Тема 1.6. Коррозионностойкие стали для элементов оборудования водо-
1.11. Ресурс металла оборудования и трубопроводов АЭС и методы расчета
11.11.1 Ресурс металла оборудования и трубопроводов АЭС
Общие сведения о ресурсе. Под ресурсом эксплуатации понимают вре- мя наработки технического объекта от начала эксплуатации до наступления предельного состояния. Параметры, определявшие предельное состояния ме- талла оборудования и трубопроводов регламентируются нормативной доку- ментацией.
Для оборудования и трубопроводов АЭС предельное состояние насту- пает тогда, когда их прочность снижается до уровня, при котором коэффици- енты запаса прочности становятся ниже нормативных значений. Предельное состояние оценивают по различным параметрам, среди которых наиболее ти- пичными являются:
утонение стенки корпуса, сосуда или трубопровода под воздействи- ем коррозии, эрозии или другого вида износа до размеров, не предусмотрен- ных технической документацией;
необратимые изменения форм, вызванные пластическими деформа- циями, не предусмотренные технической документацией;
образование дефектов в металле.
Для количественной оценки параметров, характеризующих предельное состояние, используют меру ресурса. Мерой ресурса может быть время экс- плуатации, за которое изменение формы и геометрических параметров кон- струкции достигает недопустимых значений. Кроме того, за меру ресурса принимают предельно допустимое количество циклов термосилового нагру- жения конструкции, при котором обеспечивается сопротивление усталости с сохранением нормативных коэффициентов запаса прочности.
В тепловой и атомной энергетике используют следующие понятия сро- ка службы и ресурса эксплуатации технического объекта, конструкции или ее элементов.
К ресурсным характеристикам оборудования и трубопроводов АЭС от- носятся: количественные значения параметров долговечности (по ГОСТ 27.002: средний, гамма-процентный срок службы, средний, гамма- процентный ресурс), параметров старения или показателей по ГОСТ 27.002:
наработка, наработка на отказ, наработка между отказами, время на восста- новление, ресурс, срок службы, срок хранения, остаточный ресурс, назначен- ный ресурс, назначенный срок службы, назначенный срок хранения.
Назначенный срок службы объекта – календарная продолжительность работы объекта до окончания его эксплуатации, измеряемая в часах. Назна- ченный срок службы связан с темпами научно-технического прогресса и со- циально-экономическими условиями в данной отрасли.
Наработка – продолжительность или объем работы объекта
Примечание - Наработка может быть, как непрерывной величиной (продолжитель- ность работы в часах, километраж пробега и т.п.), так и дискретной величиной (число ра- бочих циклов, запусков и т.п.).
Наработка до отказа – наработка объекта от начала его эксплуатации или от момента его восстановления до отказа.
Назначенный ресурс – эксплуатационная наработка объекта, определя- емая с учетом назначенного срока службы. Назначенный ресурс измеряется в единицах наработки (число режимов эксплуатации, предельные величины коррозии, износа и т.п.).
Остаточный ресурс – продолжительность эксплуатации объекта от данного момента времени до наступления предельного состояния.
Индивидуальный остаточный ресурс – остаточный ресурс конкретного элемента конструкции, находящегося в эксплуатации.
Парковый ресурс – продолжительность эксплуатации однотипных по конструкции, маркам стали и условиям эксплуатации объектов, в пределах которой обеспечивается их безаварийная работа при соблюдении требований действующей нормативной документации, определяемая в тыс.часах.
Парковый ресурс паровых турбин зависит от давления свежего пара, электрической мощности и количества пусков и составляет, и определяется ресурсом ротора турбины.
Ресурс оборудования обеспечивается в процессе всего жизненного цикла оборудования от стадии его проектирования до эксплуатиции.
Обеспечение ресурса на стадии проектно-конструкторских работ.
Работы по обеспечению ресурса на этой стадии состоят из следующих ос- новных этапов.
1. Определение условий эксплуатации проектируемой конструкции на основе расчетов теплогидравлических и физических процессов, результатов стендовых экспериментов и анализа условий эксплуатации прототипов.
2. Определение назначенного срока службы конструкции с учетом темпов технического прогресса, морального старения оборудования, а также социально-экономических и экологических факторов.
3. Определение формы и базовых габаритных размеров конструкции с учетом возможности ее изготовления, транспортирования, обеспечения надежности и ремонта.
4. Выбор материала конструкции и технологии ее изготовления. Ос- новными параметрами при выборе материала являются химический состав, структура технологические и механические свойства. Технологические свой-
168
ства должны обеспечить возможность изготовления конструкции и примене- ние термической обработки, сварки, обработки давлением, резания. Механи- ческие свойства должны обеспечить прочность конструкции в течение всего срока эксплуатации.
5. Определение процессов повреждения и критериев прочности. К процессам, приводящим к образованию повреждений металла относятся пла- стическая деформация, разрушение, усталость, ползучесть, коррозия, эрозия и износ. В зависимости от процессов повреждения выбирают критерии проч- ности для обоснования ресурса. Критериями прочности могут быть сопро- тивление пластическим деформациям и разрушению (по вязкому или хруп- кому механизмам), ползучести, усталости, коррозии и эрозии.
6. На основании результатов, полученных на этапе 5, с учетом данных этапа 2 определяют назначенный ресурс конструкции.
7. Основные размеры конструкции определяют с учетом критериев сопротивления пластическим деформациям и разрушению. Кроме того, к рассчитанным размерам стенок деталей и конструкций делают добавки, учи- тывающие утонение за счет коррозии или износа.
8. Уточнение геометрии конструкции в целях обеспечения ее прочно- сти по критерию сопротивления циклическим нагрузкам. Расчеты дополняют испытаниями моделей или стендов, имитирующих сложные условия эксплу- атации конструкции.
9. Обосновывается назначенный ресурс эксплуатации конструкции с учетом результатов, полученных на предыдущих этапах.
Обеспечение ресурса на стадиях изготовления и монтажа оборудо- вания и трубопроводов. Ресурс оборудования и трубопроводов зависит от качества выполнения работ на стадиях изготовления и монтажа, на которых предприятие-изготовитель и монтажная организация осуществляют поопера- ционный контроль качества. Для полуфабрикатов предусмотрены следующие основные виды контроля:
химического состава металла;
состояния поверхности;
геометрических размеров;
микроструктуры металла;
механических и технологических свойств;
дефектов неразрушающими методами.
Обеспечение ресурса на стадии эксплуатации. Задача обеспечения ресурса на стадии эксплуатации оборудования и трубопроводов АЭС заклю- чается, прежде всего, в оперативной диагностике структурно-механического состояния металла. Оперативная диагностика предусматривает проведение контроля металла непосредственно на объектах контроля с помощью пере- носных или портативных приборов.
В существующей практике обследования структурно-механического состояния металла, например, трубопроводов, неразрушающему контролю подлежат отдельные точки, расположенные в основном в зонах гибов, трой- ников и сварных соединений. Однако исходные дефекты металла металлур- гического или технологического происхождения, не выявленные на стадии изготовления, в объеме трубопровода распределены случайно. Они могут находиться в деталях конструкции и развиваться под воздействием эксплуа- тационных факторов.
Существующая методика оперативной диагностики структурно- механического состояния металла оборудования и трубопроводов состоит из четырех основных этапов.
1-й этап. Выполняется 100%-ный неразрушающий контроль металла объекта контроля физическими методами, например, методом магнитной ко- эрциметрии. Кроме того, могут быть использованы методы акустической эмиссии и тепловой. По результатам неразрушающего контроля физическим методом выявляются аномальные зоны или точки, в которых наблюдаются концентраторы напряжений.
2-й этап. В выявленных аномальных зонах или точках производится подготовка поверхности для неразрушающего металлографического кон- троля и последующего безобразцового контроля механических свойств по характеристикам твердости. При необходимости более детального исследова- ния микроструктуры в лабораторных условиях снимаются реплики с контро- лируемых точек.
3-й этап. Выполняются обработка и анализ результатов неразрушаю- щего контроля, полученных физическим, металлографическим и безобразцо- вым методами. Сравниваются значения физического параметра, анализиру- ется микроструктура, рассчитываются значения характеристик твердости, предела текучести, временного сопротивления, отношения предела текучести к временному сопротивлению и другие параметры. Затем выявляются зоны и точки, в которых произошли недопустимые изменения в микроструктуре и механических свойствах металла, появились дефекты в виде массового скоп- ления пор и образовавшихся трещинок. При отрицательных результатах не- разрушающего контроля всеми методами рекомендуется произвести кон- трольную вырезку или взятие пробы для более детального исследования все- го комплекса механических свойств и микроструктуры на образцах в лабора- торных условиях.
4-й этап. Выдаются рекомендации по технологии восстановления мик- роструктуры и механических свойств деградировавшего металла, устране- нию дефектов, замене деталей оборудования или опасных участков трубо- проводов. На этом же этапе прогнозируют дальнейшие изменения механиче- ских свойств металла путем сопоставления, с результатами ранее проведен- ных обследований.
Рассматриваемая методика используется при диагностике металла дли- тельно работающих оборудования и трубопроводов.
170
Оценка и прогнозирование остаточного ресурса. В процессе дли- тельной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных электриче- ских станций возникает необходимость в прогнозировании или уточнении остаточного ресурса оборудования и трубопроводов. Существуют различные подходы и методики оценки и прогнозирования остаточного ресурса, осно- ванные на использовании температурных, геометрических, силовых, дефор- мационных и других параметров, контролируемых в процессе эксплуатации.
К числу методов оценки остаточного ресурса оборудования и трубо- проводов АЭС относятся:
методы оценки остаточного ресурса на основе анализа интенсивно- сти отказов как функции времени;
метод линейного суммирования повреждений;
методы параметрического прогнозирования;
методы анализа соотношений несущей способности и нагрузки;
методы механики разрушения;
метод индивидуального прогнозирования остаточного ресурса объ- ектов – автоагрессия с облучением.
Продление ресурса эксплуатации оборудования и трубопроводов.
После исчерпания расчетного срока службы оборудования проводится комплексная диагностика узлов и деталей энергоустановок, которая заключа- ется в следующих мероприятиях:
анализ технической документации и условий эксплуатации объек- та за весь предшествующий срок службы;
учет ежегодной наработки оборудования, температуры металла и давления пара за котлом, на входе в турбину и в секциях коллектора, измене- ния давления и числа пусков из различных тепловых состояний;
установка измерительных приборов для оценки температурных режимов эксплуатации элементов оборудования, работающих в условиях ползучести;
проведение визуального контроля и дефектоскопии, измерение толщины стенок трубопроводов, определение химического состава, микро- структуры и механических свойств металла;
выполнение уточненного расчета на прочность по фактическим механическим свойствам, геометрическим параметрам и дефектам элементов оборудования и трубопроводов, и на основании этого рассчитывают их ин- дивидуальный ресурс.
На рис. 1.29 представлена схема мероприятий при продлении ресурса эксплуатации оборудования и трубопроводов.
О б о с н о в а н и е т е х н и ч е с к о г о
с о с т о я н и я
о б о р у д о в а н и я и т р у б о п р о в о д о в
О б с л е д о в а н и е м е т а л л а . В ы б о р м е т о д а к о н т р о л я
О б с л е д о в а н и е у р о в н я э к с п л у а т а ц и о н н ы х
в о з д е й с т в и й
Н а л и ч и е д е ф е к т о в Х и м и ч е с к и й с о с т а в и
с т р у к т у р а М е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а К о р р о з и я и э р о з и я
О ц е н к а н а к о п л е н н ы х п о в р е ж д е н и й м е т а л л а
А н а л и з п р и ч и н п о в р е ж д е н и й
О ц е н к а о п а с н о с т и п о в р е ж д е н и й и о с т а т о ч н о г о р е с у р с а
П р и н я т и е р е ш е н и й
М о д е р н и з а ц и я Р е м о н т
О с т а в и т ь б е з и з м е н е н и й П о л з у ч е с т ь , у с т а л о с т ь
В ы в о д и з э к с п л у а т а ц и и
Рисунок 1.29. Схема мероприятий при продлении ресурса эксплуатации теплоэнергетического оборудования и трубопроводов
172
11.11.2 Нормы и методы расчета на прочность основных элементов