В начале 2000-х гг. в «Концерне Росэнергоатом» была принята стратегия перехода с «технического обслуживания и ремонта по регламенту» на «ТО и Р по техническому состоянию». Но, несмотря на то, что вопросами разработки алгоритмов диагностирования и обнаружения неисправностей непрерывных объектов занимались многие ученые (в том числе, специалисты РНЦ «Курчатовский институт», ОКБ «Гидропресс», ОКБМ им. Африкантова, ЗАО «Диапром», «Инкор»), завершенной методологии контроля технического состояния объектов атомной техники для перехода на «ТО и Р по техническому состоянию» пока не создано.

Для создания эффективной системы диагностирования автором был предложен подход, при котором рассматриваются непрерывные объекты атомной техники, представляемые электрическими цепями, поскольку большинство изделий и датчиков контроля параметров ЯЭУ может быть представлено в виде электротехнических устройств. Оценивая техническое состояние контролируемых изделий, можно провести оценку остаточного ресурса для управления сроком службы таких объектов.

Для решения этой задачи были использованы положения теории надежности и технической диагностики, теории ошибок, теории электрических цепей, теории идентификации систем. В качестве основного математического аппарата использовалась теория матриц.

Особенности диагностирования объектов ЯЭУ

Диагностирования объектов ЯЭУ характеризуется рядом особенностей:

- разнообразием по используемым физическим принципам;

- разнообразием по конструкциям;

- наличием как дискретных, так и непрерывных объектов;

- наличием одноканальных и многоканальных объектов;

- различным уровнем надежности отдельных систем;

- различными режимами работы: длительным, кратковременным, повторно-кратковременным;

- высокой степенью автоматизации;

- ограниченными возможностями восстановления на АЭС;

- разнообразием условий проведения диагностирования.

В основную группу объектов диагностирования на АЭС входят: реактор и его системы;  насосы и вентиляторы; ГЦН; турбоагрегаты; электроприводная арматура; другое оборудование.

Диагностирование насосов и вентиляторов выполняется в основном методом виброконтроля. При этом обнаруживаются: дисбалансы вращающихся масс; расцентровка или несоосность расчлененных валов; дефекты муфт, подшипников качения и скольжения, зацепления зубчатых передач, рабочего колеса, опор и электрические дефекты.

Для диагностики ГЦНА также используется  виброконтроль. Диагностирования осуществляется с помощью системы «COMPASS» (фирмы «Брюль и Къер»). Также методом  виброконтроля выполняется диагностирование турбоагрегатов. Диагностирование электроприводной арматуры выполняется с помощью систем КСДА, КСДЭА, разработанных ЗАО «Диапром», с включением системы контроля крутящего момента.

Общее число систем диагностирования, используемых на отечественных АЭС, составляет несколько десятков. Но они мало, что дают для оценки технического состояния контролируемого объекта в целом, поскольку не отслеживают во времени изменение величин, называемых диагностическими признаками.

Для создания СД непрерывных технических объектов потребовалось: введение новых режимов диагностирования; определение новых диагностических признаков объекта при ограниченном объеме измерительной информации; проведение диагностирования при неизвестной структуре объекта; оценка технического состояния при приближении к предельному состоянию объекта, а также решение ряда вопросов, связанных с выбором контрольных точек диагностируемого объекта.

На первом этапе предложенной методологии оценки технического состояния производится математическое моделирование, выполняется до создания технических средств будущей системы диагностирования. При оценке технического состояния предлагается из пространства рабочих функций перейти в пространство диагностических признаков, в котором и отслеживается степень приближения объекта к своему предельному состоянию (запас работоспособности) по каждому из этих признаков,  что позволит подойти к решению задачи оценки остаточного ресурса.

Под диагностическим признаком понимается структурный параметр или характеристика объекта, изменение которых под влиянием внешних факторов и режимов работы оказывает наибольшее влияние на рабочие функции контролируемого объекта.

На этапе математического моделирования производится описание диагностируемого объекта, включающее структурную и функциональную схемы, характеристики структурных единиц объекта и их рабочих функций. После подготовки необходимой информации на выбранном уровне детализации объекта с учетом возможных связей между рабочими функциями и его макропараметрами, вызывающими их существенное изменение, производится   построение математической модели объекта; определение наиболее значимых параметров и характеристик объекта, которые подходят на роль диагностических признаков (ДП) и оценка диапазонов допустимых значений ДП.  Определяется набор величин, непосредственно измеряемых в процессе диагностирования объекта. Создается диагностическая модель (ДМ) объекта, описывающая аналитические зависимости между измеряемыми величинами и ДП объекта и создается расчетная программа.

На втором этапе - собственно процедуре диагностирования собирается и обрабатывается измерительная информация с использованием полученной диагностической модели контролируемого объекта, в результате которого ставится диагноз о техническом состоянии объекта на момент проведения диагностических измерений. Схема проведения этого этапа  представлена на рис. 1.

Рис. 1 Процедура диагностирования

Наиболее важным вопросом при разработке алгоритмов контроля технического состояния сложных объектов является вопрос выбора диагностических признаков объекта: их количества и номенклатуры. При этом нужно учитывать следующее:

- к диагностическим признакам следует относить только те структурные параметры объекта, изменение которых под влиянием внешних и внутренних факторов в процессе эксплуатации в наибольшей степени влияет на изменение рабочих функций объекта;

- наличие доступного для проведения диагностических измерений количества контрольных точек и набора измеряемых физических величин;

- возможность построения математической и диагностической моделей контролируемого объекта на определенном уровне детализации его структуры.

В отличие от задачи контроля, при диагностировании должен быть получен не просто объем измерительной информации по каким либо физическим величинам, а также по этой информации выполнена идентификация всего набора диагностических признаков объекта, отвечающих за выполнение объектом заданных ему рабочих функций.

К третьему этапу методологии оценки технического состояния относится  поиск дефекта или прогнозирование остаточного ресурса. Для повышения объема диагностической информации предлагается помимо рабочего и тестового режимов использовать смешанный режим диагностирования, что позволит выполнять диагностирование объекта без отключения его от выполнения рабочих функций. При смешанном режиме объект выполняет все свои рабочие функции, хотя и функционирует в нештатном режиме. Схема системы смешанного диагностирования представлена на рис.2.

Рис.2 Схема системы смешанного диагностирования

Поскольку большое число объектов на АЭС представляют электротехнические устройства, то при моделировании был использован математический аппарат теории электрических цепей в матричном виде. Рассматривались модели цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами. 

Математическая модель электрической цепи с сосредоточенными параметрами строится на основе двух систем уравнений: системы уравнений соединений и системы уравнений элементов цепи. Первая представляет собой систему алгебраических уравнений относительно напряжений и токов в ветвях электрической цепи. Вторая система может быть представлена в виде алгебраических и дифференциальных (интегральных) уравнений в общем случае или в виде только алгебраических уравнений (для чисто резистивной цепи). Предложенный подход может быть использован при проведении диагностирования широкого класса объектов, представляемых как линейными, так и нелинейными электрическими цепями.

В качестве другого примера объекта, для которого в работе строятся математическая и диагностическая модели, рассматривалась электрическая цепь,  представляемая схемой замещения с распределенными параметрами.

Информативность диагностического измерения

Для оценки степени приближения объекта к предельному состоянию при постановке диагноза о техническом состоянии контролируемого объекта было введено понятие информативности проведенных измерений, позволяющее с большей или меньшей вероятностью ставить диагноз о техническом состоянии элемента /объекта на основе выполнения данного измерения.

Величина информативности определяется значением коэффициента информативности. Формула (1) может быть использована при решении задачи технической диагностики как прогнозирование остаточного ресурса диагностируемых элементов или объекта.

Где: P₁⁰ - априорная вероятность нахождения элемента/объекта в технически исправном состоянии; P₁ - апостериорная вероятность этого события; A_i –нормировочный коэффициент; A_p – коэффициент прогноза, вычисляемый по формуле

где Δ_i – нижний либо верхний допуск (Δ_i⁺, Δ_i^-) на величину контролируемого параметра;  R_i и R_i^н –  текущее и номинальное значения измеряемого параметра; b₀ – коэффициент развертки, задаваемый в пределах  0,5≤b₀<1. Результаты расчета по формуле (1) представлены на рис. 3 в виде поверхности Z коэффициента информативности.

Рис. 3. Поверхность коэффициента информативности

В качестве аргументов X и Y взяты величины математического ожидания измеряемого параметра  и его погрешности. Анализ полученных результатов показывает, как изменяется информативность измерений при приближении ДП к предельным значениям.

Предлагаемый подход оценки информативности диагностических измерений получил дальнейшее развитие при рассмотрении объектов, представляемых динамическими цепями, модели которых строятся на основе дифференциальных уравнений. При идентификации параметров динамической цепи использовался переход от системы дифференциальных уравнений к системе конечно-разностных уравнений.

При недостаточных объемах измерительной информации (в том числе, когда ее не хватает для полной идентификации всех диагностических признаков) строится диагностическая модель с уменьшенным числом диагностических признаков, в предельном случае - измерение минимально возможного количества величин, равного двум. Для этого случая объект представляется в виде «черного ящика» с одним внешним входом и одним выходом, а в качестве ДП рассматривается передаточная функция или просто коэффициент передачи.

Методы диагностирования объектов, относящихся к системам ЯЭУ

Разработанная методология диагностирования и математического моделирования была применена для ряда объектов, относящихся к системам ядерно-энергетических установок, в частности детекторов нейтронного потока, входящих в системы СУЗ и СВРК ядерного реактора.

Датчик прямого заряда (ДПЗ) системы внутриреакторного контроля (СВРК) состоит из трех основных элементов: эмиттера, коллектора и изолятора (рис. 4).

Рис. 4. Датчик прямого заряда                                            

Рис. 5. Схема измерительной цепи ДПЗ  в  диагностическом режиме

Радиоактивные превращения в эмиттере, происходящие под воздействием нейтронов, приводят к появлению электронов, которые теряют часть своей энергии при столкновении с  атомами в  толще изолятора. «Оседая” в местах нарушения кристаллической структуры изолятора, они создают потенциальный барьер для перемещения электронов, позже появившихся в эмиттере датчика, приводя к  возникновению разности потенциалов между эмиттером и коллектором датчика. При соединении эмиттера и коллектора внешним токопроводящим участком образуется замкнутая электрическая цепь, по которой потечет электрический ток, по величине которого можно судить о величине нейтронного потока в месте расположения датчика. Величина тока будет зависеть не только от величины нейтронного потока, но и от генерирующей способности эмиттера ДПЗ, которая изменяется по мере уменьшения рабочего вещества в объеме эмиттера, а также от сопротивления изоляции измерительной линии между датчиком и регистрирующей аппаратурой.

Диагностический режим работы измерительной цепи датчика, схема которой представлена на рис. 5, позволяет идентифицировать не только сопротивление изоляции измерительной линии, что делается в традиционном подходе, но и генерирующую способность эмиттера. Таким образом, в качестве  диагностических признаков измерительной цепи ДПЗ выступают две величины: сопротивление элементов, обусловливающих ток утечки через элементы цепи ДПЗ, а также ток J₀, генерируемый эмиттером ДПЗ.

Еще один метод контроля технического состояния активной зоны реактора типа ВВЭР предполагает использование датчиков ДПЗ иного типа (бета-сборных датчиков), у которых в качестве эмиттера рассматривается сердечник тепловыделяющего  элемента. Между поверхностью твэла и изолированным коллектором датчика остается водяной зазор, наличие или отсутствие которого отражается на генерирующей способности ВСД.

В нейтронно-физическом канале (НФК) системы управления и защиты (СУЗ) ядерного реактора в качестве детектора нейтронного потока выступает ионизационная камера (ИК) с газом в рабочем объеме, в котором в процессе ионизации образуются носители заряда. Детектор преобразует нейтронный поток ядерного реактора в токовый сигнал.

Степень ионизации газа и выходной ток камеры определяются величиной нейтронного потока (мощностью) ядерного реактора. Вольтамперная характеристика ИК может рассматриваться как ВАХ нелинейного двухполюсника. На основе идентификации ВАХ токовой ИК определяется ее техническое состояние.

На рис. 6 представлена блок-схема одного из вариантов ДС для диагностирования токовых ионизационных камер нейтронно-физического канала СУЗ ядерного реактора.

Рис. 6. Блок-схема системы диагностирования ИК

Использование методологии диагностирования технических объектов атомной энергетики на примерах объектов,  представляемых электрическими цепями, актуально в связи с принятой в «Концерне Росэнергоатом» стратегией перехода с «технического обслуживания и ремонта по регламенту» на «ТО и Р по техническому состоянию». Оценка фактического состояния по набору диагностических признаков позволяет подойти к оценке остаточного ресурса технических объектов на новой основе.

Для решения задач выбора контрольных точек с целью последующего подключения измерительной аппаратуры в среде «Matlab» были созданы соответствующие алгоритмы и программы.

Предложенные методы определения информативности измерений в технических объектах позволяют при разработке новых изделий предусмотреть возможность подключения диагностической аппаратуры к наиболее информативным контрольным точкам после отработки этим изделием части своего ресурса, что повысит эффективность диагноза его технического состояния и управления сроком службы.

Предложенный способ диагностирования токовых ионизационных камер системы управления и защиты ядерного реактора позволяет восстанавливать вольтамперные характеристики ИК в рабочем режиме без ее отключения от СУЗ на работающем реакторе. Новый метод диагностирования датчиков прямого заряда системы внутриреакторного контроля (СВРК) позволяет определять степень выгорания эмиттера этого датчика и контролировать уменьшение его эффективности в процессе отработки кампании активной зоны ядерного реактора.

На основе усовершенствованного датчика ДПЗ системы ВРК3 предложен также способ контроля паросодержания в активной зоне реактора ВВЭР. Методология построения систем диагностирования  нового поколения позволяет использовать ее для широкого класса непрерывных объектов атомной техники и отделить системы диагностирования технического состояния объекта от допускового контроля по отдельным параметрам. При этом появляется возможность решения задачи определения остаточного ресурса и прогнозирования времени наступления предельного состояния.

Разработанные методология диагностирования и концепция создания систем диагностирования нового поколения позволяют подойти к решению задачи «Техническое обслуживание и ремонт по фактическому состоянию».