CC BY
35
УДК 53.083.9
ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
© 2017 В.П. Поваров, М.Б. Бакиров, А.Д. Данилов
В статье рассмотрена система многопараметрического непрерывного мониторинга эксплуатационной повреждаемости критических элементов ядерных установок, относящаяся к программно--аппаратным техническим комплексам обеспечения надежности и безопасности объектов повышенной опасности. Практический результат применения системы - возможность осуществления текущей диагностики технического состояния объекта контроля в части оценки целостности металла. Оценка напряженно-деформированного состояния разрушающегося элемента строится на базе трехмерной конечно-элементной модели, расчетное ядро которой калибруется по данным натурных измерений, полученных с дополнительно установленных в критических зонах контрольных датчиков. Программа для расчетно-экспериментального анализа нагруженности и живучести контролируемой критической зоны является центральным ядром системы непрерывного мониторинга. Накопленная за определенный промежуток времени база знаний по поведению мониторируемого оборудования в различных режимах эксплуатации и соответствующий комплексный анализ напряженно-деформированного состояния и поведения дефектности позволяют разработать эффективные компенсирующие мероприятия
Ключевые слова: мониторинг, критические элементы, диагностика, напряженно-деформируемое состояние, параметры нагружения, конечно-элементная модель, база знаний
Введение
Система многопараметрического непрерывного мониторинга эксплуатационной повреждаемости критических элементов ядерных установок относится к программно-аппаратным техническим комплексам обеспечения надежности и безопасности объектов повышенной опасности, в частности атомных электростанций (АЭС).
Накопленный опыт эксплуатации показывает, что существуют критические элементы (узлы, зоны, сварные соединения), склонные к повышенной повреждаемости в условиях действия высоких эксплуатационных нагрузок, в том числе непроектных, и негативного влияния окружающей среды. При наличии таких динамично развивающихся эксплуатационных повреждений в критических элементах АЭС в опасных с точки зрения обеспечения безопасности эксплуатации энергоблока зонах, главной задачей становится поиск коренных причин дефектообразования и исключение повторения подобных случаев в будущем. В такой ситуации возникает опасность нарушения целостности оборудования при работе энергоблока на мощности с появлением течи теплоносителя и перспективой развития исходного сквозного дефекта до критических размеров.
Поваров Владимир Петрович - НВАЭС, канд. техн. наук, директор, e-mail: [email protected] Бакиров Мурат Баязитович - ООО «НСУЦ "ЦМиР"», д-р техн. наук, генеральный директор, e-mail: [email protected]
Данилов Александр Дмитриевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected]
Именно в таких случаях в качестве эффективной компенсирующей меры предлагается использовать предлагаемое техническое решение, заключающееся в многопараметрическом непрерывном мониторинге эксплуатационной повреждаемости критических элементов оборудования.
Постановка задачи
Анализ различных случаев повреждений показывает, что при этом, как правило, сказывается влияние всевозможных конструктивных особенностей оборудования, вариативности параметров термосилового нагружения, комплексности повреждающих факторов. Комплексная причина повреждений схематично может быть продемонстрирована модифицированной диаграммой Вена (The Venn diagram) (см. рис. 1). Но, несмотря на это, конечный наблюдаемый результат всегда один - образование и развитие эксплуатационной трещины, представляющей собой угрозу конструкционной целостности рассматриваемого элемента. Именно на такие трещины главным образом и должны быть ориентированы системы непрерывного мониторинга эксплуатационной повреждаемости как наиболее эффективные средства, позволяющие сделать процесс образования и роста дефектов в критической зоне контролируемым во времени. Главное преимущество подобных систем - их универсальность, благодаря чему они могут быть легко адаптированы для мониторинга практически любой проблемной зоны любого оборудования, включая трубопроводы.
• Деградация (изменение) свойств материала в следствие теплового и деформационного старения
• Охрупчивание
• Локальная неоднородность структуры,
химического состава и свойств
• Термообработка
• Химический состав и концентрация примесей
• Температура, с учетом градиента изменения во времени
• Электродно-коррозионный потенциал
• Поверхностные отложения
• Скорость течения
• Давление
• Механические нагрузки
• Температурные напряжения/деформации при нестационарных режимах эксплуатации
• Остаточные напряжения
• Технологические дефекты и конструктивные концентраторы напряжений
• Глубина трещин
Рис. 1. Схема анализа механизмов эксплуатационных повреждений оборудования АЭС
Система мониторинга
Практический результат применения системы мониторинга - возможность осуществления текущей диагностики технического состояния объекта контроля в части оценки целостности металла. Кроме этого, повышается точность определения напряжений в объекте контроля, так как точность конечно-элементного расчета по откалиброванной по данным фактических измерений деформации и перемещения выше точности расчета по аппроксимирующим формулам, следовательно, оценка напряженно-деформированного состояния более объективная, поскольку расчет строится на базе трехмерной конечно-элементной модели, расчетное ядро которой калибруется по данным натурных измерений.
При этом все датчики соединены каналами связи с модулем сбора и первичной обработки данных, связанных с блоком хранения и передачи данных с установленным на нем программным обеспечением, позволяющим осуществлять дистанционно в автоматическом ре-
жиме управление системой, включая сбор, хранение и передачу данных, отображение и экспресс-анализ контролируемых параметров в режиме реального времени. Расчетный модуль включает трехмерную конечно-элементную модель и выполнен с возможностью сопоставления данных мониторинга образования и развития дефектов эксплуатационной повреждаемости оборудования атомной электростанции в режиме реального времени с текущим состоянием оборудования и эксплуатационными режимами его работы. Структурная схема предлагаемой системы многопараметрического непрерывного мониторинга представлена на рис. 2.
Калибровка модели
Расчетное ядро трехмерной конечно-элементной модели выполнено с возможностью калибровки по данным измерений, полученных дополнительно с контрольных датчиков, установленных в критических зонах.
Рис. 2. Структурная схема системы многопараметрического непрерывного мониторинга
Сопоставление расчетных и измеренных данных (параметров)
у 1) - Данные не совпадают 2^'-Данные совпадают
Сопоставление расчетных и измеренных данных при 1 изменении одного параметра
-I-
_£_
Сопоставление расчетных . и измеренных данных при I* 1 У* изменении двух или более параметров -Г
Требуется отладка расчетого модуля
Доработка расчетного модуля
Конечно^лементная модель работоспособна, процессы моделируются достоверно
Рис. 3. Алгоритм калибровки трехмерной конечно-элементной модели
С учетом многофункциональности задач, выполняемых системой многопараметрического непрерывного мониторинга эксплуатационной повреждаемости оборудования АЭС, и с целью унификации отдельных конструктивных блоков в системе могут быть применены в качестве базы ее построения многоканальные микропроцессорные измерительные модули, в том числе и на шасси National Instruments, собранные в единый комплекс. Блок хранения и передачи данных представляет собой промышленный высокопроизводительный сервер, выполняющий функции хранения и резервирования данных. Через блок хранения и передачи данных при помощи программного обеспечения осуществляется дистанционное управление системой многопараметрического непрерывного мониторинга эксплуатационной повреждаемости оборудования АЭС, включая контроль параметров окружающей среды, периодическую проверку работоспособности подсистем и их измерительных каналов, а также сбор, хранение и передачу данных. Все данные мониторинга записываются в автоматическом режиме и затем по линии Internet передаются в удаленный аналитический центр для обработки и детального анализа.
Параллельно с получением диагностических данных, записываемых системой непрерывного мониторинга, также выполняется рас-четно-экспериментальное обоснование прочности и долговечности критической зоны на базе трехмерной конечно-элементной расчетной модели. Программа для расчетно-экспериментального анализа нагруженности и живучести контролируемой критической зоны является центральным ядром системы непрерывного мониторинга. Трехмерная конечно-элементная расчетная модель содержит узлы в зонах размещения контрольных датчиков системы непрерывного мониторинга, в которых расчетные данные могут сравниваться с данными измеренных значений контролируемых параметров. Укрупненный алгоритм калибровки трехмерной конечно-элементной модели представлен на рис. 3.
Калибровка модели производится путем сравнения расчетных данных и измеренных параметров в различных эксплуатационных режимах работы и при различных уровнях нагружения объекта контроля. В качестве параметров нагружения объекта контроля берутся фактические данные по давлениям и температурам, регистрируемые штатными датчиками реакторной установки, также датчиками систе-
мы непрерывного мониторинга. Если удовлетворительное совпадение расчетных и измеренных параметров не получено, то выполняется доработка расчетной программы, уточнение геометрии объекта контроля, сгущение конечно-элементной сетки в определенных зонах, корректировка граничных условий и др. с целью совершенствования расчетного ядра. Как правило, после нескольких подобных итераций достигается совпадение расчетных и измеренных параметров, что свидетельствует о работоспособности конечно-элементной модели и адекватности моделирования процессов нагру-жения при прохождении различных эксплуатационных режимов.
После отладки и калибровки модели расчетное ядро включается в параллельную работу совместно со сбором данных мониторинга. Работа системы мониторинга позволяет в режиме реального времени оценивать место образования и кинетику развития эксплуатационных дефектов, а посредством расчетного анализа имеется возможность получать картину распределения напряжений в зоне мониторинга в любой момент времени на основе фактических параметров нагружения. В конечном итоге это позволяет оценить фактическую накопленную повреждаемость с учетом зафиксированных циклов эксплуатационного нагружения, а также дать обоснованный прогноз по долговечности и живучести объекта мониторинга. Таким образом, в процессе мониторинга собирается вся история нагружения. Помимо этого, все события, фиксируемые системой многопараметрического непрерывного мониторинга эксплуатационной повреждаемости оборудования АЭС, сопоставляются с эксплуатационными режимами, имеющими место в рассматриваемый момент времени, их характеристиками, технологическими особенностями. Это позволяет получить устойчивую обратную связь зависимости поведения дефектности металла от технологических факторов и параметров и установить причинно-следственные связи, отвечающие за образование и рост дефектов.
Заключение
Накопленная за определенный промежуток времени база знаний по поведению мони-торируемого оборудования в различных режимах эксплуатации и соответствующий комплексный анализ напряженно-деформированного состояния и поведения дефектности позволяют разработать эффективные компенсирующие мероприятия, направленные
на снижение влияния основных повреждающих факторов и повышение долговечности объекта мониторинга.
Литература
1. Разработка технологии непрерывного акустико-эмиссионного мониторинга эксплуатационной повреждаемости металла ответственного оборудования атомных станций / М.Б. Бакиров, В.П. Поваров, А.Ф. Громов, В.И. Левчук // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 2014. - № 3. - С. 15-24.
2. Анализ эксплуатационной нагруженности узла приварки коллектора к патрубку парогенератора ПГВ-1000М при нестационарных термосиловых воздействиях / М.Б. Бакиров, А.С. Киселев, В.И. Левчук, В.П. Поваров, А.Ф. Громов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10.- № 6.- С. 111117.
3. Разработка технологии непрерывного акустико-эмиссионного мониторинга эксплуатационной повреждаемости металла ответственного оборудования атомных
станций / М.Б. Бакиров, В.П. Поваров, А.Ф. Громов, В.И. Левчук // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 2014. - № 3.- С. 15-24.
4. Расчетно-экспериментальная оценка влияния термической стратификации на эксплуатационную нагру-женность дыхательного трубопровода энергоблока № 5 Нововоронежской АЭС / В.П. Поваров, О.В. Уразов, М.Б. Бакиров, В.И. Левчук // Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. - 2017. - № 1. - С. 5-16.
5. Данилов А.Д. Цифровые системы управления / А.Д. Данилов, В.Н. Головнев. - Воронеж: ВГЛТА, 2007. -235 с.
6. Данилов А.Д. Микропроцессорные элементы и устройства локальной автоматики / А.Д. Данилов. - Воронеж: ВГЛТА, 2005. - 267 с.
7. Данилов А.Д. Технические средства автоматизации / А.Д. Данилов. - Воронеж: ВГЛТА, 2007. - 340 с.
8. Данилов А.Д. Математическое обеспечение распределенных вычислений гетерогенных динамических параметров систем в режиме реального времени / А.Д. Данилов, А.В. Пилеич. - Воронеж: ВГТУ, 2015.- 160 с.
Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция»
ООО «Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники "Центр материаловедения и ресурса"», г. Жуковский Воронежский государственный технический университет
PROGRAM-TECHNICAL COMPLEX OF CONTINUOUS MONITORING OF OPERATING DAMAGE TO EQUIPMENT OF NUCLEAR ENERGY INSTALLATIONS
V.P. Povarov1, M.B. Bakirov2, A.D. Danilov3
'PhD, Director, The branch of JSC "Concern Rosenergoatom" "Novovoronezh nuclear power plant", Novovoronezh,
Russian Federation, e-mail: PovarovVP@nvnppl .rosenergoatom.ru 2Full Doctor, Director, "Center of materials and resource", Moscow, Russian Federation,
e-mail: [email protected] 3Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
The article deals with the system of multi-parameter continuous monitoring of operational damageability of critical elements of nuclear installations, which relates to software and hardware technical systems for ensuring the reliability and safety of high-risk facilities. The practical result of the application of the system is the possibility of realizing the current diagnostics of the technical condition of the control object with regard to the evaluation of the integrity of the metal. The evaluation of the stressed-deformed state of the collapsing element is based on a three-dimensional finite element model, the calculated core of which is calibrated according to the field measurements obtained from additional control sensors installed in critical areas. The program for calculation and experimental analysis of the loading and survivability of the controlled critical zone is the central core of the continuous monitoring system. Accumulated for a certain period of time, the knowledge base on the behavior of the monitored equipment in various operating modes and the corresponding complex analysis of the stress-strain state and the behavior of defectiveness make it possible to develop effective compensating measures
Key words: monitoring, critical elements, diagnostics, stress-strain state, loading parameters, finite element model, knowledge base
References
1. Bakirov M. B., Povarov V. P., Gromov A. F., Levchuk V.I. "Development of the technology of continuous acoustic-emission monitoring of the operational damageability of the metal of the critical equipment of nuclear power plants", Izvestia Vys-shikh Uchebnykh Zawedeniy. Yadernaya Energetika, 2014, no. 3, pp. 15-24.
2. Bakirov, M. B., Kiselev A. S., Levchuk V. I., Povarov V. P., Gromov A.F. "Analysis of the operational loading of the co l-lector welding unit to the branch pipe of the steam generator PGV-1000M under non-stationary thermal-force impacts", The Bulletin of Voronezh State Technical University, 2014, vol. 10, no. 6, pp. 111-117.
3. Bakirov M. B., Povarov V. P., Gromov A. F., Levchuk V. I. "Development of the technology of continuous acoustic-emission monitoring of the operational damageability of the metal of the critical equipment of nuclear power plants", Izvestia Vys-shikh Uchebnykh Zawedeniy. Yadernaya Energetika, 2014, no. 3, pp. 15-24.
4. Povarov V. P., Urazov O. V., Bakirov M. B., Levchuk V. I. "Calculation and experimental estimation of the effect of the r-mal stratification on the operational loading of the respiratory pipeline of the 5 th unit of the Novovoronezh NPP", Izvestia Vysshikh Uchebnykh Zawedeniy. Yadernaya Energetika, 2017, no. 1, pp. 5-16
5. Danilov A. D., Golovnev V. N. "Digital control system" ("Tsifrovye sistemy upravleniya"), Voronezh, Voronezh State Forestry Engineering University Named after G.F. Morozov, 2007, 235 p.
6. Danilov A. D. "Microprocessor elements and devices of local automatic" ("Mikroprotsessornye elementy i ustroystva loka-l'noy avtomatiki"), Voronezh, Voronezh State Forestry Engineering University Named after G.F. Morozov, 2005, 267 p.
7. Danilov A. D. "Technical means of automation" ("Tekhnicheskiye sredstva avtomatizatsii"), Voronezh, Voronezh State Forestry Engineering University Named after G.F. Morozov, 2007, 340 p.
8. Danilov A. D., Pileich A. V. "Software for distributed computing of heterogeneous dynamic parameters of the system in real time" ("Matematicheskoe obespecheniye raspredelennykh vychisleniy geterogennykh dinamicheskikh parametrov sistem v rezhime real'nogo vremeni"), Voronezh, Voronezh State Technical University, 2015,160 p.
