UDK 621.311.25:621.184.2:620.179.1 Strokovni članek ISSN 1318-0010 KZLTET 33(1-2)101(1999) RAZISKAVE CEVI UPARJALNIKA TUBE INVESTIGATION OF STEAM GENERATOR Jelena Vojvodic Tuma1, Darko Korošec2, Krešimir Gudek3 inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Ljubljana 2Uprava za jedrsko varnost, Ljubljana 3Nuklearna elektrarna Krško Prejem rokopisa — received: 1998-11-10; sprejem za objavo - accepted for publications: 1999-02-26 V prispevku so obravnavane raziskave cevi uparjalnika jedrske elektrarne Krško z metodo vrtinčnih tokov. Po 121.000 ur obratovanja elektrarne se je površina za prenos toplote iz primarnega v sekundarni del elektrarne zmanjšala ustrezno 17,4% povprečni začepljenosti (z vstavljenimi tulci) in skoraj že dosegla vrednost dovoljene začepljenosti. Zadnje raziskave v letu 1998 so tako ponovno potrdile, da se doba obratovanja uparjalnikov izteka. Ključne besede: jedrska elektrarna, uparjalnik, cevi uparjalnika, metoda vrtinčnih tokov, preostanek dobe trajanja, jeklo inconel 600, medobratovalni pregledi The eddy current testing of the steam generator of nuclear power plant Krško are discussed. After 121.000 hours of operation the surface of transport of heat from the primary to the secondary part of the plant is diminished consequuently by 17,4% and it is near the limit for the licenced operation at full power. The last investigations in 1998 confirmed that the operation time of the steam generators is running out. Key words: nuclear power plant, steam generator, tubes of steam generator, eddy current method, residual life time, steel inconel 600, in-service inspection 1 UVOD Jedrska elektrarna Krško je v rednem obratovanju od leta 1982 naprej in je do konca leta 1998 obratovala 121.000 ur. Elektrarna ima tlačnovodni jedrski reaktor Westinghouse in dva uparjalnika istega proizvajalca. Izkazalo se je, da sta uparjalnika kritični napravi elektrarne glede degradacije cevi uparjalnikov. Le te so namreč med obratovanjem izpostavljene mehanskim, toplotnim in kemičnim vplivom, ki povzročajo počasno degradacijo materiala teh cevi. Degradacija se kaže predvsem v pospešenem tvorjenju razpok v cevnih stenah ter v izgubi materiala s površine cevi na mestih cevnih podpor. Končna posledica je netesnost cevi, torej vdor primarnega reaktorskega hladila v sekundarno stran elektrarne in posledično zaustavitev elektrarne pri prekoračitvi administrativno določene mejne vrednosti puščanja. Netesno cev je treba začepiti, s tem pa se zmanjšuje površina za prenos toplote. Najpogostejši popravni poseg je izločanje prekomerno poškodovanih cevi iz obratovanja, postopek se imenuje čepljenje cevi. Pri tem posegu je vstavljen čep na vstopni in izstopni strani cevi in je mehansko ekspandiran ali zavarjen. Posledica začepitve cevi v uparjalniku pa ni samo zmanjšanje površine za prehod toplote, ampak tudi zmanjšanje pretoka primarnega reaktorskega hladila. Možno pa je tudi popravilo cevi z vstavljanjem posebnih tulcev v poškodovano cev21, pri tem pa ostane cev še nadalje v uporabi. Tulci so zavarjeni ali pa hidravlično ekspandirani v cev. V letu 1998 so bili v poškodovane cevi jedrske elektrarne Krško prvič vstavljeni tulci brez varjenja. KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 1-2 Pri zmanjšanju prenosne površine za 18% je treba zmanjševati električno moč elektrarne. Začepljenost obeh uparjalnikov je po remontu elektrarne 1998 v povprečju dosegla 17,4% in se s tem zelo približala dopustni vrednosti. Vse dosedanje meritve so pokazale, da se doba trajanja uparjalnikov izteka. Nova uparjalnika sta naročena in v zadnji fazi izdelave ter bosta vgrajena v letu 2000. 2 TEHNIČNI PODATKI ZA UPARJALNIKA V uparjalniku 1 je snop 4568 cevi, v uparjalniku 2 pa 4575 cevi. Delovni tlak primarnega reaktorskega hladila, ki teče skozi cevi, je 155,6 bar pri povprečni temperaturi 305,9°C. Cevi imajo zunanji premer 19,05 mm in debelino 1,09 mm. Cevi so izdelane iz nikljeve zlitine s trgovskim imenom inconel 600. Ukrivljene so v obliki črke U ter na obeh koncih uvaljane in zavarjene v cevno steno. Ravni del cevi je dolg 7182 mm, cevni loki pa imajo polmer od 57 do 1353 mm. Skupna dolžina posamične cevi je od 14500 do 18600 mm. Na ravnih delih cevi je nameščenih 11 podpornih plošč, cevni loki imajo pa posebna protivibracijska držala. Imenski pretok pare skozi uparjalnika je 510 kg/s pri tlaku 63,4 bar. Temperatura napajalne vode je 221°C, izstopna temperatura pare pa 279°C. 3 MEHANIZMI DEGRADACIJE CEVI UPARJALNIKA Najpogostejši mehanizmi poškodb12 pri obratovanju cevi uparjalnikov so: 101 J. VOJVODIČ TUMA ET AL.: RAZISKAVE CEVI UPARJALNIKA • Medkristalna napetostna korozija (angl.: intergranular stress corrosion) nastane zaradi skupnega delovanja natezne napetosti v cevnih stenah in kemi~ne sestave delovne snovi-hladila. Posledica tega je nastajanje napetostno-korozijskih vzdolžnih in obodnih razpok na mestih cevi, kjer so zaostale notranje napetosti. Le te nastanejo predvsem v prehodnem področju pri uvaljanju cevi v cevno steno. • Interkristalna korozija (angl.: intergranular corrosion) se pojavlja zaradi elektrokorozijskega učinka medija na material, v katerem imajo kristalne meje drugačno kemijsko sestavo, kot je notranjost kristalnih zrn. Poškodbe se kažejo kot razpoke v različnih smereh na zunanjih stenah cevi. • Stiskanje cevi (angl.: denting) je plastična deformacija stene cevi navznoter pri podpornih ploščah, in sicer zaradi korozijskih produktov in drugih usedlin, ki jih vsebuje sekundarno hladilo in ki se nabirajo med cevjo in podporno ploščo. Povečevanje debeline korozijskih produktov plastično deformira cevi uparjalnika. • Stično-trenjska obraba (angl.: fretting) nastaja kot posledica medsebojnega relativnega premikanja cevi in podpornih plošč za cevne loke z majhno amplitudo in veliko frekvenco. Značilno je površinsko odnašanje materiala, ki je vzrok za stanjšanje stene cevi uparjalnika. • Točkasto najedanje (angl.: pitting) je manj pomembno in nastaja na mestih, kjer se usedajo korozijski produkti in druge usedline. Napetostno korozijske razpoke v prehodnem področju nad cevno steno so bile v glavnem vzrok za čepljenje cevi v uparjalnikih jedrske elektrarne Krško v obdobju 1987-1989. Od leta 1990 dalje pa se povečuje število ugotovljenih poškodb v bližini ali pod podpornimi ploščami. 4 SPREMLJANJE DEGRADACIJE CEVI V svetu je prišlo do puščanja cevi uparjalnikov med rednim obratovanjem v 10 jedrskih elektrarnah3. Največkrat je bila za porušitev cevi kriva interkristalna napetostna korozija in sočasno utrujanje cevi zaradi mehanskih vibracij. Zato je učinkovito spremljanje degradacije cevi uparjalnikov bistvena naloga vzdrževalne službe vsake elektrarne. Največkrat se stanje cevi uparjalnikov spremlja z neporušnimi merilnimi preiskavami4, in sicer: • z ultrazvočno metodo5 (angl.: ultrasonic testing) in • metodo vrtičnih tokov6,7 (angl.: eddy current testing). Metoda vrtinčnih tokov je bila z razvojem uparjalnikov in pojavom tipičnih poškodb na ceveh uparjalnika razvita specifično glede preizkuševalnih sond, avtomatizirane opreme in metod evaluacije. Pregled cevi uparjalnikov s sekundarne strani ni možen, mogoč je s primarne strani, vendar ob določenih omejitvah. Zaradi radioaktivnih produktov, ki so v 102 primarnem reaktorskem hladilu, so notranjost cevi uparjalnikov ter vstopne in izstopne komore primarnega hladila kontaminirani. Čas zadrževanja osebja, ki namešča opremo za preizkušanje, je zaradi visokih doz omejen. Aktivnosti pregleda in izvajanje popravnih posegov se poizkušajo izvesti v čim krajšem času tudi zaradi ekonomskih učinkov. Med remontom elektrarna namreč ne obratuje, vsak dan neobratovanja jedrske elektrarne Krško pa stane več 100.000 eurov. Druge preiskovalne metode se rabijo le kot pomoč. To so predvsem: • vizualna metoda (pregled notranjosti cevi z boroskopom) • pregled nekaterih mest sekundarne strani uparjalnika s kamero • preizkus tesnosti s helijem • hidrostatski test z vodo Te metode omogočajo dodatni delni pregled stanja cevi in stanja sekundarne strani uparjalnika in ne omogočajo izmere velikosti poškodbe glede na kriterije sprejemljivosti (globina in dolžina razpoke). 5 METODA VRTINČNIH TOKOV Metoda vrtinčnih tokov je v jedrski elektrarni Krško osnovni način pregledovanja cevi8. Uporabljene so bile tudi dodatne metode pregledovanja, kot je pregled notranje površine s kamero in pregled mest privaritve tulca v cev z ultrazvokom. Glavni sestavni deli merilne naprave za preiskave z vrtinčnimi tokovi so (slika 1): • sonda, ki se pomika po preiskovani cevi • mehanizem za pomik sonde • krmilna-regulacijska naprava (manipulator) Metoda vrtinčnih tokov temelji na indukciji toka v preiskovani cevi. Poškodovana površina povzroča spremembo lokalne električne prevodnosti in permeabil-nosti. Na podlagi sprememb, ki jih zazna preiskovalna sonda, je mogoče ugotoviti globino poškodbe. Sonda je Slika 1: Avtomatična naprava za pomik sonde v komori uparjalnika Figure 1: ECT manipulator in steam generator chamber KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 1-2 J. VOJVODIČ TUMA ET AL.: RAZISKAVE CEVI UPARJALNIKA Slika 2: Bobbin sonda Figure 2: Bobbin probe povezana s frekven~nim generatorjem, ki v sondi vzbuja izmeni~ni tok dolo~ene frekvence. V zadnih letih razvijajo {e bolj ob~utljive sonde in pogonske mehanizme, ki lahko isto~asno pomikajo tudi 8 sond. Tako je možno {e skraj{ati ~as pregleda. 6 BOBBIN IN ROTIRAJOČA SONDA Za pregled cevi uparjalnikov v jedrski elektrarni Kr{ko uporabljamo bobbin-sondo9,10,11 in rotirajo~o sondo12,13 (angl.: motorized rotating pancake coil). Pregled z bobbin-sondo spada med klasi~ne na~ine preiskav cevi z vrtin~nimi tokovi. Ta sonda ima tuljave navite po obodu cilindri~ne glave (slika 2). Usmerjenost teh tuljav glede na cev omogo~a dobro detekcijo napak, ki so usmerjene aksialno. Z bobbin-sondo je mogo~e preiskovati celotno dolžino cevi. Zna~ilno za njo je enostavnost in kratek ~as preiskave, zadovoljiva ob~utljivost in zanesljivost pri odkrivanju napak. S to sondo je mogo~e dolo~iti globino napake, sposobna je razlikovati geometrijske nepravilnosti, korozijsko-erozijske procese in usedline na povr{ini cevi. Bobbin-sonda pa ne more prepoznati ve~jega {tevila napak na ozkem podro~ju, prav tako ne prepozna dobro smeri, oblike in dolžine teh napak. Slika 4: Rotirajoča MRPC sonda in signal razpoke Figure 4: MRPC probe and crack signal generation Mere sonde je treba vedno izbrati tako, da je razlika med zunanjim premerom sonde in notranjim premerom cevi čim manj{a, pri čemer pa mora sonda {e vedno neovirano potovati skozi cev. Frekvence vzbujalne napetosti so izbrane glede na vrsto materiala in debelino stene cevi. S signalom bobbin-sonde je mogoče izmeriti globino napake. Le ta je funkcija faznega kota, volumen napake pa je funkcija inducirane električne napetosti. Za bolj{e izvrednotenje ugotovljenih napak je na razpolago primerjalni kalibracijski blok. Slika 3 prikazuje kalibracijski blok skupaj s pripadajočo merilno krivuljo za določeno frekvenco. S primerjavo umetnih napak na kalibracijskem bloku in realnih na ceveh, dobimo dovolj dobro oceno velikosti in globine dejanskih napak. Preiskave z rotirajočo sondo dopolnjujejo delo z bobbin-sondo. S tako sondo je mogoče pregledati napake v področjih, kjer so cevi uvaljane v cevno steno, kjer so cevi v tesnem stiku z opornimi plo{čami in v področju cevnih lokov, kjer je občutljivost bobbin- sonde bistveno zmanj{ana. Obstajajo različne konstrukcije rotirajoče sonde, za vse pa je značilno, da so miniaturne tuljave postavljene na različnih mestih po obodu sonde tako, da sonda dobro razlikuje napake v smeri osi od tistih na obodu cevi. Posebna konstrukcija rotirajoče sonde Slika 3: Kalibracijski blok in kalibracijska krivulja Figure 3: Calibration block with applicable calibration curve Slika 5: Prikaz signala rotirajoče MRPC sonde Figure 5: MRPC probe C-scan presentation KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 1-2 103 J. VOJVODIC TUMA ET AL.: RAZISKAVE CEVI UPARJALNIKA omogoča tudi pregled vgrajenih tulcev. Sonda rotira pri prehodu skozi cev s točno določenim korakom, kar omogoča glede na število rotacij tuljave točno merjenje dolžine poškodbe in njeno pozicijo glede na dolžino cevi (slika 4). Tridimenzionalni prikaz signala rotirajoče sonde pa omogoča določitev števila poškodb in njihovo smer (slika 5). Z rotirajočo sondo na vrhu cevne stene je mogoče meriti dolžino poškodb, kar je osnova za merilo sprejemljivosti kritičnih napak, ki so izračunane po mehaniki loma14-20. Za vsa druga področja na ceveh pa je odločujoča globina napake, ki je lahko največ 40% debeline stene cevi. Meritve z vrtinčnimi tokovi so bile izvedene s tremi kompleti opreme za zbiranje podatkov2223. Obdelava podatkov, resolucija in analiza je bila izvedena računalniško. Vsi računalniki so bili povezani z mrežo, ki je omogočala hiter pretok informacij in takojšen vpogled v meritve in rezultate meritev. Med pregledom je bil spremljan prirast poškodb tako, da je bilo mogoče dokaj hitro določiti obseg in vrsto popravnih posegov na ceveh uparjalnika. Analizo izmerjenih podatkov24 so olajšali ustrezni računalniški programi. Tabela 1: Obratovalno stanje uparjalnikov po končanem remontu 1998 7 REZULTATI PREISKAV V LETU 1998 V letu 1998 so bile z bobbin-sondo pregledane vse cevi na obeh uparjalnikih. Z rotirajočo sondo so bili pregledani cevni loki v 1. in 2. vrsti cevi, prehodna področja in mesta, kjer so bile z bobbin-sondo odkrite večje poškodbe ter vgrajeni tulci21. Pri pregledu vgrajenih tulcev ni bilo odkritih poškodb zvarov niti osnovnega materiala tulca, zaradi katerih bi bilo treba cevi čepiti. Ugotovljena je bila le precej hrapava površina zvarov, ki pa je bila na podlagi vizualnega in ultrazvočnega pregleda še sprejemljiva. Odkritih je bilo tudi nekaj že vgrajenih tulcev, ki so bili neprehodni za rotirajočo sondo. Te cevi so bile začepljene. Ponovno se je povečala degradacija cevi zaradi stiskanja na 10. in 11. podporni plošči na topli strani uparjalnika, in to predvsem na uparjalniku št. 2. Na njem je bilo ugotovljeno zožanje cevi na 123 mestih, na uparjalniku št. 1 pa le na 8 mestih. Največji prirastek amplitude signala bobbin-sonde je bil 25 V. Na osnovi pregleda z metodo vrtinčnih tokov je bilo na ceveh uparjalnikov št. 1 in št. 2 odkritih 109 poškodb, zaradi katerih je bilo treba cevi začepiti ali pa vstaviti tulce. Prvič je bila uporabljena nova tehnologija vstavljanja tulcev brez varjenja vse do vključno 10. podporne plošče. Dosedanja tehnologija vgradnje tulcev z varjenjem pa je dopuščala vgradnjo tulcev le do 5. podporne plošče. Obratovalno stanje uparjalnikov je razvidno iz tabele 1. Stanje cevi Uparjalnik št. 1 Uparjalnik št. 2 Skupno štev. cevi v obratov. 3702 3864 Stev. cevi s tulci v obratov. 338 357 Stev. vseh začepljenih cevi 866 711 Odstotek vseh začepljenih cevi 19,0% 15,6% Stev. začepljenih cevi 1998 49 34 Povprečna začepljenost Povprečen delež začepljenih cevi v obeh uparjalnikih je 17,4%. Ce bi v obeh uparjalnikih skupaj začepili še 50 cevi, bi dobili 18% povprečno začepljenost, ki je mejna vrednost za obratovanje elektrarne pri polni moči. 8 SKLEP Za potrebe jedrske elektrarne Krško je bila v teku let razvita posebna tehnika pregledovanja cevi uparjalnikov, ki ima za osnovo merjenja z metodo vrtinčnih tokov. Začepljenost cevi seje povečala v letih 1989, 1990 in 1992 in le s sodobno tehniko je uspelo to začepljenost cevi zadržati v okviru dovoljenih vrednosti (slika 6). Zadnje preiskave, ki so bile opravljene v letu 1998, so ponovno potrdile, da se doba obratovanja obeh uparjalnikov izteka. V remontu 1998 so bile pregledane vse cevi v obeh uparjalnikih in vse netesne cevi začepljene. Povprečna začepljenost obeh uparjalnikov je 17,4%. S tem se je začepljenost močno približala dovoljeni mejni vrednosti 18%. Slika 6: Cepljenje cevi v uparjalnikih Figure 6: Plugged steam generators tubes 9 LITERATURA 1 Y. S. Garud, T. L. Gerber: Intergranular Stress Corrosion Cracking of Ni-Cr-Fe Alloy 600 Tubes In PWR Primary Water -Review and Assesment for Model Development, 1983, EPRI-NP-3057 2 Voltage-Based Repair Criteria for Westinghouse Steam Generator Tubes affected by Outside Diameter Stress Corrosion Cracking, 1995, NRC Generic Letter 95-05 3 L. Fabjan, L. Cizelj, B. Mavko: Staranje uparjalnikov jedrskih elektrarn, Strojniški vestnik, 38 (1992) 10-12, 249-262 R. S. Sharpe: Research Techniques in Nondestructive Testing, Vol. III:, Academic Press, 1977, 430-479 5 ASME B & PVC: Section V, Nondestructive Examination, 1986 6 Data Analysis of Non-Ferromagnetic Tubing Eddy Current Inspection Results, Level II A, ZETEC, Issaquah 104 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 1-2 J. VOJVODIČ TUMA ET AL.: RAZISKAVE CEVI UPARJALNIKA Eddy Current Inspection of Non-Ferromagnetic Tubing, Level - II, ZETEC, Issaquah 8 Nuklearna elektrarna Kr{ko: General Procedure for Eddy Current Inspection of Steam Generator Tubes, ISI-4.301, Kr{ko, 1998 9 ET Data Analysis Procedure for Vertical Steam Generators-Bobbin Probe, Procedure SGP-ET-02-E-Rev.2, 1994, Inetec Zagreb 10 Ispitivanje cijevi vertikalnih generatora pare pomoc'u ET metode-Postupak za prikupljanje podataka-Bobbin sonda, Postupak SGP-ET-19-C-Rev.0, 1994, Inetec Zagreb 11 Examination of Vertical Steam Generator Tubing by Using ET Method-Data Collection Procedure-Bobbin Probe, Procedure SGP-ET-19-E-Rev.0, 1994, Inetec Zagreb 12 Examination of Steam Generator Sleeved Tubes by Using Eddy Current Method-MRPC GPP Probe-Data Interpretation Procedure, Procedure SGP-ET-24-E-Rev.1, 1998, Inetec Zagreb 13N. Jak{i~, Analiza mogu~nosti ispitivanja cijevi parogeneratora rotacionom sondom, Institut za elektroprivredu - Zagreb, izve{taj br. 647, 1988, 120 str. 14 ASME Boiler and Pressure Vessel Code: Section XI, Rules for Inservice Inspection of NPP Components, 1986 15 ASME Boiler and Pressure Vessel Code: Section XI, IWB-2000, Examination and Inspection, 1986 B. Cochet, B. Flesch: Crack Stability Criteria in Steam Generator Tubes, Experience with Structures and Components in operating Reactors, Proc. of 9th International Conference on SMIRT, Laussane, Vol. D, 1987, 413-419 17 F. Erdogan: Ductile Fracture Theories for Pressurized Pipes and Containers, International Journal Pressure Vessels & Piping, 4 (1976) 18 P. E. MacDonald, V. N.Shah, L. W. Ward, P. G. Ellison: Steam Generator Tube Failures, NUREG/CR-6365, INEL-95/0383, 1996 19 P. E. MacDonald, V. N. Shah, L. W. Ward, P. G. Ellison: Steam Generator Tube Failures, NUREG/CR-6365, INEL-95/0383, 1996 20 A. K. Richardson, W. L. Server, W. G. Reuter, Adequacy of Estimates and Variability of Fracture- Releated Properties for Reactor Pressure Vessel Materials, Int. J. Pressure Vesels and Piping, 19 (1985) 299-315 J. Vojvodi~ Tuma: Strokovna ocena remontnih del, posegov in preizkusov med zaustavitvijo Nuklearne elektrarne Kr{ko zaradi menjave goriva ob koncu {tirinajstega cikla, poro~ilo IMT {tev. NCRI-85/98, Ljubljana, 1998 22 Program Plan for Tube Inspection of Steam Generators at Kr{ko NPP-Slovenia, ISI 98, QAPP-SG-3/98-E, Rev. 0, Inetec-Institute for Nuclear Technology, Zagreb, 1998 23 Inspection Report on Eddy Current Testing of NPP Kr{ko Steam Generator #1-ISI -1998, Inetec, Zagreb 24 Examination of Steam Generator Sleeved Tubes by Using Eddy Current Method-MRPC GPP Probe-Data Collection Procedure, Procedure SGP-ET-13-E-Rev.1, Inetec Zagreb, 1998 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 33 (1999) 1-2 105