Изготовление оборудования и сооружение АЭС

Общий подход

Во множестве аспектов, определяющих безопасность АС, качество поставляемого оборудования, строительства и монтажа основных конструкций и узлов было одним из основополагающих момента в развитии атомной энергетики. Специфически он проявился в нашей стране, где исторически развитие промышленности в целом было экстенсивное и не обеспечивающее высокое качество и надежность Необходимость высокого качества была понята в военной промышленности, что, естественно, перешло на атомную.

Уже на начальном этапе в результате такого подхода была создана система специальных правил и норм по расчету, конструированию, изготовлению и контролю оборудования, систем и элементов для атомной промышленности. Причина такого обособленного подхода по сравнению с обычной промышленностью связана не только со специфическими условиями работы конструкций (облучение нейтронными и гамма-полями, радиоактивное загрязнение и связанные с этим трудности в обслуживании), а также понимание опасности для персонала и окружающей среды разрушения важных для безопасности систем ядерных установок В последствии по этому пути пошла космическая промышленность, где основополагающий было требование к надежности систем из-за большой стоимости создаваемых космических изделий.

Реализация обеспечения высокого качества оборудования и сооружений осуществлялась на основе двух составляющих:

- создание специфической нормативной базы по требованиям к расчету, изготовлению, испытанию, контролю во время эксплуатации;
- создание специфической государственной системы контроля (надзора) за процессами конструирования, изготовления и эксплуатации.

За 30 лет они претерпели определенные изменения, но суть подхода осталась без изменения — специальные правила и нормы и государственный контроль за их выполнением.

Классификация оборудования, работающего под давлением

Поскольку система правил и норм по оборудованию зарождалась несколько раньше, чем «Общие положения...», исторически сложилось, что в этих документах классификация оборудования формально обозначалась несколько другими категориями, чем в ОПБ. Принято разделять работающее под давлением оборудование АС на группы А, В и С, являющиеся частью элементов соответственно классов безопасности 1, 2 и 3-го согласно.

Отметим, что далеко не все оборудование и элементы (твэлы, стержни системы управления и защиты, внутрикорпусные устройства, турбины, арматура вспомогательных контуров, электрооборудование, электропитание и многое другое) подпадают под действие. Для этих элементов есть свои нормативные документы различного уровня, в том числе и уровня общепромышленных требований Госгортехнадзора.

Оборудование и трубопроводы, на которые распространяются Правила, подразделяются на группы А, В и С в зависимости от степени влияния системы, составной частью которой они являются, на безопасность атомной энергетической установки (АЭУ) и входят в классы безопасности 1, 2 и 3-го по классификации «Общих положений...».

В группу А (1-й класс безопасности) входит оборудование и трубопроводы, разрушение которых является исходным событием, приводящим к превышению установленных для проектных аварий пределов повреждения тепловыделяющих элементов при проектном функционировании систем безопасности, а также корпуса реакторов и технологические каналы любых АЭУ независимо от последствий их разрушения.

В группу В (2-й класс безопасности) входит оборудование и трубопроводы, разрушение которых приводит к неустранимой штатными запорными органами утечке теплоносителя, обеспечивающего охлаждение активной зоны реактора, и (или) требует введения в действие систем безопасности, а также оборудование и трубопроводы систем АЭУ с реакторами на быстрых нейтронах, работающие в контакте с жидкометаллическим теплоносителем независимо от последствий их разрушения (за исключением оборудования и трубопроводов, относящихся к группе А).

В группу С (3-й класс безопасности) входят оборудование и трубопроводы, не вошедшие в группу А и В:

- разрушение которых приводит к утечке теплоносителя, обеспечивающего охлаждение активной зоны реактора;
- разрушение которых приводит к выходу из строя одной из систем безопасности или одного из ее каналов;
- разрушение которых приводит к выходу высоко- или среднеактивных радиоактивных сред.

Требования к конструированию и материалам

Конструирование и расчет оборудования и трубопроводов АС должны проводиться с учетом и… Спецификой последнего документа в отличие от существовавших ранее и существующих ныне подобных документов в других отраслях промышленности, кроме специфических условий работы конструкций, наличие своей системы коэффициентов запаса, сочетаний нагрузок (нормальной эксплуатации, проектных и запроектных аварий, внешних воздействий и т.п.). Поскольку эта школа складывалась десятилетиями и людьми разных поколений, сейчас, вероятно, трудно объяснить, откуда появился тот или иной коэффициент или подход. Так исторически сложилось - наиболее вероятный ответ от специалистов со стажем. Современная жизнь и требования, однако, заставляют попытаться разобраться во всем этом. Проблема возникает из-за исчерпывания намеченного срока службы отдельного оборудования или установки в целом и экономических потребностей в продлении срока службы установки. Здесь приходится сталкиваться с проблемой, выработай или не выработай ресурс того или иного оборудования, какие были фактические нагрузки, какие реальные коэффициенты запаса остались.

Отнесение конкретного оборудования к той или иной группе есть компетенция конструктора и проектировщика при дальнейшем согласовании с регулирующим органом.

Отметим некоторые общие требования, выдвигаемые к конструированию.

Конструкции оборудования и трубопроводов должны обеспечивать: работоспособность, надежность и безопасность их эксплуатации в течение срока службы, который должен быть указан в технических условиях на изделие и паспортах;

- возможность проведения осмотра, ремонта, гидравлических (пневматических) испытаний, контроля основного металла и сварных соединений неразрушающими методами после изготовления (монтажа) и в процессе эксплуатации, а также замены оборудования и трубопроводов со сроком службы менее установлен кого для эксплуатации АЭУ в целом;

- применение материалов, позволяющих поддерживать работоспособность конструкций в рабочих средах, включая используемые при очистке, промывке и дезактивации, в течение предусмотренного срока службы;

- возможность дренажа теплоносителя, дезактивации поверхностей и удаления дезактивирующих растворов (конструкции оборудования и трубопроводы с радиоактивным теплоносителем);

- возможность удаления воздуха при заполнении средой, а также рабочей среды и конденсата, образующегося в процессе разогрева или расхолаживания контура.

Вопросы выбора соответствующих материалов для оборудования АС специально оговорены. Отдельным приложением (обязательным) определяется перечень допускаемых материалов для изготовления тех или иных узлов АС. При этом регламентируется не только марка материала (состав), но и стандарт или техническое условие на его изготовление. Если возникает необходимость в применении новых материалов, то разработана специальная процедура к аттестации этих материалов с предъявлением необходимой информации по свойствам и испытаниям.

Сварные соединения отдельных элементов конструкции, без чего немыслимы современные технологии, также были предметом особого внимания и отразились в разработке специальных нормативных документов. Первый из них устанавливает правила проведения сварочных работ, второй — требования и методы контроля прочности и герметичности сварных швов после изготовления и в процессе эксплуатации.

Напомним, что сварные швы корпуса реактора подвергаются облучению нейтронным потоком, в результате чего материал сварных швов, также как и материал корпуса, становится более хрупким и требует специального внимания.

Испытания на прочность и плотность

Для проверки прочности и плотности оборудования, трубопроводов, их деталей и сборочных единиц проводят гидравлические или пневматические испытания. Как правило, они проводятся после изготовления на предприятии-изготовителе, а также на станции после монтажа оборудования и в процессе эксплуатации.

Пневматические испытания вместо гидравлических допускают в отдельных случаях, когда это вызвано опасностью соприкосновения жидкости с определенными средами (например, жидкие металлы) или для объемов, работающих под разрежением.

Необходимо отметить, что в связи с успехами науки в последнее десятилетие вопрос о гидравлических испытаниях с учетом механики разрушения материала под напряжением встал в несколько новой плоскости. В каких условиях проводить испытания (давления, температуры, частоты) стало не так очевидно, как раньше. Согласно нынешним взглядам с точки зрения механики разрушения частые и достаточно большие нагрузки при испытаниях (больше, чем рабочие) могут привести к увеличению дефекта в металле, доводя их до критических. В результате проводимые испытания, с одной стороны, фиксируют способность конструкции выдержать (на момент испытания) с определенным запасом рабочие давления, с другой — «раскачивают» имеющиеся изначально или образовавшиеся в процессе эксплуатации дефекты, увеличивая тем самым возможность подхода к их критическим значениям в процессе предусмотренных нормальной эксплуатацией нагрузок (в период между испытаниями). Развиваемая в настоящее время методология расчета вероятности разрушения с учетом развития дефектов в принципе помогает искать оптимальные условия испытаний. Однако однозначных ответов пока нет.

Для проведения гидроиспытаний разрабатывается специальная программа с описанием всех операций, измерений, последовательности действий и т.п.

Гидравлические испытания проводятся при температуре испытательной среды, при которой температура металла испытуемого оборудования и трубопроводов не будет ниже минимальной допускаемой температуры, определяемой согласно нормам расчета на прочность.

Время выдержки оборудования и трубопроводов под давлением Ph должно быть не менее 10 мин. После выдержки давление снижается до 0,8 Ph и проводится осмотр оборудования и трубопроводов в течение времени, необходимого для осмотра.

Измерения давления при гидравлических испытаниях должны выполняться по двум независимым каналам. Специально оговариваются условия возможных колебаний давления при испытании из-за изменения температуры жидкости и предусмотренных конструкцией уплотнений валов насосов.

Контроль за состоянием металла

Оборудование и трубопроводы систем групп А и В должны подвергаться периодическому контролю в соответствии с требованиями и других нормативных документов, а также конструкторской документации. Контроль за металлом ставит своей целью выявлять и фиксировать дефекты металла, изменять физико-химические свойства, оценивать состояние металла.

Такой контроль бывает предэксплуатационным, периодическим, внеочередным. Последний проводится в случае чрезвычайных ситуаций: землетрясение, крупные аварии, решения надзорных органов и т.п. Для проведения контроля создается программа на основе типовой программы контроля.

В процессе эксплуатации контроль за состоянием металла осуществляется неразрушающими и разрушающими методами.

К неразрушаюшим относятся следующие виды контроля:

Контроль механических свойств основного металла и сварных соединений групп А и В разрушающими методами проводится путем испытания образцов-свидетелей, устанавливаемых в оборудовании.

В местах, где из-за радиационной обстановки, контроль не может быть осуществлен обычными средствами, должны предусматриваться соответствующие дистанционные средства.

Особое внимание уделяется контролю металла корпуса реактора в местах, наиболее подверженных потокам быстрых нейтронов (Еn > 0,5 мЭв), так как облучение металла быстрыми нейтронами способствует резкому увеличению хрупкости материала при температуре ниже критической температуры хрупкости Ткр. Для нахождения реального потока быстрых нейтронов на корпус проводят дозиметрию нейтронных потоков как с наружной стороны корпуса (облучаемые детекторы), так и с внутренней стороны корпуса. Для определения изменения свойств основного металла корпуса под действием облучения используется постановка или вырезание из штатных обечаек образцов-свидетелей напротив активной зоны, по которым исследуются изменения свойств материала.

Для выяснения изменения свойств материала сварных соединений используются образцы-свидетели, аналогичные по технологии изготовления и использования электродам основных швов корпуса.

***