Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2011 November 9-11, 2011 - Harmony Club Hotel, Ostrava - Czech Republic OPTIMISATION OF ULTRASONIC TESTING OF WWER RPV DURING IN-SERVICE INSPECTIONS OPTIMALIZACE ULTRAZVUKOVÉHO ZKOUŠENÍ TNR TYPU VVER PŘI PROVOZNÍCH KONTROLÁCH Jan VÍT, Zdeněk SKÁLA, Lukáš STAINER, Jakub SAMEK ŠKODA JS a.s., divize Servis JE, Provozní prohlídky a kontroly Contact e-mail: jan.vit@skoda-js.cz Abstract Operators of WWER nuclear power plants strive to increase the amount of electrical energy produced and delivered to the electricity supply system. The shortening of planned outages of operated units is one of possibilities to achieve this aim effectively. During planned outages with extended fuel exchange (formerly usually called extended general repair), the non-destructive testing of the reactor pressure vessel (RPV) from the inner surface is usually on the critical path of the outage. The paper summarises parameters influencing the testing time length and analyses the possibilities of WWER RPV testing optimisation. The main attention is paid to the ultrasonic testing, which is the most time-demanding. The optimisation of testing by other NDT methods, eddy currents and visual, is also mentioned. Keywords: reactor pressure vessel, ultrasonic testing, eddy currents, visual testing, testing optimisation Abstrakt Provozovatelé jaderných elektráren typu VVER se snaží zvyšovat množství vyráběné a dodávané energie do elektrizační soustavy. Jednou z možností, jak tohoto cíle efektivně dosáhnout, je zkracování délky plánovaných odstávek provozovaných bloků. Při plánovaných odstávkách s rozšířenou výměnou paliva (dříve se zpravidla označovaly jako rozšířené generální opravy) leží obvykle nedestruktivní zkoušení tlakové nádoby reaktoru (TNR) z vnitřního povrchu na kritické cestě odstávky. V příspěvku jsou shrnuty parametry, které mají vliv na délku doby zkoušení a analyzovány možnosti optimalizace zkoušení TNR typu VVER. Hlavní pozornost je věnována zkoušení ultrazvukem, které je časově nejnáročnější. Zmíněna je i optimalizace zkoušení dalšími metodami NDT, jako jsou vířivé proudy a vizuální kontrola. Klíčová slova: tlaková nádoba reaktoru, zkoušení ultrazvukem, vířivé proudy, vizuální zkoušení, optimalizace zkoušení DEFEKTOSKOPIE 2011 199
1. ÚVOD Provozní kontrola tlakové nádoby reaktoru (TNR) leží obvykle při plánované odstávce bloku JE s reaktory typu VVER na její kritické cestě. Provozovatelé bloků JE využívají v současné době všech prostředků ke zkracování délky plánovaných odstávek, včetně požadavku na minimalizaci využití hlavních jeřábů (polárních nebo mostových) na reaktorovém sále JE. 2. RYCHLOST POHYBU ZKUŠEBNÍ HLAVICE Zkušební hlavice se obvykle pohybuje při ultrazvukovém zkoušení odrazovou technikou po stěně TNR meandrovitým způsobem. Využití maximální možné rychlosti plynulého pohybu zkušební hlavice je asi nejjednodušším požadavkem optimalizace metodiky zkoušení. Rychlost zkoušení, tj. plynulého pohybu sond po zkušebním povrchu spojeného se záznamem dat, je ovlivněna následujícími požadavky: Maximální rychlost do 150 mm. s -1. Zajištění kvalitní akustické vazby. Jednoduchost a spolehlivost držáků sond. Minimální hmotnost pohybujících se částí manipulátoru. Maximální rychlost zkoušení pro odrazovou techniku je již historicky limitována hodnotou 150 mm. s -1, která vychází z požadavků ASME Code starších edicí, kde je přesně definována jako 6 palců za sekundu. Dnes dodavatelé kontrol obvykle používají kvalifikované metody a zařízení pro nedestruktivní zkoušení. Součástí těchto technických kvalifikací je i prokazování vhodnosti zvolené rychlosti zkoušení odrazovou technikou, která zpravidla nedosahuje uvedené maximální hodnoty. Při zkoušení difrakční technikou ToFD a technikou Phased Array (PA) se používají rychlosti pochopitelně nižší. Výhodou TNR typu VVER je skutečnost, že mají oba povrchy dostatečné opracované pro zkoušení ultrazvukem. Volba akustické vazby tedy není ničím limitována a můžeme používat i nejjednodušší vazbu a to kontaktní. Na vnitřním povrchu TNR během provozu vznikají povlaky či nánosy; na vnějším povrchu se můžeme setkat s korozí nebo vykrystalizovanou solí kyseliny borité. To vše má vliv na kvalitu akustické vazby. Nerovnosti povrchu, které mohou způsobovat nepravé (falešné) indikace necelistvostí, lze dnes jednoznačně identifikovat, což dříve bylo velmi obtížné nebo prakticky nemožné kvůli množství a interpretaci zaznamenávaných dat. Na držáky sond jsou vyvíjeny zcela protichůdné požadavky: na jednu stranu jednoduchost a spolehlivost a na stranu druhou co nejvíce stupňů volnosti a tím co nejlepší vedení sond po zkušebním povrchu. Nesmíme zapomenout i na pravidla pro zabránění vpádu cizího předmětu (tělesa) do otevřené technologie JE a požadavky na rychlost montáže (demontáže) a dekontaminaci manipulátoru. 200 DEFEKTOSKOPIE 2011
Rychlost pohybu závisí na konstrukčním provedení manipulátoru; na jeho tuhosti a hmotnosti pohybujících se částí. Například součástí manipulátoru USK-213, který se používá pro zkoušení spodní hladké válcové části reaktorů VVER 440 typ V-213 z vnějšího povrchu, je také otočné biologické a tepelné stínění. Celková hmotnost dosahuje cca 40 t. To má zcela zásadní vliv nejen na maximální rychlost měřícího (snímání UT dat) pohybu, ale i na plynulost rozjezdu a dobržďování. Obdobná situace nastává i v případě, kdy plynulý (měřící) pohyb je realizován pomocí teleskopického sloupu. Je-li pro měřící pohyb použita další jednotka menších rozměrů na hlavici teleskopického sloupu, potom je hmotnost pohybujících se částí výrazně menší, ale vzhledem k jejím limitovaným rozměrům to přináší další komplikace. Při zkoušení difrakční technikou ToFD musíme vzít do úvahy potřebou značnou vzdálenost bodů výstupu sond (velká tloušťka stěny TNR). 3. ŠÍŘKA KROKU ZKUŠEBNÍ HLAVICE Při zkoušení meandrovitým způsobem má šířka kroku, tj. vzdálenost dvou měřících pohybů se sběrem dat, ještě větší význam, než rychlost plynulého pohybu. Logickou snahou je co největší šířka kroku zkušební hlavice. Uvádíme některé možnosti jak toho efektivně dosáhnout: Korekce poklesu akustického tlaku na okraji řádky. Sdružené sondy. Sondy s posunutým bodem výstupu. Trojité úhlové sondy podélných vln. Náhrada dvojitých sond sondami jednoduchými. Volba umělých necelistvostí, předepsaných k registraci. Závislost mezi šířkou kroku zkušební hlavice, poklesem akustického tlaku a dráhou ultrazvuku je pro konkrétní ultrazvukovou sondu vlastně speciálním vyhodnocovacím diagramem. Teoreticky je rozměr ultrazvukového svazku nejmenší na dráze odpovídající délce blízkého pole u jednoduchých sond nebo maximální citlivosti u dvojitých fokusujících sond. Při tomto zjednodušení zanedbáváme vliv vedlejších laloků a také celé blízké pole ultrazvukových sond. Jako příklad zde uvádíme speciální vyhodnocovací diagram pro ultrazvukovou sondu typu 60 ET1 (Siemens KWU) viz Obrázek 1 na následující stránce. Termínem sdružená sonda je označena např. sonda 2x 0 SEL. V pouzdře ultrazvukové sondy (rozměry 40x40 mm) jsou dvě dvojité přímé sondy (typ 0 SEL) s posunutým bodem výstupu o polovinu šířky kroku zkušební hlavice. Sonda obsahuje celkem čtyři měniče, dva jsou vysílače a dva přijímače. Teoreticky je možné zdvojnásobit šířku kroku zkušební hlavice. DEFEKTOSKOPIE 2011 201
Obdobného efektu lze dosáhnout použitím sond s posunutým bodem výstupu proti jejich geometrickému středu. Výsledek je stejný jako v předešlém případě, ale potřebujeme jedno místo ve zkušební hlavici navíc. Tento způsob se často využívá také u sond vířivých proudů (ET), které jsou určeny pro detekci zejména podélně orientovaných indikací necelistvostí. Trojité úhlové sondy (např. typ 70 SESL) byly před lety vyvinuty a vyrobeny ve firmě Siemens KWU (Německo). Sondy se skládaly ze dvou přijímacích měničů a jednoho vysílacího měniče, který byl umístěný uprostřed. Konfigurace umožňovala zvýšit šířku kroku zkušební hlavice na dvojnásobek proti standardním sondám typu 70 SEL. Určitě velmi zajímavý podnět. Jednoduché sondy, obvykle díky svému většímu rozměru ultrazvukového svazku, umožňují zvětšit šířku kroku zkušební hlavice. Obdobný efekt má i snížení jmenovité frekvence ultrazvukových sond, ale v obou případech musíme očekávat i snížení citlivosti ultrazvukového zkoušení. Zásadním faktorem, který ovlivňuje šířku kroku zkušební hlavice, je volba umělých necelistvostí, předepsaných k registraci. Není jistě nutné připomínat rozdíly mezi náhradní vadou (Dn), bočním válcovým vývrtem (Dc) a zářezem (h). Zde lze také zohlednit rozsah provozní kontroly, a to nejen z hlediska objemu zkoušeného materiálu TNR, ale i v použití metod NDT. Fig. 1: Probe type 60 ET1 Obr. 1: Sonda 60 ET1 202 DEFEKTOSKOPIE 2011
4. KONSTRUKCE MANIPULÁTORU Pozorný čtenář nebude jistě překvapený, že na konstrukci manipulátoru jsou kladeny zcela protichůdné požadavky. Některé z nich, které mohou ovlivnit délku provozní kontroly TNR, jsou zde naznačeny: Závislost na hlavním (mostovém či polárním) jeřábu JE. Uspořádání sond ve zkušební hlavici. Možnost souběžného zkoušení více hlavicemi nebo více moduly. Rozměry hlavních částí manipulátoru. Snadná dekontaminace. Požadavky na co nejmenší závislost na hlavním (polárního nebo mostového) jeřábu je jedním z důvodů, které upřednostňují manipulátory malých rozměrů jako např. tzv. ponorky (ROV), modulární koncepce pro zkoušení z vnějšího povrchu TNR (magnetická kolečka) nebo manipulátor s decentrálním (koaxiálním) sloupem. Manipulátor ZMM 5 (AREVA NP) byl doplněn o hydraulický systém nezávislého polohování a zvedání centrálního sloupu. Nový manipulátor (zkušební systém) MKS (ŠKODA JS) také bude splňovat tento požadavek, který je preferován zejména na JE s reaktory typu VVER 1000. Uspořádání sond ve zkušební hlavici tj. jejich počet, orientace a rozmístění má zcela zásadní dopad na rozsah pohybu hlavice manipulátoru po zkušebním povrchu (prozkoušenou oblast). Rozměr hlavice musí být optimalizován zejména s ohledem na tzv. překážky v jejím pohybu (např. rozdělovače toku, dělící prstenec, hrdla TNR, dno TNR atd.). Uspořádání sond ve dvou řadách a použití sond stejného typu může omezit rozsah skenování v axiálním směru TNR o jejich vzdálenost v držáku sond. Zkoušení více hlavicemi najednou naopak vyžaduje co nejtužší konstrukční provedení manipulátoru např. systém s centrálním sloupem (nový manipulátor firmy Inetec nebo ZMM firmy Siemens KWU). Výjimkou je zkušební systém švédské firmy AF Kontroll viz Obrázek 2. Zde současně zkoušejí TNR z vnitřního povrchu tři moduly. Nevýhodou jsou vyšší nároky na počet lidí ve směně, náročnější montáž a demontáž, delší časy pro nastavení a kontrolu citlivosti a v neposlední řadě požadavek na počet ultrazvukových sond a tím i kanálů ultrazvukového přístroje. U reaktorů typu VVER lze zkoušení z vnitřního povrchu dvěma hlavicemi najednou použít při zkoušení hladké válcové části TNR a také při zkoušení hrdel DN 500 (DN 850), kde lze spojit zkoušení válcových i rádiusových částí těchto hrdel. Nezbytné je tento způsob zkoušení zahrnout do návrhu manipulátoru, protože dodatečné úpravy zpravidla nepřinášejí očekávané časové úspory. Rozměry hlavních částí manipulátoru by měly být co největší a spolehlivě zajištěné princip zabránění vpádu cizího předmětu (tělesa) do otevřené technologie. To je v rozporu s požadavky na minimalizaci použití hlavního (polárního nebo mostového jeřábu). Velikost částí manipulátoru ovlivňuje i rychlost a jednoduchost montáže a demontáže manipulátoru. To vše je pochopitelně zahrnuto do celkového času provozní kontroly TNR. DEFEKTOSKOPIE 2011 203
Dekontaminace manipulátoru, jeho částí či modulů, představuje důležitou část provedení provozní kontroly TNR typu VVER. Existuje zásada, že manipulátor je dekontaminován na úroveň stejnou, nebo nižší, jako na začátku provozní kontroly. Náročnost a dobu dekontaminace ovlivňují nejen rozměry částí (modulů) manipulátoru, ale i materiály, z kterých jsou díly materiálu vyrobeny. 5. ZÁVĚR Autoři příspěvku se snažili poukázat na šíři a hloubku problematiky, jakou je bezesporu optimalizace ultrazvukového zkoušení TNR typu VVER při provozních kontrolách, včetně dopadů i na další metody NDT (ET či VT). Nechtějí nabízet jednoduchá a jednoznačná řešení, protože taková neexistují. Každá mince má dvě strany rub a líc. Nesmějí se zaměňovat pojmy optimalizace a minimalizace. Fig. 2: Ringhals, September 2010 Obr. 2: JE Ringhals, září 2010 204 DEFEKTOSKOPIE 2011
POUŽITÁ A SOUVISEJÍCÍ LITERATURA [1] 25 Jahre RDB- Prüfung Rückblick und Ausblick G. Engl a W.Rathgeb, Siemens KWU, 25. MPA-Seminar, říjen 1999. [2] Zkoušení základního materiálu, obvodových svarů a rozhraní návaru a základního materiálu tělesa tlakové nádoby reaktoru VVER 1000 ultrazvukem celkový postup kolektiv autorů, ŠKODA JS a.s., instrukce, květen 2009. [3] Modulární kontrolní systém (MKS) I. Rausch, ŠKODA JS a.s., popis úvodního návrhu, leden 2010. [4] Zkoušení základního materiálu, obvodových svarů a rozhraní návaru a základního materiálu tělesa tlakové nádoby reaktoru VVER 440 ultrazvukem celkový postup kolektiv autorů, ŠKODA JS a.s., instrukce, květen 2010. [5] Ultrazvukové zkoušení tlakových nádob reaktorů typu VVER při provozních a předprovozních kontrolách J. Vít, ZČU v Plzni, disertační práce, srpen 2010. [6] Development of New Manipulators for PWR Vessel Inspection M. Wendel a T. Sjö, Dekra Industrial, prezentace, květen 2011. DEFEKTOSKOPIE 2011 205
206 DEFEKTOSKOPIE 2011