АО «НТЦД»

Центр диагностики
URL: http://diaprom.com/
E-mail:
Адрес: 109518, г. Москва, ул. Газгольдерная, д. 14, оф. 329
Телефон/Факс: (495) 690-9195

Виброшумовая диагностика ВВЭР

Виброшумовая диагностика ВВЭР

Аркадов Г.В., к.т.н., к.э.н., Первый заместитель Генерального директора, ОАО «ВНИИАЭС», г. Москва,

Павелко В.И., к.т.н., заместитель Генерального директора по науке, Центр диагностики «Диапром», г. Москва

Усанов А.И., Генеральный директор, Центр диагностики «Диапром», г. Москва

Под редакцией члена-корреспондента РАН А.А. Абагяна

Книга издана в издательстве
«Энергоатомиздат»
в 2004 г., ISBN 5-283-00787-1
Текст книги (PDF, 150 Мб)

Предисловие

Вопросы повышения уровня безопасности и продления сроков эксплуатации действующих энергоблоков АЭС являются чрезвычайно актуальными в мировой ядерной энергетике и, в частности, в нашей стране. Первые отечественные АЭС с реакторами типа ВВЭР-440 перешагнули возрастной рубеж в 30 лет, и назначенный срок эксплуатации продлен еще на 15 лет. Такая же работа проводится и на первых зарубежных АЭС.

Исследования экономической эффективности продления срока эксплуатации энергоблоков Нововоронежской и Кольской АЭС показали финансовую выгодность данного инвестиционного проекта. Удельные затраты на модернизацию и другие мероприятия, связанные с продлением срока эксплуатации, ниже затрат на строительство в 5—6 раз.

Для решения указанных вопросов чрезвычайно важны разработки диагностических систем, среди которых особое значение имеют системы, основанные на виброшумовых методах.

Представленные в данной книге системы виброшумовой диагностики (СВШД) являются, прежде всего, компьютерными системами. Они не могли быть предусмотрены проектом реакторной установки тридцатилетней давности. Слишком слабыми были тогда компьютеры, да и сами методы виброшумовой диагностики находились в зачаточном состоянии. Теперь, анализируя этот тридцатилетний период, понятно, что скольконибудь жизнеспособный симбиоз из консервативного энергетического оборудования и быстро развивающихся компьютерных средств и информационных технологий под названием СВШД был в то время весьма проблематичным. Получается, что первые промышленные отечественные СВШД завоевали себе право на жизнь, когда первые отечественные АЭС уже отработали значительную часть назначенного проектного срока. Но и в этом случае СВШД очень актуальны: значительно расширяя наблюдаемость объекта диагностики, СВШД дают текущую информацию о вибрационном ресурсе оборудования с продленным сроком эксплуатации.

Для вводимых в эксплуатацию новых блоков АЭС с реакторами типа ВВЭР СВШД наряду с другими системами раннего диагностирования уже введена в проект реакторной установки. По существу, это предопределяет новую культуру ее технического обслуживания, так как вводится новый значительный информационный ресурс обеспечения безопасной эксплуатации АЭС.

Книга является первым российским опытом систематического изложения методов виброшумовой диагностики как общего назначения, инвариантного к типу реактора, так и ориентированных только на отечественные реакторы типа ВВЭР. В этой связи она будет полезна широкому кругу заинтересованных лиц, начиная от студентов и преподавателей вузов и заканчивая разработчиками и пользователями систем ранней диагностики реакторов.

Предлагаемой книгой группа специалистов по диагностике реакторных установок открывает новую серию научной и учебной литературы — «Оперативная диагностика ВВЭР». В ближайшие годы планируется издание книг по методам и алгоритмам, реализованным в следующих программно-технических комплексах раннего диагностирования:

  • системах обнаружения протечек теплоносителя по разным физическим полям (влажности, радиоактивности, акустической эмиссии);
  • системах оценивания остаточного ресурса оборудования по штатным и нештатным сигналам;
  • системах контроля перемещения оборудования при изменении температуры теплоносителя;
  • системах обнаружения освободившихся и слабозакрепленных предметов;
  • системах диагностирования роторного оборудования;
  • системах диагностирования арматуры.
Член-корреспондент РАН
А.А. Абагян

Предисловие авторов

Современные концепции безопасной эксплуатации атомных станций базируются на широком внедрении систем ранней диагностики. Комплекс таких систем, объединенных единой идеологией оперативного диагностирования, взаимодействующий с системами контроля и управления реакторной установки (РУ), позволяет обеспечить и полноту, и глубину диагностирования, отвечающие современным требованиям безопасной эксплуатации АЭС.

Виброшумовая диагностика РУ занимается определением вибросостояния внутрикорпусных устройств (ВКУ), тепловыделяющих сборок (ТВС), корпуса реактора и основного оборудования главного циркуляционного контура (ГЦК) по совокупному анализу сигналов различных датчиков вибраций и флуктуирующих составляющих реакторных сигналов в эксплуатационных условиях. Вибрации всегда представляют собой угрозу безопасной эксплуатации АЭС. В США в 70-е годы в период бурного развития ядерной энергетики доля аварийных остановов блоков АЭС, обуслов-ленных аномальными вибрациями оборудования, достигала 10%. В дальнейшем во всем мире фирмы-производители оборудования АЭС стали уделять проблемам вибраций особое внимание как на стадии проектирования и стендовой отработки элементов оборудования, так и в период пусконаладочных работ, а затем и в период нормальной эксплуатации блоков. Начали интенсивно развиваться методы и средства контроля вибраций. В настоящее время компьютерные системы вибрационного контроля являются атрибутом технического обслуживания оборудования АЭС.

Виброшумовая диагностика реализуется наукоемкими программно-техническими комплексами. В зависимости от осуществляемых функций это — либо системы виброшумового контроля (СВШК), либо системы виброшумовой диагностики. Их существенное различие состоит в том, что СВШД ставит диагнозы автоматически, а СВШК только выдает пользователю некоторую совокупность числовых и функциональных статистических оценок, полученных из измеренных сигналов.

Авторы не ставят задачу представить сколько-нибудь полный обзор обширных материалов международных конференций по реакторным шумам. Основное внимание уделено работам, ставшим классическими, современным публикациям по виброшумовой диагностике ТВС и ВКУ в эксплуатационных условиях, а также опыту, приобретенному авторами при интерпретации обширного экспериментального материала по реакторным установкам с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.

Книга содержит большое число иллюстраций. Конечно, большие объемы информации, выдаваемые многоканальными СВШД, — специфика этих систем, обслуживающих такие сложные объекты, как РУ. Авторы стремились предоставить как можно больше экспериментальных данных, имеющих устойчивый характер для данного типа РУ, с тем, чтобы настоящие и будущие пользователи СВШД могли обратиться к ним как к эталонам нормального вибросостояния.

Большую роль в становлении отечественной виброшумовой диагностики РУ ВВЭР сыграли специалисты ведущих организаций Минатома России:

  • РНЦ «Курчатовский Институт»: В.В. Булавин, А.С. Кужиль, Г.Л. Лунин, В.И. Митин, А.И. Мочалов, А.Е. Савушкин, В.Б. Черненко;
  • ФГУДП ВНИИАЭС: Г.Г. Аникин, А.В. Белоглазов, С.В. Изотов, А.Н. Калинин, Б.К. Кудрявцев, В.П. Матвеев, О.В. Овчаров, С.Л. Перов, Б.М. Финкель;
  • ГНЦ РФ ФЭИ: С.Н. Ковтун, С.А. Морозов, А.О. Скоморохов, Д.М. Швецов, B.C. Федотовский;
  • ФГУП «Атомэнергопроект»: А.Б. Малышев, Н.А. Иванов;
  • ФГУП ОКБ «Гидропресс»: Ю.А. Аникеев, А.В. Воронков, В.А. Додонов, Ю.Г. Драгунов, Н.П. Коноплев, А.О. Плющ, С.Б. Рыжов;
  • НИЦ СНИИП: С.В. Дробышев, В.Б. Суховерко, С.Б. Чебышов;
  • Корпорация «ТВЭЛ»: В.Л. Молчанов, В.В. Новиков;
  • Концерн «Росэнергоатом»: В.В. Голованов, Д.Ф. Гуцев, Н.Н. Давиденко, A.M. Кириченко, Ю.В. Копьев, С.П. Крылов, В.Н. Ловчев, С.Е. Мальков, С.А. Немытов, В.Е. Хлебцевич, А.Н. Шкаровский.

Наукоемкость методик оперативной диагностики ВВЭР, а также необходимость разработки конкурентоспособных систем для АЭС России обусловили создание специализированного предприятия «Диапром», основным направлением деятельности которого является разработка, поставка и сопровождение эксплуатации систем оперативной диагностики ВВЭР, включая систему виброшумовой диагностики РУ ВВЭР.

Развитие виброшумовой диагностики потребовало не только научных исследований и проектных проработок, но и экспериментальных работ, выполняемых непосредственно на АЭС с ВВЭР. Авторы считают своей приятной обязанностью поблагодарить высококлассных специалистов российских АЭС, внесших наибольший вклад в развитие этого очень непростого направления реакторной инженерии: М.Л. Кожина, Ю.Н. Пыткина, С.И. Титова, В.Р. Резника — Кольская АЭС; B.C. Балашова, В.Я. Грубмана, П.А. Кантора, Т.Ю. Недяк, Л.А. Соколова — Калининская АЭС; Н.Ф. Декало, С.М. Иванова, В.Ф. Кольжанова, О.М. Музалькова — Балаковская АЭС; С.П. Козаченко, A.M. Шифрина, М.Т. Слепова — Нововоронежская АЭС.

Авторы выражают благодарность канд. техн. наук С.В. Жидкову за предложения и критические замечания, способствующие улучшению книги.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АкЗ— активная зона
АКНП— аппаратура контроля нейтронного потока
АКФ— автокорреляционная функция
АР— авторегрессионный
АРК— аварийная регулирующая кассета
АСВ— акустическая стоячая волна
АСПМ— автоспектральная плотность мощности
АЧХ— амплитудно-частотная характеристика
АЭС— атомная электрическая станция
БВД— бегущая волна давления
БД— база данных
БЗТ— блок защитных труб
БПФ— быстрое преобразование Фурье
БЩУ— блочный щит управления
ВКУ— внутрикорпусные устройства
ВКФ— взаимная корреляционная функция
ВРК— внутриреакторный контроль
ВСПМ— взаимная спектральная плотность мощности
ВЧ— высокая частота, высокочастотный
ГВУ— главное вычислительное устройство
ГЦК— главный циркуляционный контур
ГЦН— главный циркуляционный насос
ДАП— датчик абсолютных перемещений
ДК— диагностическая кассета
ДОП— датчик относительных перемещений
ДПД— датчик пульсаций давления
ДПЗ— детектор прямого заряда
ДР— дистанционирующая решетка
ИК— ионизационная камера
НШ— нейтронный шум
НЧ— низкая частота, низкочастотный
КТО— контроль герметичности оболочек
КГС— коэффициент гидравлического сопротивления
КД— компенсатор давления
КНИ— канал нейтронных измерений
MAP— многомерный авторегрессионый
МНК— метод наименьших квадратов
НК— направляющий канал
ПГ— парогенератор
ПНИ— пусконаладочные испытания
ПО— программное обеспечение
ППР— планово-предупредительный ремонт
ПТК— программно-технический комплекс
РК— рабочая кассета
РУ— реакторная установка
СВРК— система внутриреакторного контроля
СВШД— система виброшумовой диагностики
СВШК— система виброшумового контроля
СКЗ— среднее квадратическое значение
СО— спектральный образ
СОСП— система обнаружения слабозакрепленных предметов
СП— случайный процесс
СУЗ— система управления и защиты
ТВС— тепловыделяющая сборка
ТВСА— тепловыделяющая сборка альтернативная
ТКР— температурный коэффициент реактивности
ТН— теплоноситель
ТП— термопара
УТВС— усовершенствованная тепловыделяющая сборка
ХГО— холодная-горячая обкатка
ЭО— элементарная операция
BWR (Boiling Water Reactor)— реактор с кипящей водой
IMORN (Informal Meeting on Reactor Noise)— неформальные ежегодные семинары по реакторно-шумовой диагностике
LPMS (Loose Parts Monitoring System)— СОСП
PWR (Pressurized Water Reactor)— реактор с водой под давлением
SMORN (Specialists Meeting on Reactor Noise)— конференция специалистов по реакторным шумам
SUS— система вибромониторинга
TDE (Time Delay Estimation)— оценка времени запаздывания

Глава 1.
Виброшумовая диагностика в комплексе задач раннего диагностирования

1.1 Историческая справка

Первые промышленные СВШК были поставлены на советские АЭС с РУ типа ВВЭР из-за рубежа несмотря на то, что на первых этапах исследований реакторных шумов ученые СССР занимали одно из лидирующих положений в мире. В 60-е годы были получены основные результаты по нейтронным шумам подкритических реакторов. Оказалось, что по специально построенным статистикам отсчетов дискретного сигнала нейтронного датчика можно получить кинетические параметры активных зон. Была разработана теория нейтронного шума подкритического реактора, в основу которой легло выведенное исследователями реакторных шумов распределение Пала-Бабала-Могильнера.

Эти достижения использовались на стадии экспериментальной отработки активных зон на критических сборках. В конце 60-х, начале 70-х годов такие исследования интенсивно проводились в Физико-энергетическом институте (г. Обнинск) под руководством А.И. Могильнера и в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством В.В. Булавина. В те годы в ФЭИ стажировался молодой венгерский исследователь Г. Кошай, который впоследствии стал одним из авторов феноменологической теории нейтронного шума энергетического реактора с кипящим теплоносителем, во многом определившей развитие методов виброшумовой диагностики.

Практическую значимость шумового анализа энергетического реактора американский исследователь Тай оценил еще в 1963 г. После подведения итогов деятельности по шумовому анализу подкритических размножающих сред другой американский исследователь Уриг в своей монографии отметил большие перспективы виброшумовой диагностики энергетического реактора.

С этого времени за рубежом начали проводить интенсивные исследования шумов энергетических реакторов для разработки новых способов диагностирования элементов РУ.

С 1977 г. виброшумовая диагностика энергетических реакторов различных типов становится одной из основных тем на международной конференции SMORN - конференции специалистов по реакторным шумам. Всего таких конференций было восемь. В период между конференциями SMORN уже 25 раз проводились так называемые неформальные ежегодные семинары по реакторно-шумовой диагностике IMORN. По материалам этих конференций можно проследить развитие теоретической, а затем и методической базы виброшумовой диагностики, которая впоследствии нашла свое техническое воплощение в СВШК и СВШД.

В СССР также были достижения в виброшумовом анализе, в том числе и опережающие свое время. Например, на первых блоках ВВЭР на НВАЭС проводился виброшумовой мониторинг, базирующийся на датчиках, которые не были демонтированы после проведения пусконаладочных испытаний, штатных датчиках давления и ионизационных камерах. На расчетном уровне успешно решались задачи по описанию вибраций трубопроводов РУ. Начал выходить многотомный справочник «Вибрации в технике», в создании которого участвовали представители различных советских школ исследователей вибраций. Наконец, Генеральный конструктор ВВЭР (ОКБ «Гидропресс») совместно с Институтом машиноведения им. А.А. Благонравова разворачивает обширные исследования вибрационной прочности элементов РУ в соответствии со следующей концепцией. Достаточный виброресурс элементов РУ типа ВВЭР закладывается проектными решениями, подтверждается стендовым моделированием, обеспечивается входным контролем вибросостояния на стадии ПНИ методом сравнения с головным блоком, далее предполагается эксплуатация блока в соответствии с проектными ограничениями, а в случае какой-либо деградации элементов РУ виброресурс поддерживается планово-предупредительными ремонтами. Современные концепции обеспечения виброресурса РУ имеют еще один этап: виброшумовая диагностика в процессе нормальной эксплуатации между двумя последовательными ППР.

Следует отметить, что в СССР исследования были посвящены, главным образом, вибрационным работам, а шумовые исследования не укладывались в существующую тогда концепцию обеспечения виброресурса. Даже в единственном книжном издании, посвященном вибрациям элементов оборудования ЯЭУ, нет ни слова о виброшумовых методах их контроля. А это был 1989 г., когда ведущие зарубежные фирмы (Siemens, Westinghouse, Framatome) уже разработали и создали первые промышленные СВШК.

Участие советских исследователей реакторных шумов на конференциях SMORN было крайне непредставительным, но в то же время в рамках Совета Экономической Взаимопомощи осуществлялся беспрецедентный проект экспериментального исследования шумов кипения ТН РУ типа ВВЭР. Была разработана и построена специальная диагностическая кассета (ДК) с большим числом датчиков и возможностью регулировать расход ТН через нее, в результате чего в ДК осуществлялись всевозможные стадии кипения ТН. ДК была установлена на АЭС Райнсберг, и в нескольких сериях экспериментов получены уникальные результаты, положившие начало разработке феноменологии шумов реакторов с водой под давлением. В этом направлении особых успехов добились венгерские и немецкие исследователи. После аварии на Чернобыльской АЭС данный проект был прекращен.

В СССР натурные виброшумовые исследования проводились Институтом атомной энергии им. И.В. Курчатова (группы В.В. Булавина, А.С. Кужиля, В.И. Митина, А.Е. Савушкина) и Физико-энергетическим институтом (группа С.А. Морозова) на различных АЭС с РУ ВВЭР. Эти работы явно запаздывали, а с учетом технологического отставания СССР в электронике и экономического спада начала 90-х годов экспериментальные отечественные СВШК, конечно, не могли конкурировать с зарубежными промышленными СВШК.

Предстояло выбрать подходящие зарубежные СВШК, чтобы начать их внедрение на отечественные блоки АЭС. В начале 90-х годов фирма Siemens стала поставлять СВШК на РУ с ВВЭР-440, а на энергоблоке I Калининской АЭС с ВВЭР-1000 внедрялась СВШК CARD разработки венгерского Института физических исследований. Работы по внедрению и адаптации СВШК фирмы Siemens на четырех блоках с РУ ВВЭР-440 возглавил ВНИИАЭС (группа Д.Ф. Гуцева). Предполагалось, что после внедрения головных образцов зарубежных СВШК на отечественные АЭС, будут разработаны и созданы советские аналоги этих систем.

В настоящее время можно констатировать, что опыт эксплуатации перечисленных выше зарубежных СВШК на отечественных АЭС в течение 10 лет был очень полезен, но по разным причинам сами СВШК не стали штатными системами технического обслуживания АЭС. С помощью этих ПТК был развит собственный потенциал, позволивший разработать и создать отечественные СВШД, не уступающие лучшим современным зарубежным аналогам. Эти работы проводились во ВНИИАЭС (группа Б.М. Финкеля) и в специально созданном предприятии «Диапром» (директор Д.Ф. Гуцев, а затем А.И. Усанов).

В настоящее время СВШД вошли в проекты строящихся АЭС с РУ типа ВВЭР, разработке методов и средств виброшумовой диагностики уделяется большое внимание. Примечательно, что на научно-технических конференциях концерна «Росэнергоатом», Генерального конструктора ВВЭР, ОАО «ТВЭЛ» было представлено по нескольку докладов на темы виброшумовой диагностики. Таким образом, организации, определяющие безопасную эксплуатацию АЭС - Генеральный конструктор РУ, изготовитель топлива для АЭС и эксплуатирующая АЭС организация, - высоко оценивают важность этих работ.

Несмотря на широкое распространение компьютерных систем виброконтроля официальная информация о виброотказах по-прежнему остается крайне скудной. Еще в 1994 г. МАГАТЭ запланировало создание общедоступной международной базы данных о таких инцидентах, но до сих пор эта идея не реализована. Эксплуатирующие АЭС организации, как за рубежом, так и в России, из конкурентных соображений не торопятся наполнять эту базу данных. В то же время информация об отказах накапливается в национальных и ведомственных БД с ограниченным кругом пользователей. В последнее время информацию из этих БД в дозированном виде начали предавать гласности на научно-технических семинарах как иллюстрацию достижений современных средств и методов диагностирования. Число таких семинаров резко возросло.

1.2 Задачи систем раннего диагностирования реакторной установки

В качестве исходного события аварийной ситуации, как правило, выбирают очень тяжелый инцидент, например, гильотинный разрыв трубопровода первого контура или всевозможные отказы основных элементов оборудования, сопровождаемые грубыми ошибками эксплуатационного персонала и т.д. Однако исходным событиям аварий предшествует цепочка более мелких событий (рис. 1.1), которые, как правило, либо не фиксируются существующими штатными каналами измерений, либо не извлекаются из «малых» аномалий штатных сигналов.

Схема развития дефекта в исходное событие аварииРисунок 1.1. Схема развития дефекта в исходное событие аварии

Именно мелкие события определяют частоту «малых» инцидентов на АЭС, которые по международной семибалльной шкале аварий оцениваются не выше, чем в три балла. Таким образом, РУ может быть защищена от тяжелых аварий, вероятность которых практически сведена к нулю, и в то же время иметь высокую частоту «малых» инцидентов. Помимо того, что малые дефекты по мере их накопления могут перерасти в крупные инциденты, по их частоте общественное мнение судит о безопасности той или иной АЭС.

Какой совершенной ни была бы РУ, ее элементы оборудования не являются абсолютно надежными, а решения, принимаемые эксплуатационным персоналом, - абсолютно безошибочными. Таким образом, любая РУ, являясь сложным техническим объектом, всегда будет эксплуатироваться с «малыми» инцидентами. Поэтому в процессе эксплуатации важно уметь выявлять такие события, которые при своем развитии могут повлиять на ее работоспособность. Эту информационную «нишу» и должны заполнить системы раннего диагностирования.

Четыре важнейших свойства шумовой диагностики выдвинули разработки систем шумовой диагностики в разряд перспективных систем обеспечения безопасной эксплуатации АЭС:

  • пассивность;
  • высокая чувствительность к аномалиям;
  • возможность работы в эксплуатационных условиях;
  • единственность по отношению к некоторым типам неисправностей.

Решение конкретных диагностических задач нашло свое техническое воплощение в так называемых локальных системах диагностики. Принцип локальности состоит в том, что конкретная система либо диагностируют некую часть объекта (например, только ГЦН), либо фиксирует определенный физический процесс (например, выявляет течь теплоносителя). Каждая из них, представляя собой функционально завершенную систему, очевидно, не претендует на полноту диагностирования РУ. Однако комплекс таких систем, увязанный единой идеологией оперативного диагностирования РУ, взаимодействующий с системами контроля и управления РУ, способен обеспечить и полноту, и глубину диагностирования, отвечающую современным требованиям безопасной эксплуатации АЭС. Такой подход интегрирования (снизу вверх) локальных систем в единую комплексную систему оперативной диагностики использует большинство фирм-разработчиков диагностического оборудования АЭС. Однако среди них нет единства мнений о достаточной полноте того или иного множества локальных систем диагностирования. Для РУ типа ВВЭР применяют следующие локальные системы:

  • систему виброшумовой диагностики;
  • систему обнаружения протечек теплоносителя по разным физическим полям (влажности, радиоактивности, акустической эмиссии);
  • систему оценивания остаточного ресурса оборудования по штатным и нештатным сигналам;
  • систему контроля перемещения оборудования при изменении температуры теплоносителя;
  • систему обнаружения освободившихся и слабозакрепленных предметов;
  • систему диагностирования роторного оборудования;
  • систему диагностирования ГЦН;
  • систему диагностирования арматуры;
  • систему диагностирования приводов СУЗ.

Локальные системы диагностики РУ приобретают статус штатных систем эксплуатации АЭС. Эти системы в обязательном порядке закладываются в проекты новых блоков АЭС, а блоки, находящиеся в эксплуатации, дооснашаются ими. Но прежде чем локальные системы диагностики будут действительно вносить существенный вклад в достижение безопасной эксплуатации АЭС и давать положительный экономический эффект, предстоит решить множество задач, начиная от поиска оптимального детекторного оснащения и заканчивая совершенствованием способов достижения того или иного диагноза.

Особенно остро эти проблемы стоят для систем вибродиагностки. Сложность интерпретации спектральных виброхарактеристик, требующая экспертной поддержки в принятии решения, высокие требования к квалификации обслуживающего персонала из-за наукоемкости самих систем, неопределенность конечных целей вибромониторинга из-за скудности априорных знаний о вибросвойствах РУ и, как следствие, отсутствия нормативной базы, затрудняют присвоение этим системам статуса штатных систем диагностики РУ.

Для реализации раннего диагностирования необходимы работы в двух направлениях. Во-первых, увеличение наблюдаемости объекта за счет наращивания штатных измерений новыми, высокочувствительными к «малым» аномалиям измерительными каналами. Во-вторых, разработка методов выделения диагностической информации из штатных и нештатных сигналов. Большинство из этих методов длительное время были только инструментом исследований, например, методы шумового анализа или методы полномасштабного вибромоделирования РУ. Чтобы довести их до эксплуатационного уровня, необходим длительный этап приработки систем ранней диагностики к конкретной РУ, начинающийся с лабораторного моделирования, с прохождением этапов экспериментирования на стендах и объектах, этапов опытной эксплуатации и т.п.

Любая спектральная оценка любого сигнала первичного преобразователя системы виброконтроля содержит до нескольких десятков резонансных особенностей, а каждая резонансная особенность, вообще говоря, несет информацию о техническом состоянии того или иного элемента РУ. Если резонанс описывается местоположением на оси частот, амплитудой и добротностью, то по каждому такому параметру, в идеале, необходимо иметь диагностические пороги и алгоритмы, связывающие выходы за пороги с диагностическими сообщениями. Большинство существующих СВШК способны лишь следить за изменениями некоторых спектральных диагностических признаков в эксплуатационных условиях, но не автоматически устанавливать диагнозы.

Главная задача СВШД - определение вибросостояния оборудования по медленно изменяющимся как за межремонтный период, так и за время жизни РУ, параметрам (по трендам, которые измеряются с достаточно большим временным шагом). В подобных диагностических задачах всегда существуют затруднения при выставлении порогов по диагностическим признакам. Из-за априорной неопределенности их, как правило, назначают после наблюдения за объектом в течение достаточно длительного времени.

Наиболее сложен виброконтроль ВКУ и ТВС, притом, что именно для них вибрации наиболее опасны, так как их вибрационное повреждение угрожает выходу радиоактивности за пределы барьеров безопасности. Основное оборудование ГЦК диагностировать легче вследствие того, что датчики вибрации могут быть смонтированы непосредственно на нем. По результатам многочисленных экспериментальных обследований, проведенных в различных странах, вибрации до сих пор являются одной из основных причин отказов ТВС. В эксплуатационных условиях крайне затруднительно, не нанося ущерба надежности оборудования в целом, контролировать вибрации непосредственно, т.е. устанавливая датчики вибраций на ВКУ и ТВС, хотя такие прецеденты и существуют. В конечном итоге, системы виброшумового контроля реакторной установки базируются на косвенных измерениях и, в частности, на измерениях флуктуирующих компонентов сигналов штатных детекторов. Так, большинство СВШК используют совокупность датчиков перемещений, установленных на корпусе реактора, датчиков пульсаций давления (ДПД) теплоносителя и датчиков вне- и внутризонного нейтронного потока. При этом чувствительность к амплитудам вибраций ВКУ и ТВС может достигать единиц микрометров, а частотный диапазон (десятые доли герц - десятки герц) покрывает первые основные типы колебаний ВКУ и ТВС. Тем не менее вопрос о достаточности глубины диагностирования такими средствами нельзя считать закрытым.

Виброизнос ТВС зависит не только от ее собственных вибрационных свойств (собственные частоты, собственные типы колебаний ТВС), но и от вибросостояния ВКУ (особенно шахты), корпуса реактора, вертикального прижимного усилия со стороны БЗТ, локального расхода теплоносителя через данную ТВС, перепада давления ТН на АкЗ и параметров пульсаций давления ТН.

Один из главных факторов вибронагруженности ВКУ и ТВС - скорость (расход) ТН. Причем важны как интегральный расход по контуру, так и локальные поканальные расходы. Если виброизнос или непроектное закрепление ВКУ и ТВС чаще всего выявляются по изменению частоты резонанса соответствующего элемента, то увеличение расхода сверх проектной нормы чаще всего проявляется в увеличении амплитуды виброперемещений.

ВКУ и ТВС как элементы единой конструкции связанных колебательных масс влияют на вибросостояние друг друга. Тем не менее в качестве грубого приближения можно считать, что расход ТН по контуру как интегральный параметр определяет вибронагруженность шахты, а поканальные расходы - вибронагруженность ТВС.

ТВС может иметь превосходные собственные вибрационные свойства, но если она является частью аномально вибрирующей конструкции (по перечисленным выше параметрам), то ее виброресурс может быть исчерпан до окончания назначенного срока эксплуатации. Поэтому контроль вибраций ТВС в эксплуатационных условиях нельзя проводить в отрыве от контроля вибраций ВКУ и корпуса, а также шумовых измерений расхода и пульсаций давления. Перечисленные проблемы являются составной частью реакторно-шумовой диагностики, а по объему расчетно-экспериментальных исследований и важности их приложений - основной частью этой области диагностики. Строго говоря, на вибрации ТВС влияют не только вибрации ВКУ и корпуса реактора, но и вибрации оборудования петель и, особенно, ГЦН. Поэтому число измерительных каналов СВШК расширяют за счет каналов измерения виброперемещений основного оборудования и трубопроводов ГЦК.

Помимо решения обширных задач виброконтроля основного оборудования ГЦК, ВКУ и ТВС СВШД может быть использована для:

  • измерения температурного и барометрического коэффициентов реактивности и как следствие определения концентрации борной кислоты в теплоносителе;
  • обнаружения и контроля недогретого кипения ТН;
  • измерения поканального расхода ТН;
  • идентификации параметров различных передаточных функций активной зоны, характеризующих ее теплогидравлическое состояние;
  • самодиагностирования датчиков внутриреакторного контроля, в том числе, измерения эффективности ДПЗ, ИК и постоянных времени термопар.

1.3 Инциденты, обусловленные аномально вибрирующими ВКУ и ТВС

Локальные системы диагностирования, реализующие принцип раннего распознавания отказов оборудования, поставляют эксплуатационному персоналу как редкое событие так называемое диагностическое событие - акт пересечения заранее назначенного диагностического порога некоторым диагностическим признаком. При корректно настроенных порогах локальная система диагностирования чувствительна к самым ранним стадиям зарождения аномалии. События, приведенные в табл. 1.1, к таковым отнести нельзя. Это не результаты ранней диагностики, так как в те времена локальные системы диагностики либо отсутствовали, либо находились в зачаточном состоянии.

Таблица 1.1. Инциденты, обусловленные аномально вибрирующими ВКУ и ТВС (с 1967 по 1985 гг.)
ГодТип, станция, странаАномально вибрирующий элементАномальные сигналы датчиковПринятые меры
1967PWR, Obrigheim, ФРГТеплозащитный экранДатчики вибрации на корпусе реактораНеплановый ремонт крепежных элементов экрана, добавочные крепежные элементы
1969ВВЭР, НВАЭС, СССРТеплозащитный экранДатчики давленияНеплановый ремонт, изменение конструкции
1972PWR, Palizades, СШАШахта, теплозащитный экранИК, ДПЗ, акселерометрыНеплановый ремонт крепления шахты, изменение конструкции
1973PWR, Stade, ФРГОпорная конструкция АкЗДатчики давленияИзменение конструкции
1973ВВЭР, Greifswald, ГДРАРКВнезонные ИКИзменение конструкции
1975PWR, Biblis, ФРГШахтаДатчики вибраций, внезонные ИКЗамена разрушенных крепежных элементов
1980PWR, Tihange 1, БельгияТВСИК, ДПЗ, акселерометрыЗамена разрушенных ТВС
1981PWR, Oconee, СШАТеплозащитный экранИКНеплановый ремонт, изменение конструкции
1981PWR, Bugey 2, ФранцияТВСДПЗЗамена разрушенных ТВС
1981PWR, Biblis, ФРГОпорная конструкция АкЗАкселерометрыИзменение конструкции
1982PWR, Biblis, ФРГТВСДПЗЗамена разрушенных ТВС
1982PWR, Safran, ФранцияШахтаАкселерометрыНеплановый ремонт, изменение конструкции
1983PWR, Main Yankee, СШАТеплозащитный экранИКНеплановый длительный ремонт, изменение конструкции
1983PWR, Trojan, СШАТВС, шахтаДПЗНеплановый длительный ремонт
1984PWR, Biblis, ФРГШахтаДатчики вибрацийИзменение конструкции
1985ВВЭР, Greifswald, ГДРШахтаИКНеплановый длительный ремонт

В некоторых случаях аномальные вибрации обнаруживали по нештатным сигналам датчиков вибраций, которые не были демонтированы со времен пусконаладочных испытаний. Но чаще всего использовали показания штатных датчиков (нейтронного потока и давления), которые непосредственно не предназначались для измерения вибраций. Так, аномальные вибрации теплового экрана на АЭС Big Rock Point (США) в 1964 г. были обнаружены, когда размах колебаний нейтронного потока в номинальных условиях эксплуатации достиг 9 %. Обычно размах флуктуации нейтронного потока для большинства конструкций реакторов редко превосходит 0,5 % среднего уровня тока нейтронного детектора. На реакторе EBR-2 (США) аномальные вибрации ТВС вызвали увеличение колебаний нейтронного потока до 2,5 %. На АЭС Greifswald (ГДР) с ВВЭР-440 в 1985 г. из-за потери жесткости упругими трубчатыми элементами крепления шахты среднее квадратическое значение (СКЗ) флуктуации нейтронного потока увеличилось на порядок.

Инцидент, зафиксированный под первым номером (см. табл. 1.1), был обнаружен во время ПНИ. Тем самым была предотвращена крупная авария, так как износ узлов крепления теплового экрана был столь значительным, что они непременно бы разрушились в течение первой же кампании.

В 1973 г. на АЭС Stade (см. табл. 1.1) по повышенным пульсациям давления ТН на высоких частотах было обнаружено ослабление крепления днища шахты. Тот факт, что в эксплуатационных условиях возможно обнаружение слабо затянутого болта элемента ВКУ (как потом выяснилось при проведении ППР) по флуктуациям сигналов штатных датчиков, послужил толчком для развития СВШК. В настоящее время вибрации этих элементов конструкции, расположенных на днище корпуса реактора, контролируются на значительном удалении с помощью датчиков перемещения, установленных на крышке корпуса реактора.

Ключевым событием в истории вибрационных инцидентов считается инцидент, связанный с аномальными вибрациями шахты на АЭС Palizades (США) в 1972 г. Исследовательская группа под руководством Р. Крайтера успела провести качественные измерения флуктуации сигналов детекторов вне- и внутризонного нейтронного потока в период до вывода блока в ППР. Работа, в которой были представлены основные диагностические признаки аномальных вибраций шахты в виде различных авто- и взаимных вероятностных характеристик НШ, стала классической. Заключение исследовательской группы об аномальном вибросостоянии шахты совпало с последующими выводами инспекции во время проведения ремонтных работ. С этого времени нейтронно-шумовой метод контроля ВКУ стал интенсивно внедряться на АЭС различных стран.

1.4 Особые свойства системы виброшумовой диагностики

СВШД характеризуется существенными особенностями по сравнению с другими локальными системами диагностики. Ниже СВШД сравнивается с двумя распространенными системами: системой обнаружения и локализации посторонних предметов и слабо закрепленных частей (СОСП) и системой контроля (акустической) течей теплоносителя (СКАТ).

СВШД базируется на датчиках различной физической природы и, как правило, имеет больше каналов измерения, чем СОСП и СКАТ. Спектральные характеристики сигналов СВШД поставляют большее число диагностических признаков, чем сигналы СОСП и СКАТ. В отличие от СОСП и СКАТ СВШД имеет большой резерв по увеличению числа диагностических признаков. Перебрать все возможные пары сигналов, чтобы построить взаимные характеристики, практически невозможно: всего возможных пар сигналов (n2 - n)/2, где n - число каналов. Например, для n = 32 число пар достигает 500. О комбинаторике каналов для многомерных спектральных характеристик говорить не приходится.

И СОСП, и СКАТ настраиваются на выявление какого-либо одного физического явления. В первом случае обнаруживаются удары по корпусу реактора, во втором - увеличение мощности акустического шума из-за выхода ТН за пределы ГЦК. Резонансы сигналов СВШД, как правило, представляют собой сложный комплекс физических явлений. Например, в сигналах СВШД эффекты вибраций опосредуются нейтронно-теплогидравлическими явлениями.

Объем вычислений и их сложность для извлечения из регистрируемых сигналов диагностических признаков у СВШД несоизмеримо выше, чем у систем СОСП и СКАТ. Вряд ли правомочно требовать знания этих вычислительных процедур от эксплуатирующего персонала АЭС. Например, многомерный авторегрессионый анализ (МАР-анализ) - эффективный инструмент получения вибродиагностических признаков - реализуется реккурсивной комплекснозначной матричной арифметикой, освоение которой требует высокой математической культуры.

СОСП и СКАТ в главных своих функциях представляют собой прежде всего системы обнаружения (есть или нет течь, есть или нет в ГЦК посторонние предметы) и только потом системы, производящие некие оценки (где и какая течь, где и какой массы посторонний предмет). Вибрации же на функционирующем оборудовании существуют всегда. Конечно, можно считать, что и СВШД является системой обнаружения только аномальных вибраций. Однако не всегда удается определить, что есть аномальная вибрация того или иного конструкционного элемента, который отображается сигналами СВШД. Не всегда возможно априори регламентировать нормативными документами пределы изменения вибрационных характеристик того или иного элемента в процессе эксплуатации. Именно наблюдение за ними в течение, по крайней мере, одного топливного цикла позволяет сформировать пороги по некоторым диагностическим признакам, выход за которые отождествляется с появлением аномального вибросостояния. Любая из перечисленных систем для своей эффективной работы требует априорных сведений. Однако объем и сложность априорных сведений для СВШД значительно выше, чем для других перечисленных систем. Иными словами, СОСП и СКАТ в известном смысле инвариантны к объекту диагностирования. Их алгоритмы диагностирования могут быть построены заранее, а учет специфики конкретного реактора лишь улучшает отношение сигнал/шум и/или уменьшает число ложных тревог. Для СВШД тип реактора, его конструктивные особенности играют определяющую роль именно в алгоритмах диагностирования. Из-за этого адаптация СВШД к объекту не есть единичный акт настройки, а длительный процесс опытной эксплуатации.

СОСП и СКАТ - системы реального времени, т.е. они перерабатывают информацию со скоростью, не меньшей скорости ее поступления. Существование аномальных вибраций, из-за которых необходимо выводить блок из эксплуатации, - крайне редкое явление. А их внезапное появление, для обнаружения которого необходим режим реального времени, - еще более невероятное событие. Основная функция СВШД - периодический отсроченный контроль вибраций оборудования в течение кампании реактора, выявление и анализ «медленных» трендов вибродиагностических признаков. Именно знание динамики вибродиагностических признаков и позволяет оценивать и прогнозировать реальный виброресурс оборудования, не допускать его внезапных отказов, знать к моменту начала планового ремонта «слабые» места оборудования, прежде всего подлежащие ремонту или замене, т.е. производить ППР по состоянию, а не только по регламенту.

Анализ вибродиагностической информации требует экспертной поддержки. Для этого необходимы специалисты по вибродиагностике, способные проинтерпретировать наблюдаемые явления. Таким образом, чтобы получить качественные диагностические признаки в СВШД нужны специальные знания спектральной теории случайных процессов, а чтобы сынтерпретировать их, нужны специальные знания теории реакторных шумов и реакторной вибродиагностики. Вряд ли возможно создать такие группы экспертов на каждой АЭС. Экспертная поддержка эффективно реализуется межрегиональным диагностическим центром, в котором накапливается информация со многих АЭС, поэтому существует возможность проводить анализ не только по времени, но и по ансамблю однотипных реакторов.

Средствами СВШД попутно могут быть решены и другие, не вибродиагностические задачи, так как некоторые сигналы СВШД (ДПЗ, ИК, ДПД) несут диагностическую информацию о нейтронно-теплогидравлическом состоянии АкЗ. С их помощью можно оценивать неизмеряемые непосредственно параметры (коэффициенты реактивности, концентрацию борной кислоты, теплогидравлические параметры АкЗ, например, поканальные расходы и т.п.), а также производить контроль кипения ТН и ресурсных изменений АкЗ.

В пределах нормального вибросостояния РУ СВШД имеет дело с изменяющимися во времени диагностическими признаками. Изменения виброхарактеристик за кампанию неизбежны вследствие естественного износа оборудования. Разным эффектам соответствует своя динамика резонансов. Возможно перекрытие одного резонанса другим, выход резонанса за исследуемый диапазон частот, два резонанса могут поменяться местами на частотной оси за время между измерениями и т.п.

Чтобы выбрать некоторое множество резонансов, необходимо, во-первых, сынтерпретировать их, т.е. получить знания о причинах их происхождения и, во-вторых, сделать множество резонансов представительным, т.е. несущим достаточно полную диагностическую информацию о наиболее важных узлах РУ с точки зрения ее безопасной эксплуатации.

Интерпретация резонансов - длительный исследовательский процесс, включающий не только натурные измерения, но и стендовые эксперименты и модельные расчеты. Для интерпретации резонансов требуется коллективный труд нескольких исследовательских групп. Яркий пример - история шумовых исследований на РУ ВВЭР-440. Практически во всех странах, где эксплуатируется (или эксплуатировался) ВВЭР-440 (СССР, Болгария, Венгрия, Германия, Чехословакия, Финляндия), такие исследования проводились, однако говорить об их завершении не приходится. Представительность множества резонансов также является предметом исследований. Совершенно необязательно, что самые большие по амплитуде резонансы АСПМ несут самую ценную диагностическую информацию. То же самое относится и к взаимным спектральным характеристикам: высококогерентными составляющими могут быть маскирующие вибрации эффекты.

Элементы того или иного множества резонансов могут не воспроизводиться от одного измерения к другому, однако поиск таких отличий и есть одна из функций диагностики. Алгоритмия СВШД должна выделять такие эффекты автоматически. Преимущество автоматического выделения резонансов состоит и в том, что аномалии выявляются на ранней стадии, когда они еще не заметны визуально. При ручном выделении частот резонансов их большое число в одной спектральной характеристике и непостоянство во времени обусловливают опасность пропуска эффектов.