Автоматизация энергоблока АЭС с ВВЭР-1000 (стр. 3 из 19)

- 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.

1.2.2 Выбор обобщающих параметров для описания эффектов водно-химического режима

Наибольший масштаб негативных последствий при реализации локальных коррозионных процессов вызывают хлоридо-кислородное коррозионное растрескивание (ХКР) аустенитных хромоникелевых сталей (АХНС), водородное орупчивание углеродистых сталей перлитного и мартенситного классов и коррозионная усталость. В ГОСТ 5272-68 (Коррозия металлов. Термины и определения) утверждается, что КР – это «коррозия металла при одновременном воздействии на металл коррозионной среды и внешних или внутренних механических напряжений растяжения с образованием межкристаллитных или транскристаллитных трещин». Определение коррозии под напряжением (КПН) интерпретируется в том же документе как «коррозия металла при одновременном воздействии коррозионной среды и постоянных или переменных механических напряжений». Следует обратить внимание именно на одновременность действия по крайней мере двух независимо протекающих процессов повреждения.

Впервые случай ТКР АНС в публикациях был отмечен в 1920 г. [5]. К настоящему времени число публикаций по проблеме КР близко к 105 с изложением более 50 вариантов моделей, механизмов и математических интерпретаций этого весьма непростого явления природы.

1.2.3 Трубный пучок кипящего теплообменника

Из статистической физики и из экспериментов известно, что распределение отказов однотипных элементов, находящихся в эксплуатации с одинаковыми характеристиками режимов, подчиняется закону нормального распределения (следствие №1 из Центральной предельной теоремы). Следовательно, текущему значению относительного суммарного числа заглушенных теплообменных трубок Pk в парогенераторе будет соответствовать интеграл вероятности Фk на момент наработки tk .

В [6] изложена методика расчета динамики отказов однотипных элементов из стали марки 08Х18Н10Т применительно к трубным пучкам кипящих теплообменников. В этом случае уже вводится критерий отказа уже не для металла, а в целом для теплообменника: его работоспособное состояние продолжается только до исчерпания технологического запаса теплообменных трубок.

В частности, для кинетики числа повреждений стали марки 08Х18Н10Т был выявлен экспериментально и теоретически обоснован нормальный закон распределения. В формулу для вычисления аргумента интеграла вероятности кроме экспозиции входит также концентрация хлорид-иона. Процедура вычисления прогнозируемого числа теплообменных рубок со сквозными повреждениями сводится к следующей последовательности операций.

Относительные величины суммарного числа поврежденных трубок с фиксированными наработками регистрации дефекта рассматриваются как ряд значений интеграла вероятности. Для этого ряда находятся табличные значения аргумента Хi по известным значениям интеграла вероятности Фk. Затем по известным интервалам времени между двумя последовательными отборами проб воды на анализ химического состава, с одной стороны, а также измеренными концентрациями хлорид-иона в каждой пробе формируется система несовместных уравнений типа (1.1)

(1.1)

Эта система решается методом наименьших квадратов относительно средних значений a и b. Прогноз суммарного количества поврежденных трубок парогенератора делается на основе:

- наперед заданного на определенный срок эксплуатации значения концентрации хлорид-иона;

- известных средних значений a и b;

- рассчитанного значения эксплуатационного фактора на дату прогноза

- табличные значения аргумента интеграла вероятности (Фпр)i на дату прогноза.

Полученные коэффициенты a и b используются для построения нового уравнения

(1.1а)

где

и – соответственно, интервал времени от даты, когда делается прогноз до даты, на которую желательно знать полное число теплообменных трубок со сквозными дефектами и предполагаемая средняя концентрация хлорид-иона в воде в пределах этого интервала времени.

После этого по таблицам по найденному значению аргумента интеграла вероятности

находится соответствующее значение интеграла вероятности (Фпр)i+1. Эта относительная суммарная ожидаемая величина поврежденных теплообменных трубок затем умножается на полное число трубок в парогенераторе.

В итоге получаем суммарное число теплообменных трубок на дату прогноза по наперед заданным наработке и средней концентрации хлорид-иона в воде парогенератора.

Экспозицию до наступления предельного состояния трубной системы парогенератора – исчерпания технологического запаса теплообменных трубок – можно найти, решая (1.5а) относительно τост при заданном значении (CCl- )ост.

(1.1б)