CC BY
12Статистический анализ данных о повреждениях узла приварки коллектора к патрубку
парогенератора АЭС с ВВЭР
ПоваровВ.П.*, Саакян С.П**, ЧепуркоВ.А.**
* Филиал АО «Концерн Росэнергоатом» «Нововоронежская атомная станция» (Нововоронежская АЭС), Воронежская область, г. Нововоронеж. ** ИАТЭ НИЯУМИФИ, Калужская область, г. Обнинск.
Поваров Владимир Петрович - Нововоронежская АЭС,заместитель генерального директора, к. т. н, e-mail: PovarovVP@nvnpp1.rosenergoatom.ru
Саакян Сурен Петросович - доцент отделения интеллектуальных кибернетических систем, к.т.н. e-mail:s_saakian@mail.ru
Чепурко Валерий Анатольевич - доцент отделения интеллектуальных кибернетических систем, к.ф.-м.н.
Ключевые слова. Парогенератор, коллектор, повреждение, зона сварного соединения.
Обоснование безопасно 1 эксплуатации отдельных узлов и оборудования АЭС является весьма актуальной задачей в настоящее время. Парогенератор АЭС относится к этому классу устройств, влияющих на безопасность АЭС. В статье исследуются и анализируются данные о повреждениях узла приварки коллектора к патрубку парогенератора АЭС с ВВЭР-1000.
Значительную долю в объеме выработки электроэнергии в нашей стране занимает атомная энергетика. Окончание проектного срока службы действующих АЭС, а также увеличение сроков эксплуатации вновь проектируемых АЭС до 60 лет обусловливают необходимость разработки новых подходов к обеспечению надежной и безопасной работы наиболее ответственных элементов оборудования АЭС. В этой связи актуальными являются задачи определения показателей надежности и обоснование продления срока службы элементов оборудования АЭС.
Эксплуатация АЭС на протяжении длительного периода времени позволила накопить большие объемы информации по различным аспектам работы атомных станций. Из анализа опыта эксплуатации атомных станций становится очевидным, что отдельные элементы оборудования АЭС подвержены образованию эксплуатационных повреждений, имеются абсолютно на всех эксплуатируемых блоках АЭС, несмотря на различные проекты, производители, конструкционные материалов. Развитие эксплуатационных повреждений, как правило, влияют как проектные решения (геометрия, технология изготовления, свойства металла), так
и нагрузки в период эксплуатации - свойства рабочей среды (водная химия, отложения, продукты коррозии и др.).
В настоящее время значительную часть энергоблоков АЭС РФ составляют водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР). Остаточный ресурс энергоблока в первую очередь зависит от основного оборудования (реактор, парогенератор, компенсатор давления, главный циркуляционной насос, главные циркуляционные и дыхательные трубопроводы и др.). На энергоблоках ВВЭР-1000 одной из наиболее критических зон является узел приварки коллектора теплоносителя к патрубку парогенератора ПГВ-1000М - зона сварного соединения (СС) №111. В указанной зоне регулярно на различных энергоблоках АЭС зафиксированы случаи обнаружения протяженных недопустимых трещин, в том числе сквозных. Решение проблемы растрескивания СС №111 ПГВ-1000М является одним из приоритетных направлений повышения надежности и безопасности эксплуатации энергоблоков ВВЭР-1000.
В настоящее время в отраслевом масштабе реализуются компенсирующие мероприятия, направленные на снижение эксплуатационной повреждаемости СС №111 ПГВ-1000М, которые включают ежегодную химическую отмывку «карманов» коллекторов парогенераторов (ПГ), совершенствование водно-химического режима, модернизацию системы продувки ПГ, мероприятия по замене медьсодержащего оборудования во втором контуре, проведение ежегодного ультразвукового контроля металла с привлечением независимых экспертных организаций и др. Задачи определения эксплуатационных повреждений СС №111 ПГВ-1000М и предупреждения появления недопустимых дефектов на этапе эксплуатации реакторной установки являются крайне актуальными, особенно в период сверхпроектного срока службы энергоблока АЭС. [3]
Коллекторы теплоносителя первого контура условно разделяются на «горячий» и «холодный». К «горячему» коллектору осуществляется подвод теплоносителя от реактора, а из «холодного» коллектора после охлаждения в ПГ теплоноситель отводится на всос главного циркуляционного насоса. Сварное соединение №111 представляет собой узел приварки коллектора теплоносителя первого контура к патрубку Ду 1200 ПГ (рис. 1).
Рис. 1 - патрубок Ду 1200 ПГ; 2 - СС №111; 3 - коллектор ПГ; 4 - «карман» коллектора ПГ; 5 - патрубки периодической продувки Ду 20. Рис. 1.2 - Узел приварки коллектора теплоносителя первого контура к патрубку Ду 1200 парогенератора ПГВ-1000М
В табл.1 приведены статистические данные по повреждениям узлов приварки горячего и холодного коллекторов к патрубку ПГ в зоне СС №1111 энергоблоков ВВЭР-1000.[4]
Таблица1
Повреждения узла на парогенераторах ПГВ-1000_
№ п/ п Год обнару жения АЭС №ПГ, Изготовитель, год №№ блока и ПГ на АЭС ПГ на АЭС: (Монтаж, Замена, Год) Наработка до повреждения, лет Вид дефекта, длина, мм
1 1998 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №28 Атоммаш 1987 5ПГ-1 Замена 1989 9 лет Продольна ятрещина, Ь=330
2 2001 ЮУАЭС В-302 Пуск 1989 №35 Атоммаш 1988 1ПГ-1 Замена 1989 12лет Продольна ятрещина, Ь=310
3 2001 ЮУАЭС В-302 Пуск 1989 №36 Атоммаш 1988 1ПГ-2 Втораязамен а 1989 12 лет Продольна ятрещина, Ь=1315
4 2001 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №40 Атоммаш 1987 5ПГ-3 Замена 1989 12лет Продольна ятрещина, Ь=375
5 2003 ЮУАЭС В-302 №29 Атоммаш 1998 1ПГ- 1 Замена 1989 14 лет Поперечна ятрещина, Ь=1230
6 2003 ЮУАЭС В-302 №36 Атоммаш 1ПГ-2 Втораязамен а 14 лет Поперечна ятрещина,
№ Год АЭС №ПГ, №№ ПГ на АЭС: Наработка Вид
1998 1989 Ь=650
7 2004 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №28 Атоммаш 1987 5ПГ-1 Замена 1989 15 лет Продольна ятрещина, Ь=70
8 2006 Балак. В-320 Пуск 1985 ЗиО 04.1990 1ПГ-1 Замена 1990 16 лет Продольно-поперечная трещина, Ь=490
9* 2006 Кал. В-302 Пуск 1984 ЗиО 1981 1ПГ-3 Монтаж 1984 22 года Продольна ятрещина Ь=540
10 2007 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №27 Атоммаш 1987 5ПГ-2 Замена 1989 18 лет Продольно- поперечная трещина Ь=124, Ь=177
11 2007 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №42 Атоммаш 1987 5ПГ-4 Замена 1989 18 лет Продольная трещина Ь=181
12 2007 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №42 Атоммаш 1987 5ПГ-4 Замена 1989 18 лет Продольная трещина Ь=85
13 2009 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №42 Атоммаш 1987 5ПГ-4 Замена 1989 20 лет Продольная трещина Ь=40
14 2009 ЗАЭС В-320 Пуск 1991 №49 1989 2ПГ-1 Монтаж 1991 19лет Продольно-поперечная трещина Ь=820
15 * 2010 ЗАЭС В-320 Пуск 1991 №48 Атоммаш 1989 2ПГ-2 Монтаж 1991 20год Продольно-поперечная трещина Ь=1040
16 2010 Балак. В-320 Пуск 1985 ЗиО 04.1990 1ПГ-1 Замена 1990 20лет Продольно-поперечная трещина Ь=1680
№ Год АЭС №ПГ, №№ ПГ на АЭС: Наработка Вид
177 2010 Балак. В-320 Пуск 1985 ЗиО 04.1990 1ПГ-1 Замена 1990 20лет Продольная трещина Ь= 580
18 * 2011 Балак. В-320 Пуск 1985 ЗиО 04.1990 1ПГ-4 Замена 1990 21год Продольно-поперечная трещина, Ь=490
19 2013 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №28 Атоммаш 1987 5ПГ-1 Замена 1989 24 года Продольна ятрещина Ь=510
20 * 2013 Балак. В-320 Пуск 1985 ЗиО 04.1990 1ПГ-4 Замена 1990 23 года Продольно-поперечная трещина, Ь=490
21 2014 НВАЭС В-187 Пуск 1980 №27 Атоммаш 1987 5ПГ-2 Замена 1989 25 лет Продольна ятрещина Ь=128
*- повреждения на холодном коллекторе.
До 2006 г. все повреждения имели место только в узлах приварки «горячего» коллектора к патрубку ПГ в зоне СС №111-1. Однако, начиная с 2006 г., наблюдается устойчивая тенденция к росту повреждаемости узлов приварки «холодного» коллектора к патрубку ПГ в зоне СС №111-2. По состоянию на 2015 г. зафиксировано четыре случая повреждения СС №111-2.
Повреждения в зоне СС №111 имеют место как на энергоблоках ВВЭР-1000 «малой» серии (проекты РУ В-187, В-302), так и на серийных энергоблоках ВВЭР-1000 (проект РУ В-320).
Исследование распределения длин трещин узлов приварки горячего и холодного коллекторов. Оценим с помощью ядерной оценки плотности распределение длин трещин. Для построения плотности распределения неотрицательной случайной величины применялся метод зеркального отображения [5].
Ядерная оценка плотности распределения длин трещин
L-Длина (мм)
Рис.2 - Ядерная оценка плотности распределения длин трещин
Описательная статистика длин трещин: минимальное значение 40, первая квартиль (25% точка) 178, медиана 490, среднее- 529.8 и максимальное значение 1680.
С помощью теста Шапиро-Уилка [1] проверим данные на соответствие данных нормальному закону распределения (значение статистики W = 0.88, а р = 0.012). Р-значение достаточно низкое, и предположение о нормальности распределения длин трещин возможно лишь только с уровнем значимости 0.01.
На следующем рисунке изображены распределения длин трещин для разных их типов (а - продольные, б - поперечные, в- продольно-поперечные).
Оценка распределения для разных типов трещин
1_-Длина (мм)
Рис. 3 - Оценка плотности распределения для различных тип трещин
Видно, что распределения для этих групп различаются.
На следующем рисунке показаны средние значения и разброс для этих трех групп.
Рис. 4 - Средние значения групп длин трещин ПГ
Для сравнения средних значений этих трех групп проведем дисперсионный анализ с помощью критерия Крускала-Уоллиса [2] (ё = 4.27, ёГ = 2, р = 0.12).
Р-значение так же достаточно низкое и позволяет говорить о том, что средние значения длин трещин для трех групп одинаковы только с уровнем значимости 0.01.
Зависимости длины трещины от возраста не обнаружено. Это заметно и по рисунку ,и по значениям оценок корреляции.
500
1000
1500
Рис. 5 - Зависимость длин трещин от возраста Исследование распределения наработки до отказа. Оценим с помощью ядерной оценки плотности распределение наработки до отказа. Здесь также для оценки плотности
X
распределения неотрицательной случайной величины применяется метод зеркального отображения.
Ядерная оценка плотности распределения наработки ПГ до отказа
Т-наработка (год)
Рис. 6 - Оценка плотности распределения наработок ПГ
Можно отметить бимодальность распределения. Связано это с тем, что наработок в интервале от 0 до 5 лет 5 штук, от 5 до 10 одна, от 10 до 15 шесть, от 15 до 20 тоже 6, больше 24 лет 4 наработки. Минимальное значение 1, первая квартиль (25% точка) 9.75, медиана 14.50, среднее- 13.50 и максимальное значение 25.
Применив тест Шапиро-Уилка для проверки гипотезы о том, что распределение наработок до отказа соответствует нормальному закону распределения (значение статистики W = 0.92, p = 0.08).
Поскольку P-значение недостаточно высокое и позволяет говорить о правильности гипотезы только с общепринятым уровнем значимости 0.05. С уровнем значимости 0.09 и выше распределение не является нормальным.
На следующем рисунке изображены распределения наработок для разных проектов реакторных установок.
T-наработка (год)
Рис. 7 - оценка плотности распределения наработки для различных проектов энергоблока.
Видно, что распределения для этих групп различаются. Если распределения групп В-320 и В-187 похожи, то распределение В-302 несколько иное.
На следующей диаграмме показаны средние и разброс для этих трех групп. Для группы В-302 разброс сравнительно мал, в то же время средние наработки для трех групп примерно одинаковы. Проверим значимо ли наше предположение о разнице дисперсий критерием Флигнера-Киллина (med chi-squared = 2.6, df = 1, p = 0.1). Разница дисперсий незначима.
B-187 B-302 B-320
Рис. 8 - Разброс средних значений
Проведем дисперсионный анализ с помощью критерия Крускала-Уоллиса, т.е. сравним средние значения для этих трех групп (chi-squared = 0.16, df = 2, p = 0.9). P-значение так же достаточно высокое и позволяет говорить о том, что средние значения наработок для трех групп одинаковы со всеми общепринятыми уровнями значимости.
Выводы
1. Приведено описание и статистические данные по повреждениям узлов приварки горячего и холодного коллекторов к патрубку ПГ в зоне СС №1111 энергоблоков ВВЭР-1000;
2. Выполнен анализ распределения длин трещин узлов приварки горячего и холодного коллекторов повреждениям;
3. Выполнен анализ распределения наработки до отказа узлов приварки горячего и холодного коллекторов повреждениям.
Литература
1. Степнов М. H. Статистические методы обработки результатов механических испытаний. Справочник. -М.: Машиностроение, 1985, с. 74.
2. Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. - М.: Физматлит, 2006. — 466-468 с.
3. Бакиров М.Б., Киселев А.С., Левчук В.И., Поваров В.П., Громов А.Ф. Анализ эксплуатационной нагруженности узла приварки коллектора к патрубку парогенератора ПГВ- 1000М при нестационарных термосиловых воздействиях // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2014. Том 10. №6. С. 111-117.
4. Н.Н. Нетяга, С.П. Саакян, В.П. Поваров Оценка рисков повреждения узла приварки коллектора к патрубку ПГ АЭС с ВВЭР//Известия Вузов. Ядерная энергетика №4. 2016. С.31-43
5. Определение характеристик надежности оборудования АЭС непараметрическими методами : диссертация кандидата технических наук : 05.13.01 / Зюляева Наталья Григорьевна; - Обнинск, 2009. - 177 с
