Приложение И (рекомендуемое). Обоснование целостности трубопроводов при наличии эксплуатационных дефектов

Приложение И
(рекомендуемое)

Обоснование целостности трубопроводов при наличии эксплуатационных дефектов

И.1 Применения подхода концепции "течь перед разрушением"

И.1.1 Применение подхода ТПР для трубопроводов контура теплоносителя действующих блоков АС, подверженных контролируемым механизмам деградации, следует рассматривать как одну из компенсирующих мер по обеспечению конструкционной целостности анализируемых трубопроводов, которая должна подтвердить возможность дальнейшей безопасной эксплуатации блока АС.

И.1.2 При выявлении в процессе эксплуатации неучтенных в проекте специфических нагрузок на трубопроводы (см. 5.2.3) или механизмов деградации (см. 5.2.4) следует провести дополнительное расчетное обоснование сценария ТПР и в итоге показать, что они не оказывают существенного влияния на оценки стабильности постулируемой сквозной трещины и предельного подроста начального скрытого дефекта, а также на выполненную ранее оценку результатов детерминистского обоснования ТПР в части удовлетворения расчетных критериев в соответствии с 7.4.2-7.4.3 при условии выполнения резервных принципов б)-г) 5.1.3 и с учетом предпринятых компенсирующих мер согласно 5.2.5 и перечислению а) 5.2.2.

И.1.3 Если указанная в И.1.2 демонстрация ТПР невозможна, то должны быть предусмотрены корректирующие мероприятия, направленные на снижение влияния обнаруженных механизмов деградации и/или специфических нагрузок до приемлемого уровня.

И.1.4 Если корректирующие мероприятия по И.1.3 нереализуемы по техническим или экономическим причинам, то такие механизмы деградации или специфические нагрузки должны контролироваться системами мониторинга условий эксплуатации, неразрушающего контроля состояния металла и обнаружения течей, а результаты контроля - учитываться в обосновании сценария ТПР при формировании исходных данных по скоростям подрастания дефектов с оценкой расчетной геометрии постулируемых начальных трещин.

И.2 Предотвращение разрывов аустенитных трубопроводов при наличии дефектов

И.2.1 Модифицированная методология ТПР (см. 5.2.5), включая методы механики разрушения, наличие чувствительной СКТ, может использоваться для подтверждения конструкционной целостности трубопроводов, потенциально подверженных непроектным механизмам повреждений, выявляемых при эксплуатации, в частности трещинообразование по механизму МКРПН в сварных соединениях аустенитных трубопроводов ДУ от 200 до 300 мм канальных реакторов.

И.2.2 Для обеспечения конструкционной целостности аустенитных трубопроводов, подверженных МКРПН, и для исключения появления большой течи (ДУ > 150 мм) при отсутствии ограничений для проведения эксплуатационного неразрушающего контроля необходимо определить размеры допускаемых дефектов на заданный срок службы. В этом случае за счет оптимизированного контроля СС возможный подрост коррозионной трещины должен быть ограничен.

И.2.3 Сварные соединения аустенитных трубопроводов ДУ 300 мм канального реактора при наличии в них плоскостных несплошностей могут быть допущены в дальнейшую эксплуатацию на определенный период времени без проведения ремонта, если размеры выявленной поверхностной несплошности с учетом ее подрастания в межконтрольный интервал не превысят допускаемых значений по нормам, представленным в [8] (приложение 5).

И.2.4 Дополнительное расчетное обоснование, демонстрирующее поведение по сценарию ТПР, в сочетании с ограничением размеров дефектов и контролем малой течи позволяет предотвратить разрушения трубопроводов ДУ от 200 до 300 мм полным сечением. Рост трещины в глубину должен быть ограничен предельным значением 0,75 t.

В таком расчете в качестве начального скрытого дефекта постулируют референсный дефект, определяемый порогом его фиксации используемыми методами эксплуатационного НК.

В качестве референсного дефекта принимают поверхностную трещину глубиной а₀ = 3 мм и протяженностью вдоль внутренней поверхности сварного шва 2с₀ = 40 мм (см. рисунок 3).

Скорости подрастания коррозионных трещин по механизму МКРПН определены в И.3.4-И.3.8, И.4.2.

И.2.5 В условиях затрудненного эксплуатационного НК методология ТПР используется для обоснования конструкционной целостности трубопроводов за счет расчетного доказательства невозможности их разрушения полным сечением даже при постулируемом событии, связанном с образованием сквозной трещины.

И.2.6 Применительно к трещине МКРПН необходимо показать, что неконтролируемый коррозионно-статический рост референсного дефекта с выходом на наружную поверхность после прорастания через толщину стенки также происходит по сценарию ТПР с образованием малой течи, а его протяженность на внутренней поверхности сварного шва не превышает предельно допускаемой длины 2c_d (см. рисунок 3).

Значение 2c_d определяют согласно И.4.4-И.4.5.

Предотвращение разрушения трубопровода полным сечением достигается в этом случае за счет внедрения чувствительной СКТ.

И.2.7 Если при наличии механизма МКРПН расчетом невозможно продемонстрировать поведение по сценарию ТПР и обеспечить эффективный контроль металла, то в этом случае для предотвращения разрыва трубопровода требуется принятие компенсирующих мер, направленных на блокирование механизма роста трещин и предотвращение разрыва трубопровода.

В качестве корректирующих мероприятий рассматриваются:

- усовершенствованный УЗК сварных соединений;

- корректировка ВХР теплоносителя;

- уточнение требований к режимам эксплуатации;

- проведение технологических процедур (высокотемпературная термообработка, обжатие сварных соединений, ремонт с узкой разделкой), направленных на снижение остаточных напряжений;

- замена, ремонт или модернизация частей трубопроводов.

И.3 Оценка коррозионно-статического подрастания трещины

И.3.1 Целью расчета является определение подрастания размеров, охарактеризованного в И.2.4 референсного дефекта при длительной эксплуатации. Дефект в виде коррозионной трещины глубиной а₀ = 3 мм, протяженностью 2с₀ = 40 мм постулируют в околошовной зоне корневой части стыкового СС аустенитного трубопровода ДУ от 200 до 300 мм.

И.3.2 Условия статического нагружения определяются действующими статическими напряжениями, значением коэффициента интенсивности напряжений K_st типа I и длительностью воздействия агрессивной среды t.

И.3.3 Для прогнозирования скорости роста коррозионной трещины в направлении толщины стенки аустенитного сварного шва в коррозионно-агрессивной среде рекомендуется использовать экспериментально обоснованные диаграммы КСРТ, полученные для рабочей среды заданных параметров.

И.3.4 В расчетах КСРТ используют два подхода.

Первый K-зависимый подход основан на аппроксимации эмпирических зависимостей, полученных по 95 % верхним огибающим диаграмм КСРТ для сенсибилизированных СС аустенитных сталей типа 18-8 в водной среде кипящих реакторов при нормальном ВХР.

Второй K-независимый подход базируется на оценке среднегодовых подростов коррозионных трещин за время эксплуатации большинства сенсибилизированных СС, полученных из обработки массива данных по результатам эксплуатационного НК сварных соединений аустенитных трубопроводов ДУ 300 мм канальных реакторов типа РБМК.

И.3.5 При использовании K-зависимого подхода скорость роста коррозионной трещины в направлении толщины стенки (малой полуоси на рисунке В.1) описывается уравнением:

,

(И.1)

где - скорость роста коррозионной трещины, мм/с;

K_st - КИН статических напряжений, включающих в себя компоненты эксплуатационных и остаточных напряжений от сварки, МПа ;

C_st, m_s - константы материала, зависящие от условий нагружения, показателей ВХР, температуры, степени сенсибилизации СС.

И.3.6 Скорость роста коррозионной трещины вдоль периметра сварного шва (см. рисунок В.1) определяют зависимостью

.

(И.2)

И.3.7 При отсутствии термообработки распределение остаточных напряжений по толщине стенки аустенитных трубопроводов в зоне СС индивидуально для каждого стыкового СС, поскольку зависит от ряда факторов, включая тепловложение при сварке и жесткость свариваемых элементов.

И.3.8 Для определения скорости подроста коррозионных трещин в направлении толщины стенки СС трубопроводов из стали марки 08Х18Н10Т, не подвергавшимся термообработке или иным технологическим операциям, рекомендуется принимать следующие расчетные значения C_st и m_s для прогнозирования КСРТ () в СС стабилизированных сталях типа 18-8 в сенсибилизированном состоянии и контактирующих с кислородсодержащей водной средой при высокой температуре, близкой по составу к показателям качества воды КМПЦ РБМК при нормальном ВХР:

- без учета перераспределения осевых лекальных остаточных напряжений по толщине стенки в зависимости от роста трещины в эксплуатации (см. рисунок И.1а):

(И.3)

с верхним плато мм/с при K_st  30 МПа (зависимость MD-01 Rev.3);

- с учетом перераспределения осевых остаточных напряжений по толщине стенки по мере роста трещины в эксплуатации (см. рисунок И.1б):

с верхним плато 10^-7 мм/с при K_st  50 МПа (зависимость MD-01 Rev.2.1).

а - исходное бездефектное состояние; б - перераспределенное состояние

Рисунок И.1 - Линеаризованное представление распределения локального осевого остаточного напряжения по толщине стенки в стыковом сварном соединении аустенитного трубопровода ДУ от 200 до 300 мм

И.4 Пример оценки подрастания коррозионной трещины

И.4.1 Оценивается скорость подрастания референсного дефекта 3 х 40 мм для наиболее нагруженного стыкового шва водоуравнительного трубопровода ДУ 300 мм с минимальной толщиной стенки t = 12 мм в зоне разделки шва, при предельном в режиме НУЭ эксплуатационном напряжении по нормали к сварному стыку  = 105 МПа = 0,5 .

И.4.2 Согласно K-независимому эмпирическому подходу среднегодовые значения подростов коррозионных трещин за время эксплуатации большинства СС аустенитных трубопроводов с ДУ 300 мм реакторов РБМК составляют  = 1,0 мм/год в направлении толщины стенки до достижения глубины 0,6t и  = 20 мм/год в окружном направлении вдоль периметра сварного шва. Данные расчетные скорости подрастания трещины МКРПН могут быть переопределены по результатам эксплуатационного НК (см. И.4.11).

И.4.3 Расчеты скорости подрастания исходного референсного дефекта 3 х 40 мм с использованием зависимости (см. И.1) показывают следующие результаты:

- скорость подрастания референсного дефекта в глубину da/dt на участке от 3 до 9 мм, рассчитанная с использованием зависимости MD-01 Rev.3 (, m_s = 3,0) при неизменном поле остаточных напряжений (см. рисунок И.1а), слабо зависит от длины трещины, поскольку максимальное значение КИН на небольшом участке при глубине трещины а  t/2 не превышает значения 32 МПа (начальное значение K_st = 28 МПа ), а затем вновь снижается до значения K_st = 29 МПа , при глубине трещины 0,8 t.

Средняя скорость мм/с, что соответствует 1,0 мм/год при длительности одного эксплуатационного года 7000 ч.

С учетом поправки на выявленный подрост трещин МКРПН в режимах пуска и останова средняя скорость роста трещины составляет 1,2 мм/год. Результаты расчета показаны на рисунке И.3.

Средний подрост референсного дефекта по периметру СС составляет мм/год;

- скорость подрастания референсного дефекта в глубину da/dt на участке от 3 до 9 мм, рассчитанная с использованием зависимости MD-01 Rev.2.1 (, m_s = 3,0) при изменяющемся поле остаточных напряжений (см. рисунок И.1б), возрастает с ростом глубины и при ежегодном приросте ее длины на 24 мм. По результатам расчета определена диаграмма КСРТ в СС ДУ 300 мм КМПЦ, включающая в себя два плато скоростей роста трещин.

В диапазоне глубин трещин от 3 до 8 мм ее скорость da/dt увеличивается от 0,3 мм/год до 2,3 мм/год.

Верхнее плато скорости роста трещины в направлении толщины стенки при K_st  30 МПа установлено на уровне 10^-7 мм/с = 2,5 мм/год.

1 - верхняя линейная огибающая мм/год

Рисунок И.2 - Среднегодовые подросты референсного дефекта в направлении толщины стенки (нижняя кривая)

Результаты расчета подрастания трещины показаны на рисунке И.3.

Максимальный подрост коррозионной трещины вдоль периметра сварного шва ограничен значением 40 мм/год.

Рисунок И.3 - Среднегодовые подросты референсного дефекта в направлении толщины стенки в зависимости от глубины дефекта

И.4.4 Допускаемый размер поверхностного дефекта определяют путем построения диаграммы конструкционной целостности для режима НУЭ при расчетном напряжении по нормали к плоскости поперечного сварного шва  = 105 МПа = 0,5 .

Граничную область предельно допустимых размеров дефекта в глубину (a_d) и длину (2c_d) определяют из условий

,

(И.4)

,

(И.5)

где t_min = 12 мм - минимальная толщина стенки в зоне разделки шва,

2с_с - предельная длина сквозной трещины для режима НУЭ;

n_c = 2,0 - коэффициент запаса на длину сквозной трещины.

И.4.5 Значения a_d и 2c_d и соответственно коэффициентов запаса устанавливают из условий обеспечения целостности границ давления и ТПР в режиме нормальной эксплуатации.

Максимальные допустимые размеры дефекта (a_d, 2c_d) определяют на конец срока оценки, которые не могут быть превышены в эксплуатации.

При t_min = 12 мм, допускаемая глубина дефекта a_d составляет 9 мм.

И.4.6 Значение предельной длины сквозной трещины 2с_с определяют расчетом в соответствии с рекомендациями Д.2.2.

И.4.7 В результате расчета предельного состояния для трубы с постулируемой окружной трещиной определена предельная длина сквозной 2с_с = 422 мм и соответствующая длина предельно допускаемого поверхностного дефекта 2c_d = 2с_с/2 = 422/2 = 211 мм (см. рисунок 3).

Предельно допустимая глубина поверхностного дефекта в эксплуатации не должна превышать a_d = 9 мм при длине 2c_d = 211 мм.

И.4.8 Границы допускаемых размеров дефекта а и 2с, зависящие от времени подрастания дефекта, определяют из условия

,

(И.6)

где и - подросты дефекта в глубину и длину за расчетный период времени под действием эксплуатационных нагрузок и среды.

Ежегодные подросты и определены в И.4.2-И.4.3.

И.4.9 Рассчитанные по разным подходам для временного интервала  = 6 лет величины подростов и референсного дефекта 3 х 40 мм и его размеры и для рассмотренного сварного шва составят:

а) K-независимый подход:

1)  = 1,0 мм/год, мм  a_d = 9 мм,

2)  = 20 мм/год, мм < 2c_d = 211 мм,

3) подрастание дефекта за шесть лет в пределах допускаемых границ.

б) K-зависимый подход (рисунок И.2):

1)  = 1,2 мм/год, мм > a_d = 9 мм,

2)  = 24 мм/год, мм < 2c_d = 211 мм,

3) подрастание дефекта за шесть лет превышает допускаемую глубину 9 мм,

4) межконтрольный интервал следует уменьшить до пяти лет.

И.4.10 При обнаружении многоочаговых трещин их следует схематизировать в одну протяженную трещину. Если протяженность такой трещины превысит длину референсного дефекта, для подтверждения условий ТПР может потребоваться дополнительный анализ стабильности комбинированной и комплексной трещины с выходом на наружную поверхность и определением предельной глубины 360° кольцевой трещины вдоль периметра сварного соединения, при которой достигаются условия пластической нестабильности ослабленного сечения с трещиной.

И.4.11 Представленные в И.4.2-И.4.3 значения скорости подрастания коррозионных трещин не учитывают индивидуальную особенность каждого блока РБМК. В зависимости от коррозионной агрессивности воды КМПЦ, характеризуемой в первую очередь электрохимический потенциал, удельной электропроводимости и примененной технологии сварки (разделка шва, тепловложение, тип сварки) следует по блокам дифференцировать значения скоростей подрастания трещин МКРПН для различных групп СС с учетом данных эксплуатационного НК, проведенных ремонтов и технологических операций.