Европейская программа «Старение и ВАБ».

ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по
эксплуатации атомных электростанций» (ОАО «ВНИИАЭС»)
EC JRC Institute for Energy
Определения вероятностей
разрушения оборудования и
трубопроводов АЭС. Технологии их
применения для обеспечения безопасности
и оптимизации объемов неразрушающего
контроля и технического обслуживания
(Обзор)
Авторы: Г.В. Аркадов, А.Ф. Гетман, А.И. Усанов,
А.Ю. Кузьмичевский, А. Н.Родионов
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД:
ФОРМАЛЬНО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
3. СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД: МОДЕЛИ,
ОСНОВАННЫЕ НА ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ
ПОВРЕЖДЕНИЙ МЕТАЛЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
4. ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ,
ОПТИМИЗАЦИИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И
ТРУБОПРОВОДОВ АЭС
5. Примеры практического применения:
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Пассивные элементы и их значение в
обеспечении безопасности АЭС
1.2 Старение оборудования и трубопроводов во
время эксплуатации
1.3 Значение количественных характеристик
надежности для обеспечения безопасности и
оптимизации эксплуатационных затрат
1.4 Феноменологический и структурный подход к
прогнозированию надежности технических
систем
1.5 Постановка задачи настоящего обзора
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
2 ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД:
ФОРМАЛЬНО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ
МОДЕЛИ
2.1 Простейшие модели
2.2 Марковские процессы
2.3 Теория рисков
2.4 Метод Монте-Карло
ВНИИАЭС
3.
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД: МОДЕЛИ, ОСНОВАННЫЕ НА
ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
МЕТАЛЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
3.1. Методики, использующие бездефектную
модель конструкционного материала
3.1.1. Вероятность разрушения при случайном статическом
нагружении.
3.1.2. Вероятности разрушения при циклическом нагружении,
вызывающем усталость конструкционного материала
3.2. Основные закономерности поведения
элементов конструкций с дефектами
3.2.1. Остаточная дефектность и достоверность НК
3.2.2 Уравнения для количественной оценки остаточной
дефектности
3.2.3. Оценка исходной дефектности, остаточной дефектности и
выявляемости дефектов по результатам НК
3.2.4. Критические и допустимые размеры дефектов
3.2.5. Рост несплошности при циклическом нагружении
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
3.3. Методики определения вероятности разрушения,
учитывающие дефектность конструкции
3.3.1. Базовый подход к определению вероятности
разрушения конструкции с дефектами
3.3.2. Методика определения вероятности разрушения на
основе вычислительной программы МАВР-1.1
3.3.3. Методика определения показателей надежности по
критериям разрушения, течи или выявления дефекта в
эксплуатации с использованием результатов
неразрушающего контроля
3.3.4. Обобщенная методика определения вероятности
разрушения конструкции
3.3.5 Изменение прочностных свойств сталей в эксплуатации
вследствие старения
3.3.6. Исходные данные для расчетов вероятности
разрушения оборудования и трубопроводов АЭС
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
4. ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ, ОПТИМИЗАЦИИ
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АЭС
4.1. Повышение безопасности ГЦТ АЭС с ВВЭР440 первого поколения
4.2. Оптимизация неразрушающего
эксплуатационного контроля
4.2.1. Оптимизация программы рискориентированного неразрушающего
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
4.2.2. Оптимизация неразрушающего
контроля на основе характеристик
вероятности разрушения и
системного подхода
4.2.2.1. Принципы оптимизации
4.2.2.2 Экономически оптимальные нормы
дефектов в эксплуатации
(детерминистический подход)
4.2.2.3 Экономически оптимальный интервал
времени между контролями
(детерминистический подход)
4.2.2.4. Оптимальное время между
неразрушающими контролями
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
4.2.2.4.1 Пример. Оптимальная периодичность
НК корпуса реактора ВВЭР
4.2.2.4.2 Оптимальная периодичность НКЭ
корпуса компенсатора давления
4.2.2.5 Оптимизация норм дефектов для
стадии эксплуатации (вероятностный подход)
4.2.2.6 Оптимизация объемов контроля на различных
стадиях жизненного цикла АЭС (заводского
контроля, монтажа и пуска в эксплуатацию,
эксплуатации). Суперконтроль.
4.2.2.7. Об оптимальном сочетании методов
контроля
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
5. Примеры применения:
• Ду300 РБМК-1500 на Игналинской
АЭС.
• ГЦТ ВВЭР-440 первого поколения на
НВАЭС и КолАЭС.
• Корпус реактора ВВЭР-1000.
• Теплообменные трубки
парогенераторов АЭС с ВВЭР
• Компенсатор давления и ГЦТ ВВЭР-
Главные компоненты АЭС c PWR и их механизмы деградации
ВНИИАЭС
6
ВНИИАЭС
ВНИИАЭС
Дефекты, выявляемые во время эксплуатации:
1 – дефекты, заложенные на стадии изготовления и пропущенные в эксплуатацию;
2 – рост числа дефектов, связанных с недостатками конструирования;
3 – рост числа дефектов из-за недостатков эксплуатации;
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Схема учета старения при оценки вероятности
отказа
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Анализ риска должен дать ответы на
три основных вопроса:
1. Что плохого может произойти?
(Идентификация опасностей).
2. Как часто это может случаться?
(Анализ частоты).
3. Какие могут быть последствия?
(Анализ последствий).
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Инженерный подход к оценке рисков - опирается
на статистику поломок и аварий, на вероятностный
анализ безопасности (ВАБ): построение и расчет так
называемых деревьев событий и деревьев отказов процесс основан на ориентированных графах. С
помощью первых предсказывают, во что может
развиться тот или иной отказ техники, а деревья
отказов, наоборот, помогают проследить все
причины, которые способны вызвать какое-то
нежелательное явление. Когда деревья построены,
рассчитывается вероятность реализации каждого из
сценариев (каждой ветви), а затем - общая
вероятность аварии на объекте.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Методики, использующие
бездефектную модель
конструкционного материала
Вероятность разрушения при
статическом нагружении.
Методика А.Р. Ржаницына
случайном
Современная наука о прочности основана на концепции
допускаемого напряженно-деформированного
состояния. В соответствии с этой концепцией условие
прочности записывается в виде:
НДС конструкции меньше допускаемого НДС
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Простейшим примером такого условия может
служить формулапрочности растянутого стержня
(11)
где N — растягивающее усилие;
F — площадь сечения стержня;
σпр — предел прочности материала стержня.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
В общем случае предыдущее условие можно
записать в виде:
где х1, х2,..., х п представляют собой некоторые
расчетные величины.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Кривая pR будет выражаться
нормальным законом распределения
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Зависимость вероятности обнаружения дефекта от линейного размера дефектов.
Цифрами указан шифр дефектоскописта.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Совокупность оставшихся не
выявленных дефектов в материале
конструкции после изготовления,
контроля и ремонта выявленных
дефектов можно определить
термином остаточная
дефектность.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Любой прогноз прочности,
надежности и ресурса
конструкции без учета
остаточной дефектности
будет неточным и может
привести к
катастрофическим
последствиям.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Если известна функция исходной дефектности ,
функция распределения выявленных в результате
контроля дефектов , тогда остаточную дефектность
можно определить как
N ост ( a ,c )  N исх ( a ,c )  N обн ( a ,c )
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Количество обнаруженных дефектов зависит от
исходной дефектности и от достоверности контроля,
которую можно характеризовать функцией
вероятности обнаружения дефектов .
N обн ( a ,c )  Nисх ( a ,c )  W ( a ,c )
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
В частном случае можно принять:
A
N ост ( a )  n exp  a  a0 
a
A
N обн ( a )  n 1  exp  a  a0 
a
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Базовый подход к определению
вероятности разрушения конструкции
с дефектами
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
С использование функции остаточной
дефектности можно легко определить
базовые характеристик надежности:
- Безотказность;
- Интенсивность отказов λ(t)
- Числа отказавших элементов конструкции
по критериям разрушения, течи или
дефекта;
- Функцииюплотности распределения f(t)
наработки до отказа за время эксплуатации
t;
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Уравнение для вычисления вероятности разрушения
компонента, находящегося в хрупком состоянии,
имеет вид:
Pp 
Pp 
K1 c max

K1 c min
K1 c
 max
K1c max

(
K
)

(

)
P
(
a

a
)
dadK
1
c

a
kp
1c


 max
( K1c )
  (  )P ( a  a
K1c
a
kp
)dadK1c
 min
K1c min
 min
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Рис. 41. Схема определения оптимальной частоты контроля:
1 — контроль невыгоден; k1=0;
2 — оптимальная частота контроля k2;
3 — оптимальная частота контроля k3 соответствует 100%-ной надежности конструкции (или другой приемлемой величине)
ВНИИАЭС
Европейская
Рис. 43. Определение оптимальной периодичности дефектоскопического контроля корпуса реактора
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
Уравнение, связывающее производство электроэнергии с
затратами на ликвидацию аварии и затратами на контроль, в
том числе с частотой контроля k
D  D0 ( 1   R P( k )   k k )  У R R P( k )  У k  k k
ВНИИАЭС
Европейская
программа
«Старение и ВАБ».
Москва 28-30 октября 2008г.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.Пассивные элементы АЭС являются важными элементами, влияющими
на безопасность. Наиболее важное значение имеют элементы третьего
барьера безопасности, разрушение которых приводит к началу
максимальной проектной или запроектной аварии.
2.Дан краткий обзор моделей и методов определения надежности
пассивных элементов, прежде всего трубопроводов, сосудов и других
элементов, разработанных за последние десятилетия. Показано, что
все рассмотренные методы имеют свои положительные и
отрицательные стороны. Целесообразность их применения
определяется типом элементов, их количеством, механизмами
старения (повреждения), условиями эксплуатации, характером
эксплуатационного воздействия.
3.Целесообразно разработать руководство (методические рекомендации)
по применению моделей и методов анализа надежности пассивных
элементов с учетом старения. В качестве основы руководства может
быть использованы материалы, излагающиеся в настоящем документе.