ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И ЖИВУЧЕСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ АЭС
Факторы, влияющие на долговечность оборудования АЭС
Вторым важным свойством надежности является долговечность. Она характеризует свойство элементов и систем энергоблоков АЭС сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе ТОиР. Предельное состояние объекта - это такое состояние, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно. Критерием предельного состояния объекта служит признак или совокупность признаков, установленных в НТД, Элемент ЯЭУ может перейти в предельное состояние, оставаясь работоспособным, если его дальнейшее применение по назначению станет недопустимым по требованиям безопасности или экономической эффективности. На рис. 4.1 представлена схема состояний и событий, принятая для объектов в теории надежности согласно ГОСТ 27.002-89. А схема переходов объектов ЯЭУ из одного состояния в другое показана на рис. 4.2. Переход объекта в предельное состояние влечет за собой временное или окончательное прекращение его эксплуатации. В зависимости от того, является ли элемент ЯЭУ ремонтируемым или неремонтируемым, возможно несколько случаев.
Для неремонтируемых элементов ЯЭУ имеет место предельное состояние двух видов. Первый вид предельного состояния совпадает с неработоспособным состоянием. Второй вид предельного состояния ограничен требованиями безопасности. При этом переход неремонтируемого элемента ЯЭУ в предельное состояние второго вида происходит раньше момента возникновения отказа.
Ремонтируемые элементы ЯЭУ имеют три вида предельных состояний. Для двух видов предельных состояний элементов требуется капитальный или средний ремонт, т.е. временное прекращение эксплуатации. Третий вид предельного состояния предполагает окончательное прекращение эксплуатации (списание) элемента ЯЭУ.
Таким образом, в общем случае долговечность элементов, оборудования и систем энергоблоков АЭС ограничена не отказом, а переходом в предельное состояние, что означает возникновение необходимости в капитальном или среднем ремонте либо вообще невозможность дальнейшей эксплуатации.
Долговечность объекта зависит от многочисленных факторов, которые можно подразделить на прочностные, эксплуатационные и организационные.
Прочностные факторы включают в себя конструкционные, производственно-технологические, нагрузочные и температурные факторы.
Рис. 4.1. Схема состояний и событий, принятая в теории надежности
Рис. 4.2. Схема переходов объекта из одного состояния в другое; 1 - повреждение, дефект; 2 - отказ; 3 - переход в предельное состояние; 4 - восстановление; 5 - ремонт
Они появляются из-за концентрации напряжений в элементах конструкции и остаточных напряжений, возникающих при несовершенной технологии и за счет пластических деформаций при сборке узлов или ремонте, и зависят от свойств материалов и их изменения во время эксплуатации. Решающее воздействие на конструкцию оборудования оказывают внешние и внутренние нагрузочные и температурные факторы, действующие раздельно и комплексно. Особое влияние на долговечность оказывают динамические нагрузки, различающиеся по амплитудно-частотным характеристикам, градиенту напряжений, среднему напряжению, длительности воздействия и т.д.
Эксплуатационные факторы включают в себя: организацию эксплуатации оборудования на АЭС, ЭБ, цехе, участке; квалификацию инженерно-технического состава, определяемую, в частности, знанием конструкции элемента, узла, оборудования, системы, полнотой обнаружения отказов и повреждений, мест начального развития трещин, своевременностью и эффективностью мер по их локализации и устранению; качество и полноту профилактических мероприятий; качество использования применяемых средств контроля технического состояния оборудования и др.
Организационные факторы включают в себя: техническую и общеинженерную подготовку персонала АЭС; выбор соответствующей стратегии и методов ТОиР; ритмичность в проведении ТОиР по принятой программе; своевременность в обеспечении запасными частями, приспособлениями, инструментом, оснасткой при устранении отказов и выполнении текущего ремонта; использование автоматизированных средств контроля технического состояния всех функциональных систем энергоблоков и АЭС в целом; выполнение других работ, связанных с испытаниями, инспекционными проверками, оформлением документации, актов, отчетов и т.д.
Большие затраты на создание современных АЭС обусловливают необходимость обеспечения соответствующей долговечности и длительности их использования по назначению при одновременном поддержании безопасности на заданном уровне. При этом возникают проблемы, связанные с физической, экономической и моральной долговечностью ЭБ АЭС.
Физическая долговечность основывается на прочностных свойствах конструкции оборудования и сооружений АЭС и факторах, ее определяющих. В общем она сводится к выносливости оборудования и сооружений под действием эксплуатационных факторов и нагрузок. По сути долговечность определяется усталостной сопротивляемостью конструкционных материалов, степенью коррозионной повреждаемости, стойкостью к эрозии и износоустойчивостью отдельных элементов оборудования АЭС. Это обусловливает необходимость организации соответствующей системы ТОиР, обеспечивающей требуемую выработку энергии и высокую безопасность. При этом важно поддерживать такие условия, чтобы затраты на эксплуатацию не превышали допустимых норм, что обеспечивает экономическую долговечность.
Экономическая долговечность определяется рентабельностью АЭС. Причем рентабельность зависит от физической долговечности, числа ремонтов и периодов между ними, плановыми и внеплановыми остановками на ТОиР и некоторых других факторов.
Моральная долговечность обусловлена особенностями протекания научно-технического прогресса в ядерной энергетике. Действительно, с разработкой новых энергоблоков повышенной безопасности, новых конструкционных материалов, совершенствованием технологии производства оборудования и конструкций, расчетов на прочность, внедрением новых автоматизированных систем управления технологическими процессами и диагностических комплексов появилась возможность создания перспективных АЭС, отвечающих возрастающим требованиям безотказности и безопасности. Моральная долговечность не поддается какому-либо расчету. Это чисто социологическая концепция. Тем на менее при создании новых типов ЭБ АЭС проектировщикам и конструкторам приходится учитывать физическую и моральную долговечность.
В настоящее время проблема оценки и прогнозирования ресурса стала одной из центральных в ядерной энергетике. Обострение этой проблемы вызвано следующими причинами:
близятся сроки выработки ресурса оборудования энергоблока АЭС первых двух поколений (25-30 лет);
большая номенклатура оборудования энергоблока АЭС второго и третьего поколения исчерпала 10-15-летний или близкий к этому срок службы;
возникла необходимость обоснования ресурса оборудования при проектировании ЯЭУ повышенной безопасности нового поколения 60-летним сроком службы;
в условиях реформирования экономики стран СНГ и экономического кризиса в этих странах АЭС и эксплуатирующие организации не располагают достаточными финансовыми возможностями для полной плановой замены исчерпавшего назначенный ресурс и срок службы оборудования;
рядом исследователей установлено, что удлинение назначенных сроков службы ЭБ АЭС при частичной замене и ремонте оборудования становится экономически и технически целесообразным способом повышения потенциала ядерной энергетики. Однако для обоснования возможности продления назначенного срока службы каждого конкретного энергоблока АЭС необходимо выполнить тщательный анализ факторов, влияющих на безопасность и долговечность оборудования ядерной энергетической установки. При этом обязательным условием является поддержание безопасности ЯЭУ на заданном уровне.
Таким образом, проблема долговечности оборудования энергоблока АЭС представляет собой весьма актуальную задачу по обеспечению высокой надежности, безопасности и экономической эффективности действующих, строящихся и проектируемых АЭС. Риск и экономические потери от неправильно принимаемых решений о прекращении эксплуатации конкретного энергоблока АЭС или о необоснованном продлении назначенного ресурса его оборудования велики. Поэтому для обоснованных выводов об остаточном ресурсе оборудования энергоблока АЭС требуется комплекс фундаментальных и прикладных работ.
Рис. 4.3. Вид плотности (а) и функции распределения (б) ресурса элемента ЯЭУ: Тр.д - назначенный ресурс; ТР-гамма - гамма-процентный ресурс; Тр - средний ресурс; Тпр.с - наработка до предельного состояния
