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 Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

СОДЕРЖАНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ 2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД: 2. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД: ФОРМАЛЬНО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФОРМАЛЬНО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 3. СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД: МОДЕЛИ, 3. СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД: МОДЕЛИ, ОСНОВАННЫЕ НА ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ ОСНОВАННЫЕ НА ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ ПОВРЕЖДЕНИЙ МЕТАЛЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ МЕТАЛЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ 4. ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК 4. ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ, НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ, ОПТИМИЗАЦИИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ОПТИМИЗАЦИИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АЭС ТРУБОПРОВОДОВ АЭС 5. Примеры практического применения: Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

1. ВВЕДЕНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ 1.1 Пассивные элементы и их значение в обеспечении безопасности АЭС 1.1 Пассивные элементы и их значение в обеспечении безопасности АЭС 1.2 Старение оборудования и трубопроводов во время эксплуатации 1.2 Старение оборудования и трубопроводов во время эксплуатации 1.3 Значение количественных характеристик надежности для обеспечения безопасности и оптимизации эксплуатационных затрат 1.3 Значение количественных характеристик надежности для обеспечения безопасности и оптимизации эксплуатационных затрат 1.4 Феноменологический и структурный подход к прогнозированию надежности технических систем 1.4 Феноменологический и структурный подход к прогнозированию надежности технических систем 1.5 Постановка задачи настоящего обзора 1.5 Постановка задачи настоящего обзора Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

2 ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД: ФОРМАЛЬНО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 2 ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД: ФОРМАЛЬНО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ 2.1 Простейшие модели 2.1 Простейшие модели 2.2 Марковские процессы 2.2 Марковские процессы 2.3 Теория риск2.3 Теория рисков 2.3 Теория риск 2.4 Метод Монте-Карло 2.4 Метод Монте-Карло Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

3.СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД: МОДЕЛИ, ОСНОВАННЫЕ НА СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД: МОДЕЛИ, ОСНОВАННЫЕ НАСТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД: МОДЕЛИ, ОСНОВАННЫЕ НА ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ ПОВРЕЖДЕНИЙ МЕТАЛЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ ПОВРЕЖДЕНИЙ МЕТАЛЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ 3.1. Методики, использующие бездефектную модель конструкционного материала 3.1. Методики, использующие бездефектную модель конструкционного материала Вероятность разрушения при случайном статическом Вероятность разрушения при случайном статическом нагружении. нагружении Вероятности разрушения при циклическом нагружении, Вероятности разрушения при циклическом нагружении, вызывающем усталость конструкционного материала вызывающем усталость конструкционного материала 3.2. Основные закономерности поведения элементов конструкций с дефектами 3.2. Основные закономерности поведения элементов конструкций с дефектами Остаточная дефектность и достоверность Остаточная дефектность и достоверность НК Остаточная дефектность и достоверность Уравнения для количественной оценки остаточной дефектности Уравнения для количественной оценки остаточной дефектности Оценка исходной дефектности, остаточной дефектности и выявляемости дефектов по результатам Оценка исходной дефектности, остаточной дефектности и выявляемости дефектов по результатам НК Оценка исходной дефектности, остаточной дефектности и выявляемости дефектов по результатам Критические и допустимые размеры дефектов Критические и допустимые размеры дефектов Рост несплошности при циклическом нагружении Рост несплошности при циклическом нагружении Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

3.3. Методики определения вероятности разрушения, 3.3. Методики определения вероятности разрушения, учитывающие дефектность конструкции учитывающие дефектность конструкции Базовый подход к определению вероятности Базовый подход к определению вероятности разрушения конструкции с дефектами разрушения конструкции с дефектами Методика определения вероятности разрушения на Методика определения вероятности разрушения на основе вычислительной программы МАВР-1.1 основе вычислительной программы МАВР Методика определения показателей надежности по Методика определения показателей надежности по критериям разрушения, течи или выявления дефекта в критериям разрушения, течи или выявления дефекта в эксплуатации с использованием результатов эксплуатации с использованием результатов неразрушающего контроля неразрушающего контроля Обобщенная методика определения вероятности Обобщенная методика определения вероятности разрушения конструкции разрушения конструкции Изменение прочностных свойств сталей в эксплуатации Изменение прочностных свойств сталей в эксплуатации вследствие старения вследствие старения Исходные данные для расчетов вероятности Исходные данные для расчетов вероятности разрушения оборудования и трубопроводов АЭС разрушения оборудования и трубопроводов АЭС Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

4. ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК 4. ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ, ОПТИМИЗАЦИИ БЕЗОПАСНОСТИ, ОПТИМИЗАЦИИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АЭС ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АЭС 4.1. Повышение безопасности ГЦТ АЭС с ВВЭР Повышение безопасности ГЦТ АЭС с ВВЭР- 440 первого поколения 440 первого поколения 4.2. Оптимизация неразрушающего 4.2. Оптимизация неразрушающего эксплуатационного контроля эксплуатационного контроля Оптимизация программы риск Оптимизация программы риск- ориентированного неразрушающего ориентированного неразрушающего контроля на Игналинской АЭС [21] контроля на Игналинской АЭС [21] Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Оптимизация неразрушающего Оптимизация неразрушающего контроля на основе характеристик контроля на основе характеристик вероятности разрушения и вероятности разрушения и системного подхода системного подхода Принципы оптимизации Принципы оптимизации Экономически оптимальные нормы Экономически оптимальные нормы дефектов в эксплуатации дефектов в эксплуатации (детерминистический подход) (детерминистический подход) Экономически оптимальный интервал Экономически оптимальный интервал времени между контролями времени между контролями (детерминистический подход) (детерминистический подход) Оптимальное время между Оптимальное время между неразрушающими контролями неразрушающими контролями (вероятностный подход) (вероятностный подход) Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Пример. Оптимальная периодичность Пример. Оптимальная периодичность НК корпуса реактора ВВЭР НК корпуса реактора ВВЭР Оптимальная периодичность НКЭ Оптимальная периодичность НКЭ корпуса компенсатора давления корпуса компенсатора давления Оптимизация норм дефектов для Оптимизация норм дефектов для стадии эксплуатации (вероятностный подход) стадии эксплуатации (вероятностный подход) Оптимизация объемов контроля на различных Оптимизация объемов контроля на различных стадиях жизненного цикла АЭС (заводского стадиях жизненного цикла АЭС (заводского контроля, монтажа и пуска в эксплуатацию, контроля, монтажа и пуска в эксплуатацию, эксплуатации). Суперконтроль эксплуатации). Суперконтроль. эксплуатации). Суперконтроль. эксплуатации). Суперконтроль Об оптимальном сочетании методов Об оптимальном сочетании методов контроля контроля Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

5. Примеры применения: Ду300 РБМК-1500 на Игналинской Ду300 РБМК-1500 на Игналинской АЭС. АЭС. ГЦТ ВВЭР-440 первого поколения на ГЦТ ВВЭР-440 первого поколения на НВАЭС и КолАЭС. НВАЭС и КолАЭС. Корпус реактора ВВЭР Корпус реактора ВВЭР Теплообменные трубки Теплообменные трубки парогенераторов АЭС с ВВЭР парогенераторов АЭС с ВВЭР Компенсатор давления и ГЦТ ВВЭР Компенсатор давления и ГЦТ ВВЭР Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

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; 4- суммарное число дефектов.

Схема учета старения при оценки вероятности отказа Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва 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). Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва 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. Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Методики, использующие бездефектную модель конструкционного материала Вероятность разрушения при случайном статическом нагружении. Методика А.Р. Ржаницына 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

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва 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.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. В общем случае предыдущее условие можно записать в виде: где х1, х2,..., х п представляют собой некоторые расчетные вели­чины.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Кривая pR будет выражаться нормальным законом распределения

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Зависимость вероятности обнаружения дефекта от линейного размера дефектов. Цифрами указан шифр дефектоскописта.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Совокупность оставшихся не выявленных дефектов в материале конструкции после изготовления, контроля и ремонта выявленных дефектов можно определить термином остаточная дефектность.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Любой прогноз прочности, надежности и ресурса конструкции без учета остаточной дефектности будет неточным и может привести к катастрофическим последствиям.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Если известна функция исходной дефектности, функция распределения выявленных в результате контроля дефектов, тогда остаточную дефектность можно определить как

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Количество обнаруженных дефектов зависит от исходной дефектности и от достоверности контроля, которую можно характеризовать функцией вероятности обнаружения дефектов.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. В частном случае можно принять:

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Базовый подход к определению вероятности разрушения конструкции с дефектами

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва 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;

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Уравнение для вычисления вероятности разрушения компонента, находящегося в хрупком состоянии, имеет вид:

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г.

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Рис. 41. Схема определения оптимальной частоты контроля: 1 контроль невыгоден; k 1 =0; 2 оптимальная частота контроля k 2 ; 3 оптимальная частота контроля k 3 соответствует 100%-ной надежности конструкции (или другой приемлемой величине)

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Рис. 43. Определение оптимальной периодичности дефектоскопического контроля корпуса реактора

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва октября 2008г. Уравнение, связывающее производство электроэнергии с затратами на ликвидацию аварии и затратами на контроль, в том числе с частотой контроля k

Европейская программа «Старение и ВАБ». Москва 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.