов для различных законов распределения

 Из работы [10] на основании экспериментальных данных повреждений теплообменных труб парогенераторов АЭС с реакторами PWR следует, что наиболее приемлемым законом распределения вероятностей для описания времени безотказной работы оборудования является распределение Вейбулла, позволяющее при различных значениях параметров tГ и b учитывать «корытообразную» форму интенсивности отказов, что хорошо видно на рисунке 3.3.  Следует отметить, что параметр b - это параметр формы, определяющий наклон функции распределения, а tГ – пространственный параметр или характеристическое время, соответствующее повреждению допускаемого количества ТОТ ПГ (63.2% от общего количества ТОТ).

Для распределения Вейбулла справедливы выражения:

 (3.3)

 (3.4)

Для определения параметров распределения b и tГ запишем выражения функции распределения Вейбулла для двух значений времени безотказной работы t1 и t2:

 (3.5)

 (3.6)

После преобразования (3.5 и 3.6) и логарифмирования выражения вероятности безотказной работы (1-Fi(ti))  получим:

 (3.7)

Определим параметр tГ из выражений (3.7) и приравняем их:

 (3.8)

откуда получим

 (3.9)

Для определения параметра формы распределения b прологарифмируем выражение (3.9):

 (3.10)

Из выражения (3.7) для конкретного интервала времени и соответствующего значения F(ti) можно получить параметр tГ с учетом ранее определенного параметра b:

 (3.11)

Воспользуемся выведенными выражениями для параметров распределения Вейбулла b и tГ для статистических данных, приведенных в [10]. На рисунке 3.4 приведены графики вероятности повреждения ТОТ ПГ на АЭС с PWR, где по оси ординат фиксируется оценка вероятности повреждений ТОТ ПГ, рассчитываемая в соответствии с выражением:

 (3.12)

Здесь t - длительность эксплуатации ТОТ ПГ; Nзтот – количество заглушенных ТОТ после эксплуатации в течение t лет; Nсум – суммарное количество ТОТ в парогенераторе.

При допущении, что t=tГ и t0=0 получим из формулы 3.3 и:

, (3.13)

то есть, параметр масштаба представляет собой время, при котором функция распределения достигает значения вероятности 0,632.

После преобразования функции Вейбулла (3.13) получим:

. (3.14)

Двойной логарифм от преобразованной функции распределения Вейбулла:

 (3.15)

представляет собой линейную зависимость от функции времени, зависящую от параметров распределения b и tГ.

Выражение (3.15) с учетом рассчитанных по данным ВТК значений F*(ti) и оценок параметров распределения b* и tГ* запишется в виде:

. (3.16)

Выражение (3.16) используется далее для проверки применимости закона Вейбулла для аппроксимации экспериментальной интегральной функции и определению временного интервала, на котором необходимо определять параметры распределения.

Разработан алгоритм формализованного определения оценок параметров b* и tГ* по результатам контроля ТОТ ПГ, используемых далее для прогнозирования поврежденных (заглушенных) трубок [11,12].

Прогноз количества повреждений ТОТ ПГ с использованием распределения Вейбулла сводится к: определению оценок параметров b* и tГ* на интервале времени (t0, t), расчету количества поврежденных (заглушенных) ТОТ ПГ внутри выбранного временного интервала и за его пределами, оценки точности результатов прогноза.

Параметры функции распределения Вейбулла можно рассчитать по выражениям 3.10 и 3.11.

По найденным параметрам Вейбулла рассчитываются суммарные значения заглушенных или поврежденных ТОТ Nрасч(t) в каждый момент времени ti по формуле:

 . (3.17)

Значения параметров Вейбулла b* и tг* существенно зависят от выбора конкретного интервала времени (t1, t2), входящего в уравнение (3.10).

Относительные погрешности отклонения данных эксплуатационного контроля N птот(ti) от результатов аппроксимации с помощью функции Вейбулла N расч(ti) определятся по выражению:

. (3.18)

Принято допущение, что максимальная погрешность из рассчитанных погрешностей (3.18) не должна превышать некоторого заранее заданного значения. Если это условие не выполняется, то следует скорректировать интервал времени, на котором осуществляется расчет. Предлагаемый подход позволяет в процессе обработки данных эксплуатационного контроля уточнять время отсчета для прогнозирования количества заглушенных или поврежденных труб.

Прогноз суммарного количества заглушенных ТОТ ПГ для фиксированного времени эксплуатации ПГ можно рассчитать с использованием ранее обоснованных оценок параметров распределения по выражению (3.17).

Критерием точности рассчитанных значений (3.17) является доверительный интервал с шириной ΔN:

. (3.19)

Таким образом, для оценки точности прогноза используется доверительный интервал, ширина которого зависит от ряда факторов (среднего квадратического отклонения, объема экспериментальных данных, заданной доверительной вероятности, закона распределения).

Ядерное топливо - это комплект тепловыделяющих сборок (ТВС), конструктивно объединяющих тепловыделяющие элементы (твэлы), в полости оболочек которых размещены ЯДМ в виде топливной матрицы. Это дробление ЯДМ обеспечивает размещение в реакторе большого количества ЯДМ, стержней системы управления и защиты реактора (СУЗ) с поглотителем нейтронов, и возможность отвода тепла от твэлов, нагревающихся за счёт торможения в матрице осколков деления ядер ЯДМ, разлетающихся изначально с большой скоростью
Меры по повышению безопасности атомной станции