Rekonštrukcia rýchločinných armatúr JE Dukovany a vývoj nového pneumatického pohonu

• Foto

Úvod

Predstavujeme úspešný projekt rekonštrukcie rýchločinných armatúr DN450 a DN500 (RČA) realizovaný vlastnými výskumno-vývojovými, výrobnými a realizačnými kapacitami, ktorého cieľom bolo zvýšenie bezpečnostných parametrov a predĺženie životnosti systému pri súčasnej optimalizácií investičných nákladov. Hlavnou náplňou projektu bol vývoj kompletne nového bezpečnostného ovládania, re-dizajn kritických tlakových častí a kvalifikácia celej zostavy.

RČA sú bezpečnostné armatúry, určené pre prípad porušenia integrity parovodného potrubia, hlavného parného kolektora alebo potrubia napájacej vody parogenerátora (udalosť HELB). Ich úlohou je za max. 5 sekúnd oddeliť porušenú časť potrubia zo sekundárneho okruhu JE. RČA sú z konštrukčného hľadiska posúvače ovládané pneumatickým valcom napájaným zo vzdušníka. Vzdušník je pripojený k centrálnemu rozvodu tlakového vzduchu. Armatúra musí byť schopná urobiť jeden pracovný cyklus iba pomocou napájania zo vzdušníka. 

RČA DN450 sú umiestnené na parovodoch, medzi každým zo šiestich parogenerátorov a parným kolektorom. Medzi parogenerátorom a RČA sú osadené bezpečnostné armatúry parogenerátorov, poistné ventily a prepúšťacie stanice do atmosféry. RČA DN500 sa používajú ako sekčné uzávery na hlavnom parnom kolektore. RČA sú umiestnené v potrubnom priestore pozdĺžnej etažérky v nehermetickej zóne. Za normálnych prevádzkových podmienok RČA pracujú pri teplote 262°C a tlaku 4,8 MPa. Tlak ovládacieho vzduchu je 4,5 MPa.

Požiadavka na riešenie

Pre súčasnú prevádzku JE uvedených do prevádzky v 80. rokoch je charakteristické kontinuálne prehodnotenie a zvyšovanie bezpečnosti predovšetkým bezpečnostných systémov. V rámci tohto všeobecného trendu JE Dukovany v prípade systému RČA dospelo k záveru, že v záujme zvýšenia pripravenosti sekundárneho okruhu na udalosť HELB zváži výmenu resp. preskúma možnosť rekonštrukcie jestvujúcich armatúr.

Na posúdenie spoľahlivosti RČA pri udalosti typu HELB spojenej so štúdiou realizovateľnosti prípadnej rekonštrukcie armatúr bola vybraná spoločnosť ROEZ. Posudok ROEZ, ktorý sa dôkladnou detailnosťou venoval problematike havarijného zatvárania RČA bol pripravený v rokoch 2014-2015. Na základe tejto práce vznikol návrh na rekonštrukciu RČA, ktorá by predĺžila ich životnosť do konca plánovanej životnosti JE Dukovany, zvýšila bezpečnosť sekundárneho okruhu a zároveň predstavuje finančne príťažlivú alternatívu k nákladnej a technicky náročnej výmene armatúr.

Návrh rekonštrukcie

Navrhnutá rekonštrukcia RČA sa primárne zamerala na úpravu vedenia klinu a návrh nového pohonu. Základnou požiadavkou na opravný zásah zo strany prevádzkovateľa bolo, aby sa rekonštrukcia uskutočnila in-situ, bez vyrezania telesa armatúry z potrubia. Samotné riešenie bolo rozdelené do dvoch etáp:

• Vývoj a overenie technológie rekonštrukcie na prototype. Prototyp slúžil okrem overenia technológie aj na kvalifikačné skúšky (seizmická skúška a funkčná skúška havarijného zatvárania).
• Po úspešnom ukončení prvej etapy riešenia sa pristúpilo k in-situ rekonštrukciám RČA inštalovaných v JE Dukovany.

Vedenie klinu

Ťažiskom navrhnutej rekonštrukcie armatúr je úprava vedenia klinu založená na nasledujúcich krokoch:

1. Výmena vodiacich tyčí:
   Náhrada pôvodných vodiacich tyčí novými, ktoré sú opatrené tvrdonávarom. Úprava povrchu vodiacich tyčí zníži riziko zadierania klinu vo vedení.
2. Zníženie vôle vedenia klinu:
   Na základe analýzy geometrie armatúr sa určila hraničná vôľa, pri ktorej sa dosiahne celoplošné dosadnutie tesniacej plochy klinu do sedla a tým sa eliminuje riziko zadierania klinu pri dosadaní do sedla.
3. Nové zvary vodiacich tyčí:
   Privarenie nových vodiacich tyčí k telesu armatúry neprerušovanými zvarmi. Vhodne dimenzované zvary zaručia nielen dostatočnú pevnosť, ale aj tuhosť vedenia klinu.

Výsledkom uvedených zmien je zásadné zníženie klopivosti klinu, eliminácia vysokých kontaktných napätí pri pohybe klinu vo vedení, ako aj hladký prechod klinu do sedla. Cieľom rekonštrukcie vedenia klinu je úplná eliminácia nedostatkov konštrukcie z hľadiska havarijného zatvárania a zvýšenie prevádzkovej bezpečnosti.

Nový pohon

Síce rekonštrukcia vedenia klinu v telese armatúry popísaná v predchádzajúcom bode je skutočnou technologickou výzvou, ale návrh nového rýchločinného pohonu - čo sa týka technickej náročnosti - za ním v ničom nezaostáva. V prvom kroku prebehlo základné dimenzovanie, ktorým sa určila maximálna požadovaná sila pri zatváraní do požadovaného diferenčného tlaku a navrhli sa základné parametre pohonov:

• RČA DN450:
  priemer valca: Ø450 mm
  objem vzdušníka: 300 litrov.
• Pohon RČA DN500:
  priemer valca: Ø500 mm
  objem vzdušníka: 350 litrov.

V ďalšom kroku vývoja sa navrhla konštrukcia rýchločinných pohonov so zreteľom na ich požadovanú dlhodobú prevádzku a ďalšie prevádzkové špecifiká.

Rekonštrukcia prototypu

Najnáročnejšou časťou vývoja bolo premietnutie ideovej predstavy rekonštrukcie vedenia klinu na opakovateľný technologický postup použiteľný aj počas rekonštrukcie in-situ.

Vyžadovalo sa:

• výber prídavného materiálu a vývoj technológie pre tvrdonávary vodiacich tyčí,
• výber prídavného materiálu a vývoj technológie pre spojovací zvar medzi novými vodiacimi tyčami a telesom armatúry,
• návrh a vývoj jednoúčelových zváracích zariadení: lineárnej dráhy na naváranie tvrdonávarov na nových vodiacich tyčiach, ako aj zváracieho zariadenia potrebného na privarenie vodiacich tyčí do telesa armatúry,
• návrh režimu tepelného spracovania po zváraní.

Okrem vývoja technológie rekonštrukcie bol potrebný komplexný návrh nového pohonu vrátane príslušenstva, t.j. detailná konštrukčná dokumentácia pneumatického valca, vzdušníka, vzduchových rozvodov, vretena a spojky. Na základe požiadavky prevádzkovateľa sa vyvinutá technológia rekonštrukcie overila na rekonštrukcii prototypovej RČA pri dielenských podmienkach.

Skúšky prototypu

Pre prototyp RČA bol vypracovaný plán kvalifikácie v súlade s kvalifikačnými požiadavkami. Vo všeobecnosti sa požadovalo: 

1. Seizmická skúška: skúška seizmickej odolnosti  vrátane preverenia základnej funkčnosti armatúry po skúške (bez diferenčného tlaku média).
2. Skúška funkčnosti: skúška zameraná na overenie schopnosti armatúry zatvoriť do diferenčného tlaku média po seizmickej udalosti.

Uvedené skúšky tvorili nosnú časť požadovanej kvalifikačnej dokumentácie.

Seizmické skúšky

Seizmické skúšky prototypu sa uskutočnili v skúšobni VTÚPV Vyškov na trojosej seizmickej stolici. Seizmickými skúškami sa preukázala mechanická integrita RČA pri zadaných spektrách seizmického budenia.

Skúška funkčnosti pri havarijnom zatváraní

Skúška funkčnosti pri havarijnom zatváraní prototypu RČA DN450 sa uskutočnila pomocou nami vyvinutého hydraulického tlakového zariadenia, ktorým sa zabezpečila simulácia silového pôsobenia média na klin.

Ide o hydraulické tlakové zariadenie, v podstate tlakovú nádobu, ktorá je na strane klinu uzavretá 19-imi piestmi, ktoré sú držané v rovnovážnej polohe pružinami, resp. čelným krytom. Pri zasúvaní klinu do armatúry počas zatvárania kolieska na konci piestov postupne dôjdu do kontaktu s klinom, ktorý ich začne odtláčať v horizontálnom smere. Po kontakte koliesok s klinom vznikne silové pôsobenie prípravku na klin. Silové pôsobenie hydraulického systému tak simuluje pôsobenie diferenčného tlaku prúdiaceho média počas havarijného zatvárania armatúry. 

Základným parametrom skúšky je tlak v hydraulickom systéme prípravku, ktorý určuje maximálnu silu na kline vyvodenú prípravkom počas a tiež aj na konci zatváracieho zdvihu. Samotný priebeh sily na kline je určený predovšetkým konštrukčným usporiadaním jednotlivých piestikov a poradia ich kontaktu s klinom počas jeho zasúvania sa. Požadovaný počiatočný tlak v hydraulickom systéme bol teda určený na základe porovnania teoretického výpočtu a výpočtu priebehu síl na prípravku pri jeho vhodnom nastavení.

Úspešná funkčná skúška havarijného zatvárania prebehla začiatkom roku 2018. Prototyp RČA zavrel v čase ca 3,5 sekúnd pri silovom pôsobení na klin nahradzujúcom zatváranie armatúry do plného prietoku média.

Rekonštrukcia in-situ

Vyvinutá technológia rekonštrukcie sa prvýkrát aplikovala in-situ pri odstávke 4. bloku počas mesiacov 09/10 roku 2018. V nasledujúcich dvoch rokoch sa postupne uskutoční rekonštrukcia všetkých 36 kusov RČA inštalovaných na JE Dukovany.

Rekonštrukciou sa dosiahne plná funkčnosť zostavy pri udalosti HELB a zároveň výrazné finančné úspory pre prevádzkovateľa v porovnaní s alternatívou výmeny armatúr.

Autoři

• Berky Róbert
• Lecký Michal