ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.09 5.06 5.32 Korszerű diagnosztika és értékelési módszer csőszerelvényekhez Tárgyszavak: atomerőmű; csőszelep; szerelvény; karbantartás; hibafelismerés; diagnosztika; rendelkezésre állás. Erőművekben, nagylétesítményekben nagyszámú csőszerelvény (armatúra) üzemel, pl. az 1300 MW teljesítményű, Framatome nyomottvizes atomerőműben hozzávetőleg 20 000 csőszerelvény, ezek közül kb. 2400 villamos hajtással aktívan működtetett és kb. 1000 passzívan működtetett biztonsági és visszacsapó szelep van. Az IAEA és a NEA hatáskörébe tartozó, bejelentésre kötelezett atomerőművi események száma 1980 és 1993 között kb. 2100 volt, amelyek kb. 30%-a armatúrákkal és hajtásaikkal kapcsolatban fordult elő. Mivel a szelepek állapotának hatása van a berendezések biztonságára és rendelkezésre állására, a karbantartási és gondozási tevékenységek költségeinek optimálása érdekében felügyeleti ellenőrzési módszereket kell kifejleszteni. A Framatome AN vállalatnál a szelepek és szerelvényeik ellenőrzésére szabadalmazott eljárást dolgoztak ki. Rendelkezésre állás optimális karbantartás Az atomerőművek villamos hajtással ellátott szelepeivel kapcsolatosan két, egymással összekapcsolt célnak kell érvényesülni. Az egyik cél a működőképesség (rendelkezésre állás) fenntartása és az optimális karbantartás. Az első cél azt jelenti, hogy a szelepek és hajtásaik működési jellemzőinek, a megkövetelt biztonsági tartalékokat is figyelembe véve, az üzemben fellépő hatások közben is a tervezés alapjául szolgáló jellemzőkkel kell megegyezniük. Amennyiben a működés közben nem észlelhetők a névleges állapothoz képest nem megengedhető eltérések, akkor a működési viszonyok üzemzavari körülmények között is előre megmondhatók. A második cél az optimális karbantartási gondozási tevékenység, hogy a lehető legnagyobb rendelkezésre állás elfogadható ráfordításokkal elérhető legyen.
Az 1. ábra teljes rendszer részeként szemléltet aktív működtetésű, beállító hajtóműves szelepet. A működéshez tartozó feladatok meghatározásaként szerepelnek a rendszer határfeltételei, ezek szolgálnak a rendelkezésre állás alapjául. A szokásos működési körülmények mellett természetesen az üzemzavar esetén fennálló peremfeltételeket is figyelembe kell venni. irányítástechnika, vezérlés és felügyelet energiaellátás, kapcsoló- és védelmi berendezések kapcsoló- és jel- zőberendezés környezeti feltételek motor csigahajtás gyorsulások csatlakozási terhelések nyomáskülönbség rendszerfeltételek 1. ábra Szelep a működtető hajtással a teljes rendszer részegysége A beállító hajtóműnek a szelepet e peremfeltételek esetén kell működtetnie, és a hajtómű maga a kapcsolási funkciókat tartalmazó energiaellátástól, a védelmi rendszerektől, a vezérlési és ellenőrzési funkciókat tartalmazó irányítástechnikai és felügyeleti egységektől függ. Ezért a szelep működésének bizonyításakor mindig a teljes rendszert kell vizsgálni. A szelepműködtetés bizonyítási eljárása Aktív működtetésű szelepek működésének bizonyításakor követendő koncepcionális eljárás során a bizonyítások két, egymástól független részben különböznek: a működőképesség elemzése során analitikus módon járnak el, és a szelepszerkezet tulajdonságairól egyetlen alkalommal kimutatják, hogy a rendszer feladatainak előírásakor megkövetelt működéseket normális üzemben és üzemzavar esetén is ellátja. Erre a célra működési modelleket definiálnak, és ezek helyességét az alkalmazási területeken vagy megfelelő vizsgálóberendezéseken kísérletileg
igazolják; ezek a hajtás méretezéséhez szükséges erők és nyomatékok meghatározására szolgálnak. Az igénybevételi modellek szilárdsági számításokkal elvégzett definiálása lehetővé teszi annak igazolását, hogy a szeleprendszer egyes elemei elviselik a működtetés során fellépő igénybevételeket. A szeleprendszer eredményesen vizsgált rendszerrel való összehasonlításával végzett konstrukciós értékelésből következik az, hogy mennyire érvényesek az alapul szolgáló mechanikai modellek a minősítendő konstrukcióra. Így üzemzavari körülmények közötti működési jellemzői is előzetesen megismerhetők. Másrészt minden egyes beépített szeleprendszer működőképességét (működési készenlétét) ismételt vizsgálatokkal kell igazolni. Ezek során úgynevezett bázisméréssel, általában az üzembe helyezés során, valamennyi szelepre igazolják, hogy működési jellemzőik megegyeznek az alapul vett tervezési modellekéivel. Így az élettartam során bekövetkező esetleges változások üzem közbeni mérésekkel kimutathatók. Szignifikáns működési jellemzők változási irányzatainak követése az állapotfüggő karbantartás alapja. A működési jellemzők alapján meghatározott karbantartási tevékenységek következtében a szelep működtetésére szolgáló teljes rendszer állandóan a tervezés során megengedett működési tartományokon belül marad. Hatásos teljesítmény mérése A villamos hajtóműves szeleprendszerek működőképességének ellenőrzésére a legcélszerűbb eljárásnak a működés közben felvett hatásos teljesítmény mérése bizonyult. Így valamennyi szelep és hajtásuk központilag ellenőrizhető egy olyan mért jel alapján, amely a vezérlőegységtől a szelepig terjedő teljes hatáslánc működést befolyásoló tulajdonságait tükrözi. A mért érték a hajtómotornak a szelep nyitása és zárása közben felvett hatásos teljesítménye (2. ábra). A meghatározott jelalak lényeges pontjaiban a hatásos teljesítmény mellett az ennek alapján meghatározott M működtető forgatónyomatékokat, a menetes orsó által kifejtett F erőket, továbbá a menetes orsós hajtásoknak a szelepek működési jellemzői szempontjából rendkívül fontos súrlódási tényezőit értékelik. (A Framatome AN által kifejlesztett szelepdiagnosztika és kiértékelési eljárás védjegyzett elnevezése ADAM.) A hajtómotor felvett hatásos teljesítménye és a leadott M forgatónyomaték kapcsolatát a 3. ábra szemlélteti. Az összefüggés lineáris, ha a motor a lineáris fordulatszám/forgatónyomaték tartományban működik,
és a hajtás hatásfoka az adott forgatónyomaték-tartományban lineáris. Ezek a feltételek a mérési pontosság keretében adottak. mért mennyiség hatásos teljesítmény ( a t függvényében) nyitás zárás t nyitás zárás t értékelt mennyiségek: hatásos teljesítmények () forgatónyomatékok (M) orsóerők (F) idők (t) 2. ábra A működés ellenőrzése a hatásos teljesítmény mérésével M M = ( K o ) = hatásos teljesítmény o = üresjárati teljesítmény M = forgatónyomaték K = arányossági tényező előfeltételek: - lineáris M/n-jelleggörbe - lineáris hatásfok M o M 3. ábra Forgatónyomaték meghatározása a hatásos teljesítmény mérése alapján A 4. ábrán a hatásos teljesítmény mért értéke és a menetes orsó által kifejtett eredő erők közötti összefüggés látható, eszerint a menetes orsóban kialakuló erők a felvett hatásos teljesítmény növekedésével és ennek a véghelyzetben elért értékével arányosak.
F = ( t csökk Fvég= ( vég fesz növ Fvég + t ) C h n + t ) C h n din üres f din f növ = a teljesítmény növekedése a végállásban csökk = a teljesítmény csökkenése üres = a teljesítmény üresjáratban tfesz = a véghelyzetbeli feszültség időtartama tdin = a dinamikus utánfutási idő Cf = a szelep rugóállandója h = menetemelkedés n = a kimeneti fordulatszám előfeltételek: - a szelep rugóállandójának pontos meghatározása - lineáris M/njelleggörbe mozgás a véghelyzetbe növ tdin csökk üres tfesz t 4. ábra Az orsóerő meghatározása a hatásos teljesítmény mérése alapján Az 5. ábra egy szelep nyitása vagy zárása közbeni közepes futási teljesítmény példáján mutatja, hogy a határértékek a minimálisan szükséges és a maximálisan megengedhető működtetési forgatónyomaték méretezési értékeiből határozhatók meg. A mindenkori értékelési ponthoz tartozó ellenőrzési pontosság definiált értékű, és az értékelés során figyelembe veszik. M mérési és értékelési pontosságok - mérőműszerek tűrése - kalibrálás pontossága (/M) A = mérési és értékelési pontosság B = a mérési értékek megengedett tartománya felső határérték A B A mérési érték alsó határérték t 5. ábra A minimálisan szükséges és a maximálisan megengedhető működtetési forgatónyomaték határértékeinek levezetése a méretezési értékekből
Háromlépcsős diagnosztikai rendszer A háromlépcsős diagnosztikai rendszerben a működés ellenőrzésének, a hibaelemzésnek, valamint a hajtás beállításának és kalibrálásának méréseit különböztetik meg. A mérésekhez a Framatome AN által kifejlesztett rendszerben a kapcsolószekrényekbe beépített áramváltók, valamint sokérintkezős csatlakozó dugaszhüvelyek tartoznak. A mérések során a dugaszhüvelyekbe SILUG márkanevű, önálló energiaellátással, az áram és a feszültség mérésére alkalmas elemekkel, továbbá a hatásos teljesítmény meghatározására és regisztrálására szolgáló elemekkel ellátott, visszahatások nélküli dugaszokat illesztenek. Így időszakos mérések az egységek lekapcsolása nélkül végezhetők, a rendszer online-változatával azonban a szelephajtások működési jellemzői az értékelő számítógép közvetítésével folyamatosan is értékelhetők és nyomon követhetők. Hibameghatározás helyszíni diagnosztizálással A 6. ábrán a szeleprendszerek helyszíni diagnosztizálására szolgáló mérőrendszer vázlatos képe látható, amelyet a névleges értékektől való, nem magyarázható eltérések vagy a működés hibái esetén, az okok felderítésére alkalmaznak. Ezzel a rendszerrel a hatásos teljesítmény mellett a folyamat hibás működésének elemzésére valamennyi paraméter, így a menetes orsóban fellépő erők, forgatónyomatékok, nyomások és hasonlók is meghatározhatók. A szeleprendszerek ellenőrzésétől függetlenül vizsgálják fékpadokon, a szerelőműhelyekben vagy a beépítés helyén a hajtások szabályos működését, a leadott forgatónyomatékokat és a forgatónyomaték-lekapcsolás értékeit. E mérések során határozzák meg a teljesítmény/forgatónyomaték jelleggörbéket is, amelyek a teljesítmény mérésekor kalibrációs görbeként szolgálnak. A megalapozott, részletes, háromlépcsős diagnosztikai rendszer és a valamennyi, villamos hajtású szelephez alkalmazható diagnosztikai és értékelési eljárás az atomerőművek üzemeltetői számára lehetővé teszi a szelepek állapotorientált karbantartásának bevezetését. A lehetőségeket két vizsgálati eredmény szemlélteti. A 7. ábra egy zárható visszacsapó szelep kétirányú működtetése során felvett hatásos teljesítményének diagramját szemlélteti. A szelep záró irányú mozgása közben a működtető motor teljesítményfelvétele, és az értékelés alapján valószínűsíthetően a menetes orsó által kifejtett erő is túl nagy. Így a ha-
tásos teljesítmény növekedése nem lineáris jellegű, és kevéssel a lekapcsolás előtt még meredekebbé válik. Mivel a szeleprendszerben fellépő erők jelentősen meghaladták a méretezési értékeket, és hasonló jelenségeket azonos típusú szelepeken is megfigyeltek, ezért a helyszínen a menetes orsó által kifejtett erő meghatározására is kiterjedő méréseket végeztek. erőmű kapcsolószekrény mérési adatok adapter kompakt diagnosztikai készülék (MCC-DAW) a szelep adatai hajtás adatgyűjtő személyi számítógép adatcsere kiértékelő személyi számítógép (dokumentáció) nyomtató armatúra 6. ábra Hibameghatározás helyszíni diagnosztikai méréssel hatásos teljesítmény, kw hatásos teljesítmény, kw 10 5 oldás a zárt véghelyzetből; mozgás a nyitott véghelyzetbe 0 0 5 10 15 20 s 10 5 oldás a nyitott véghelyzetből; mozgás a zárt véghelyzetbe 0 0 5 10 15 20 s 7. ábra A forgatónyomaték függvényében mindkét irányban működtetett, zárható visszacsapó szelep hatásos teljesítmény diagramja
A menetes orsón végzett erőmérések eredményei igazolták az orsónak a hatásos teljesítmény mérése alapján túl nagynak minősített erőit, valamint a lekapcsolás előtt a lineárisnál meredekebb növekedését. A jelenség okaként a menetes orsó vándoranyáját megtámasztó tányérrugócsomag helytelen szerelését azonosították. A gyártás során a tányérrugócsomag előfeszítésére szolgáló egyik gyűrű méretét a szerelés egyszerűsítése érdekében annyira csökkentették, hogy a vándoranya súrlódási tényezője olyan kicsivé vált, hogy az önzáró jelleg megszűnt, a vándoranya a zárási véghelyzet közelében a hajtómű végtengelyéhez ütközött. A hasonló szelepek szerelése közben a csökkentett méretű gyűrűket összekeverték az előírt méretűekkel, és így a jelenség enyhébb vagy súlyosabb mértékben több szelepnél is fellépett. Az ellenőrző mérések és az eredmények értékelése alapján sikerült a hiba okát felderíteni, és a szelepek hibáját kijavítani. Ezt az átalakítást követő mérések eredményei igazolták. A zárási véghelyzetben fellépő orsóerőket vizsgáltak 16 darab, azonos típusú szelep ellenőrzésével. Valamennyi érték a megengedett határértéken belül volt, az egyes mérési eredmények aritmetikai középértéke kb. 15%-kal volt kisebb a névleges értéknél, a szórás < 2 σ. Egyetlen szelep mért értéke volt egyértelműen nagyobb a többi értéknél. A mért érték ugyan kisebb a maximálisan megengedhető értéknél, azonban az eltérés alapján karbantartás szükségességére lehetne következtetni. Az üzemeltető azonban egy idő múlva megismételte a vizsgálatot, amely azt az eredményt adta, hogy a nagyobb orsóerő a többi szelepével összemérhető értékre csökkent. Ez csak egyszeri eltérésnek minősíthető, és így a karbantartási javítási tevékenység felesleges lett volna. A diagnosztikai eljárás a költségek csökkentése mellett a biztonság és a rendelkezésre állás növelését is lehetővé teszi. Irodalom Összeállította: álinkás János Roos, G.; Kradepohl,.: Eine moderne Armaturendiagnose und Auswertemethode. = VDI-Berichte, 2003. 1769. sz. p. 51 66. Winterstein, M.; Binder, F.: Reliable detection of pipe support malfunctions with the displacement monitoring system DIMOS. = VDI-Berichhte, 2003. 1769. sz. p. 67 78.