ATOMERŐMŰVI VILLAMOS RENDSZEREK, KÁBELEK ÖREGEDÉSE

ATOMERŐMŰVI VILLAMOS RENDSZEREK, KÁBELEK ÖREGEDÉSE Ferenczi Zoltán VEIKI-VNL Kft. ATOMERŐMŰVEK (BME-NTI) 2012 május 3.

Az atomerőmű biztonsági filozófiájának alaptétele: Az erőmű biztonsága szempontjából releváns (1E) rendszereknek minősített élettartamuk alatt (még annak utolsó napján is!) bekövetkező üzemzavar során működniük kell. Következmény: A követelmény fokozottan érvényes a biztonsági funkciót ellátó E I&C rendszerelemekre

Témakörök: ¾A környezet hatása a villamos berendezések működésére, az öregedés. ¾Berendezések minősítése. ¾Atomerőművi kábelek öregedése.

A KÖRNYEZET HATÁSA A VILLAMOS BERENDEZÉSEK MŰKÖDÉSÉRE

I. A KÖRNYEZET HATÁSA A VILLAMOS BERENDEZÉSEK MŰKÖDÉSÉRE 1. Az atomerőmű üzemi és üzemzavari környezete Üzemi (barátságos) környezet: - 30-65 °C hőmérséklet, (hot-spot helyek) - alacsony sugárzási szint (µGy/ó, mGy/ó) - 40-90 % relatív páratartalom, - a konténmenten belül 15-20 mm vízoszlop depresszió, - vibráció.


Üzemzavari (barátságtalan) környezet: magas hőmérséklet (140-210 °C) - nyomás tranziens (~1,5 bar túlnyomás) - magas sugárzási szint (1-10 kGy/ó) - kondenzált gőz (közel 100 % relatív páratartalom) - elárasztás, kemikáliák (bórsav, kálium, hidrazin), - szeizmikus események: - Vibráció - OBE/SL-1 - SSE/SL-2

-


2. A környezet öregedést generáló folyamatai: Oxidatív öregedés: Magas üzemi hőmérsékleten O2 jelenlétében a szigetelőanyagokban zajló vegyi folyamatok az anyag ridegedését okozzák. Extrém környezeti viszonyok (LOCA) esetén a hőmérséklet, sugárzás és nyomás tranziens az anyag tulajdonságainak hirtelen változását okozza (szigetelési ellenállás, rugalmasság, alak- és méretváltozás).


Sugárzás hatására történő öregedés: Nagyenergiájú sugárzás a szigetelő anyaggal kölcsönhatásba lépve energiája egy részét leadja és az anyagban változást hoz létre (térhálósodás, polimerlánc hasadása, szabad gyökök aktiválódása). O2 jelenlétében a folyamat felgyorsul. A sugárzás által generált szabad gyökök és ionok (kémiailag aktív centrumok) a sugárzás megszűnése után hőenergiával aktiválhatók (korábban besugárzott anyagok termikus öregedése felgyorsul).


Hőmérséklet- ciklus hatása: A környezeti hőmérséklet megváltozása egyes szerkezet anyagok (polimerek, műgyanták) térfogat változását okozza amely esetenként funkcióvesztéssel jár (tömítések). Kemikáliák hatása: Az üzemzavari bóros befecskendezés vegyi anyagai a fém szerkezeti anyagok korrózióját okozzák (vill. csatlakozások, érintkezők, stb.). Karbantartás hatása: Szerelési munkák okozta meghibásodás (hőszigetelések, kábelek, tömítések).

A KÖRNYEZET HATÁSA A VILLAMOS BERENDEZÉSEKMŰKÖDÉSÉRE

3.

Az öregedési folyamatok következménye - csökkenő élettartam - a biztonsági funkcióteljesítő képesség romlik. A folyamat lassítható az öregítő hatások csökkentésével (szellőzési hatásfok javítása, elválasztás, áthelyezés, árnyékolás, stb.). Az öregedési folyamat hatékony kezelése: - berendezés minősítéssel - öregedés- kezelési programok működtetésével.

BERENDEZÉS MINŐSÍTÉS

II. Berendezés minősítés „Annak bizonyítása, hogy az atomerőmű biztonsági osztályba sorolt berendezései képesek ellátni tervezett biztonsági funkciójukat a teljes élettartamuk során” (3.15.v2. sz. OAH Útmutató). A minősítés igazolja, hogy az adott berendezés esetében - a minősítés érvényességi ideje alatt nem kell feltételezni a „közös okú” (rendszeres, nem véletlen) hiba fellépését.


Közös okú hibák: - koncepcionális (tervezési, gyártási, szerelési, üzemeltetési, karbantartási) hibák - környezeti (öregedési mechanizmusok, üzemzavari tranziensek). Minősítendő rendszerelemek: - alapvető biztonsági funkciót ellátó, - biztonsági funkciót ellátó rendszerelemek, - rendszerelemek, melyek hibájukkal, vagy téves működésükkel megakadályozhatják az előbbiek működését, - egyes beavatkozást igénylő események során fontos funkciót betöltő rendszerelemek.


Minősítés üzemelő atomerőművekben: ¾ Minősítési követelmények meghatározása (tervezői feladat). ¾ A korábban épült atomerőművek biztonsági berendezéseinek kezdeti minősítése nincs a tervezési alapban. ¾ A hiányosságok felszámolásának és a minősített állapot fenntartásának párhuzamos igénye (üzemidő hosszabbítás!). ¾ A megváltozott környezeti, vagy üzemelési körülmények minősítési igénye (telj. növelés, új CONTAIN számítás).


A környezeti minősítés érvényessége: A minősítés érvényességének időtartamát és környezetét az üzemi környezeti szimuláció paraméterei határozzák meg. Megszűnik a minősítés érvényessége, ha: - a minősítés érvényességi ideje lejár, - ha a minősítéskor figyelembe vett környezeti, üzemi, vagy üzemzavari paraméterek megváltoztak, - ha az ellenőrzések, funkcionális tesztek, illetve a karbantartás eredményei alapján új szignifikáns öregítő hatást azonosítanak.

A KONTÉNMENTI KÁBELEK ÖREGEDÉSE

III.

Kábelek öregedése, öregedés- kezelés

Biztonsági követelmény: Az 1E biztonsági feladatot ellátó berendezések kábeleinek minősített élettartamuk során teljesíteniük kell elvárt funkciójukat. Öregedés-kezelés célja: A biztonsági osztályba sorolt berendezések kábeleinek élettartamát korlátozó azonos okokra visszavezethető (szignifikáns) öregedési folyamatok korai felismerése az időben elvégezhető korrekció érdekében.


1. Vizsgálatok a Paksi Atomerőműben ¾ Állapot felmérés A biztonsági funkciót ellátó E I&C nyomvonali kábelek állapotának felmérése. ¾ Üzemi környezet monitorozása A konténmenti kábel környezet üzemi paramétereinek (hőmérséklet, sugárzás) felmérése egy-egy teljes üzemi ciklus során. ¾ Konténmentből kiszerelt kábelek üzemzavari vizsgálata az erőmű tervezett üzemzavari paramétereivel (DBE).


¾ Az 1-4 blokki környezet szisztematikus monitorozása A korábbi környezet monitoring eredményei, a kábelek állapot felmérése, valamint az üzemeltetés, karbantartás tapasztalatai alapján kijelölt kábel környezetek kritikus helyeinek további vizsgálata. ¾ Gyorsított öregítés vizsgálatok kábel- depóban Az üzemi környezethez képest bizonyos „előfutással” öregedő kábelek időszakos üzemzavari vizsgálatainak eredménye alapján prognosztizálható a kábel várható viselkedése egy későbbiekben bekövetkező üzemzavar során.


¾ Üzemből kiszerelt kábelek laboratóriumi vizsgálata Ismert környezetből származó E I&C kábeleken laboratóriumi gyorsított öregítés vizsgálatok után a telepítési környezetre jellemző paraméterekkel üzemzavari vizsgálat.

A KÁBELEK ÁLLAPOTÁNAK FELMÉRÉSE

Kábel állapot felmérés: Egyes E I&C kábelek (armatúra) meghibásodása miatt 1997 évtől kezdődően konténmenti kábel állapot felmérés: ¾ 2. blokkon átfogó helyszíni ellenőrzés a biztonsági kábelek nyomvonalán lévő kábelek állapotának tisztázására: - a sérült kábelek szemrevételezése, - szigetelési ellenállásmérés, - mintavétel a sérült kábelekből laborvizsgálatok céljára.

A KÁBELEK ÁLLAPOTÁNAK FELMÉRÉSE

¾ Az állapot felmérés tapasztalatai: - a KPoSZG kábelek: jellemző az ólomköpeny mechanikai sérülése. A sérült kábelköpeny környékén – az oxigén behatolás miatt – intenzív öregedés indul meg. Magas hőmérsékletű környezetben az érszigetelésen „gyűrűs” repedések. - KPETI, és SZRMKVM kábelek köpeny és érszigetelése esetenként intenzív öregedést mutat. Jellemző a kábelvégtől számított 4-5 m távolságban érzékelhető öregedés. - tömszelencék: tömítési problémák, - készülék csatlakozók: hibás kábel rögzítések.

KÁBELEK ÜZEMI KÖRNYEZETÉNEK MONITOROZÁSA

Környezeti monitoring: ¾ a 2. blokkon 1997-ben egy teljes üzemi cikluson át környezet monitoring (hőmérséklet és sugárzás) a konténment kritikus helyiségeiben a PART. és a Siemens KWU együttműködés keretében. Hőmérséklet: 4 csatornás autonóm adatgyűjtő higanyos maximum-hőmérséklet mérő. Dozimetria: analine/ESR doziméter (70 °C-ig). A monitorozott helyek meghatározása az üzemeltetési tapasztalatok, javítás, karbantartási információi alapján.

KÁBELEK ÜZEMI KÖRNYEZETÉNEK MONITOROZÁSA

¾ A monitoring eredménye: - a hőmérséklet egyes helyeken (gőzfejlesztő, reaktor hűtő cső, hidroakkumulátorok környezete) meghaladja a 60 °C tervezési hőmérsékletet, - az integrált dózisból számított legmagasabb sugárzás 0,3 Gy/ó, amely nagyságrendjét tekintve megfelel más WWER erőművek tapasztalatának, ám lényegesen meghaladja a 0,1 Gy/ó tervezési értéket, - döntés születik az üzemből kiszerelt kábelek „in situ” vizsgálatának szükségességéről.

TELEPÍTETT 4 CSATORNÁS AUTONOM HŐMÉRSÉKLET ADATGYŰJTŐ

KÁBELCSATORNA KÖRNYEZETÉNEK MONITOROZÁSA

CSATLAKOZÓ DOBOZ KÖRNYEZETÉNEK VIZSGÁLATA

TOLÓZÁR TELEPÍTÉSI KÖRNYEZETÉNEK MONITOROZÁSA

ÜZEMI KÖRNYEZETBŐL KISZERELT KÁBELEK VIZSGÁLATA

Funkcióképesség vizsgálat: ¾ A monitoring eredménye: ¾ Vizsgálati program a tervezési dokumentáció alapján: - E/E0, szigetelési ellenállásmérés - üzemzavari γ sugárzás modellezése - üzemzavari (LOCA) szimuláció a tervezési dokumentáció alapján (DBE) : - előkondicionálás (60 °C) - 5 kis LOCA (90 °C/ 0,17 MPa/5 óra) - 1 nagy LOCA (135 °C/ 0,25 MPa/10 óra) - utóöregítés (60 °C/ 0,10 MPa/125 óra) - E/E0, szigetelési ellenállás mérés.

ÜZEMI KÖRNYEZETBŐL KISZERELT KÁBELEK VIZSGÁLATA

¾ Megfelelőségi kritériumok: - szakadási nyúlás csökkenése max. 50 % - szigetelési ellenállás (minimum 1 Mohm), - a kábelér folytonosságának megmaradása. ¾ A vizsgálat eredménye: - a kábelszigetelések E/E0 értékei LOCA után drasztikusan csökkentek, - a térhálósított PE (XLPE) szigetelésű kábelek megtartották, a PVC szigetelésűek elvesztették integritásukat, - ellentmondás: E/Eo – szigetelési ellenállás.

ÜZEMZAVARI (LOCA) VIZSGÁLATRA ELŐKÉSZÍTETT KÁBELMINTÁK

KÁBELVÉGEK KIVEZETÉSE A HERMETIKUS A VIZSGÁLÓ TARTÁLYBÓL

VIZSGÁLÓ TARTÁLYBÓL KIEMELT KÁBELEK A LOCA VIZSGÁLAT UTÁN

SÉRÜLT PVC SZIGETELÉSŰ KÁBEL A LOCA VIZSGÁLAT UTÁN

SÉRÜLT PVC SZIGETELÉSŰ KÁBEL A LOCA VIZSGÁLAT UTÁN

A KÁBELEK ÜZEMI KÖRNYEZETÉNEK MONITOROZÁSA

1-4 blokki környezet monitorozása A korábbi monitoring eredményei alapján célzott vizsgálatok a kábelek szempontjából kritikus környezet üzemi hőmérséklet és sugárzás meghatározására. Monitorozás: - 138 ponton dozimetriai mérés (a korábbi analine/ESR érzékelő helyett TL doziméterrel) - 79 ponton hőmérséklet mérés (4 csatornás mérésadatgyűjtők).


A monitorozás eredménye: ¾ hőmérséklet: a hermetikus térben az eloszlás inhomogén, a kábelek hőmérséklet terhelése nagyobb a tervezettnél. A monitorozás idejére vetített átlag hőmérséklet 56 °C, de helyileg kialakulnak ennél lényegesen magasabb hőmérséklet értékek (hotspot). A magas hőmérsékletű technológiai berendezések közvetlen hősugárzásától védett helyeken az átlagos üzemi hőmérséklet ennél közel 10 °C-al alacsonyabb.


¾ sugárzás: az üzemi dózis átlag az erőműre vonatkozó tervezési érték körül szór. A mért értékek a főberendezések közelében jelentős inhomogenitás. A dózismérés eredményei közel 20 %-ban térnek el a korábbi (1997) vizsgálatoktól. A kábelek szempontjából számottevő sugárzás az A201 helyiségben mérhető. Megállapítható, hogy a kábelek öregedését a Paksi Atomerőmű WWER-440/213 blokk konténmentjében elsősorban az üzemi környezet hőmérséklete determinálja.


A monitorozás eredménye alapján tett intézkedések: ¾ a korábbi monitorozás eredményei alapján a további vizsgálatok az A201, valamint a vele egy légtérben lévő helyiségekre koncentrálódtak, ¾ bejárások a kábelek állapot pontos felmérésére, ¾ megindult a fokozott mechanikai terhelésnek kitett tolózár lengő kábelek cseréje, ¾ a hosszabb kábelszakaszok cseréje helyett kábel toldási technológia alkalmazása, ¾ megkezdődik a kábelek gyorsított öregítése a 2. blokk 1 hurok hidegágán elhelyezett depóban.

KÁBELEK GYORSÍTOTT ÖREGITÉS- VIZSGÁLATAI KÁBELDEPÓBAN

Öregítés kábeldepóban (1999-2003) ¾ a kábelek a depóban valós üzemi körülmények között, ellenőrzött módon öregszenek (hőmérséklet, sugárzás) ¾ a gyorsítási tényező ismeretében a kívánt öregítés ideje egyszerűen meghatározható. A felgyorsított folyamat – bizonyos határok között – ugyanolyan hatást idéz elő a kábel szigetelőanyagában, mint a normál üzemelés, csak rövidebb idő alatt. ¾ normál üzemi környezetben öregedő kábelekhez képest a depóban öregedő kábelek „előretartási idővel” rendelkeznek.


Hátránya: ¾ a depó nem megfelelő elhelyezése esetén a reaktor tartályból kilépő neutronok a réz szerkezeti elemeket felaktiválhatják, ezért – a kábel jelentős aktivitása miatt – különleges kezelést igényel (a kábelminták nem hozhatók ki a konténmentből, így azok további vizsgálati lehetősége korlátozott). ¾ a kábelek mozgatása a kábel depóban (berakás, kivétel) a környezet magas sugárzási viszonyai miatt csak a blokk leálláskor lehetséges, azaz kötve van az atomerőmű üzemelési ciklusához.


Vizsgálati módszer: ¾ a kábeldepóban elhelyezett, üzemből kiszerelt típusonként 5-5 db kábel „előélete” (installációs környezet, környezeti paraméter, stb.) ismert volt. Ugyanakkor, ellentétben a nyugat-Európában installált kábelekkel a szovjet kábelek esetében nem rendelkeztünk a kábelek „0” állapot mechanikai paramétereivel (E/Eo). t ¾ a vizsgálat során viszonyítási alapnak a kábel szigetelőanyag kiszereléskor mért (E/Eo) értékeit tekintettük.


¾ a depóból két év elteltével mintavétel. a mintákon végzett vizsgálatok: • szigetelési ellenállásmérés, • szakítás vizsgálat (E/Eo), • egyszerűsített üzemzavari vizsgálat (gőzteszt), • szigetelési ellenállás mérés (48 óra után) • újabb szakítás vizsgálat (E/Eo). ¾ az első kivétel után évente további kábelminták kivétele és vizsgálata.


Vizsgálati eredmények: ¾ a szakítás vizsgálatok eredményei a referencia értékhez képest: jelentős szórás (szigetelőanyag inhomogenitás) ¾ a szigetelési ellenállás mérés nem alkalmas az öregedés előrehaladásának meghatározására, eredmények csak a változás tendenciájának jelzésére alkalmazható. ¾ a mérési eredmények szórása miatt a kábelek öregedésére nem állítható fel egyértelmű trend, a vizsgálati eredmények nem alkalmasak a kábelek maradék élettartamának meghatározására.


¾ a kivett kábelminták a depóban történő gyorsított öregítés során a jelen lévő neutronok miatt egyre nagyobb mértékben felaktiválódnak, amely nehezíti, vagy teljesen ellehetetleníti további vizsgálatokat. A depóban végzett vizsgálatok értékelése alapján megállapítható, hogy a szakítás vizsgálatok értékelésén alapuló öregedési állapot meghatározás módszere a – szigetelő anyag inhomogenitása miatt – a szovjet kábelek esetében nem alkalmas az öregedési trend, valamint a kábel maradék élettartamának meghatározására!

KÁBELEK BEHELYEZÉSE A DEPÓBA

A DEPÓ MONITOROZÁSÁRA SZOLGÁLÓ HŐMÉRSÉKLET ÉS SUGÁRZÁSMÉRŐK

GŐZ-TESZTRE ELŐKÉSZÍTETT DEPÓBAN ÖREGÍTETT KÁBELMINTÁK

KÁBELEK GYORSÍTOTT ÖREGEDÉS-VIZSGÁLATAI LABORATÓRIUMBAN

Laboratóriumi vizsgálatok: kiküszöbölik a depóban történő öregítés hátrányait. Előnye: ¾az öregítés ideje számítható, ¾a próbatárgyak kezelése egyszerűbb, a vizsgálatok nem kötődnek a blokki ciklushoz, ¾az öregítés során nem történik felaktiválódás. Hátránya: ¾a termikus és sugáröregítés időben elválik egymástól (synergia hatás).


A vizsgálati módszer: KÁBELEK LABORATÓRIUMI ÖREGÍTÉSE ¾ ismert üzemi környezetből származó kábelek üzemzavari vizsgálata (a kábel jelenlegi funkció képesség igazolására), ¾ a kábelek adott időszakra történő gyorsított öregítése (T, γ) után történő üzemzavari vizsgálat (a kábel állapot prognózis). Megfelelőségi kritérium: a kábel az elvégzett üzemzavari szimulációs vizsgálat során meg kell őrizze működőképességét.


A szükséges paraméterek: ¾ a kábel környezet üzemi paraméterei (hőmérséklet, sugárzás), ¾ a gyorsított öregítés alkalmazható paraméterei (T, γ), ¾ a kábel szigetelő anyagok aktivációs energia értéke a szükséges öregítési idő számításához, ¾ a minősítés kívánt érvényességi ideje. A fenti információk alapján a kábelek gyorsított termikus öregítéshez szükséges idő az Arrhenius összefüggés alapján meghatározható.


a termikus öregítéshez (ta) szükséges idő (óra): ta =

ts 1 ⎞ EA ⎛ 1 ⎜⎜ − ⎟⎟ K B ⎝ TS TA ⎠

e ts Ea KB Ts Ta

= üzemidő (óra) = a szigetelés aktiválási energiája [eV] = Boltzmann állandó (8,617x10-5 [eV/K] = üzemi hőmérséklet [K] = öregítési hőmérséklet [K]


A vizsgálatra került kábelek állapota: Heterogén állapot: – a kábel külső ólomköpenye több esetben repedt, deformálódott (karbantartás, kiszerelés okozta sérülések), – a termikus öregedés hatására egyes kábelek érszigetelésén „gyűrűs repedések” a réz érszerkezet oxidációja, – övréteg több kábel esetén rideg


Az alkalmazott üzemzavari paraméterek: A vizsgálatok során az A201 helyiség üzemzavari paramétereit vettük figyelembe. A paraméter értékek meghatározásánál az IEEE 323 szabvány szerinti konzervativizmus. ¾hőmérséklet: 129 °C ¾nyomás: 1,3 bar (túlnyomás) ¾páratartalom: ~ 100 % kondenzációval ¾dózis: 110 kGy/2-3 kGy/ó Az üzemzavari paramétereinek időbeli lefutásának meghatározása CONTAIN számítógépes kóddal történt.

Idő 9:17:24

3:53:27

10:29:30

5:37:12

4:43:13

3:49:13

2:55:14

2:01:14

1:07:15

12:13:15

11:19:16

10:56:37

10:51:13

10:45:49

10:40:25

10:35:01

10:29:37

10:24:13

10:18:49

10:13:25

10:08:01

10:02:37

9:57:13

9:51:50

9:46:26

9:41:02

9:35:38

9:30:14

9:24:50

9:19:26

9:14:02

9:08:38

9:03:14

8:37:15

Hő mérs éklet (°C)

A 201 HELYISÉGBEN 200% CSŐTÖRÉS ESETÉN KIALAKULÓ ÜZEMZAVARI HŐMÉRSÉKLET SZIMULÁCIÓ

140

120

100

80

H1

H2

60

H3

Környezet

40

20

0

A 201 HELYISÉGBEN 200% CSŐTÖRÉS ESETÉN KIALAKULÓ ÜZEMZAVARI NYOMÁS SZIMULÁCIÓ

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2

Idő


A vizsgálatok eredménye: Az erőmű 1-4 blokkjából származó 84 db KPoSZG típusú kábel a vizsgálatok során az A201 helyiségben a NA500 vezeték 200%-os törése esetén kialakuló üzemzavari környezetben megtartotta működőképességét. A kábelek közül néhány esetben az üzemzavari állapot során – az ólom köpeny sérülése miatt – a gőz behatolt a kábel szerkezetbe, ez azonban nem járt a kábel funkcióképességének elvesztésével.

LOCA VIZSGÁLATRA ELŐKÉSZÍTETT ÖREGEDETT ÉRSZIGETELÉSŰ KÁBEL

TERMIKUS ÖREGÍTÉS VIZSGÁLATRA ELŐKÉSZÍTETT KÁBEL

LOCA ALATTI MŰKÖDŐKÉPESSÉG VIZSGÁLAT MÉRÉSI ÖSSZEÁLLÍTÁSA

LOCA VIZSGÁLATRA ELŐKÉSZÍTETT KPoSZG TÍPUSÚ KÁBELEK

A KÁBEL VIZSGÁLATOK TAPASZTALATAI

A kábel öregedés- vizsgálatok tapasztalatai: A kábel szigetelés mechanikai vizsgálata (szakadási nyúlás) a szovjet kábelek esetében csak korlátozott mértékben alkalmazható a szigetelés inhomogenitása miatt. A módszer a nemzetközi gyakorlatnak megfelelően alkalmazható az új beépítésű kábelek esetében. Folytatni kell a biztonsági funkciót ellátó kábelek nyomvonalának monitorozását.

A KÁBEL VIZSGÁLATOK TAPASZTALATAI

A kábel vizsgálatok tapasztalatai (folytatás): Felül kell vizsgálni a jelentős hősugárzó berendezések (gőzfejlesztő hideg-melegági hurok, hidroakkumulátor hőszigetelésének állapotát. Javítani kell a konténment (hermetikus tér) szellőzését. Szükség esetén módosítani kell a kritikus környezetben haladó biztonsági funkciót ellátó kábelek nyomvonalát.

Kérdés?

KÖSZÖNET A TÜRELMÜÉRT!

ATOMERŐMŰVI VILLAMOS RENDSZEREK, KÁBELEK ÖREGEDÉSE

Recommend Documents