Pyörrevirtatarkastusten luotettavuuden parantaminen

Transkriptio

1 STUK-YTO-TR 126 HUHTIKUU 1997 FI Pyörrevirtatarkastusten luotettavuuden parantaminen Kari Lahdenperä VTT Valmistustekniikka Tutkimuksen yhteyshenkilö Säteilyturvakeskuksessa Olavi Valkeajärvi Tutkimus on tehty Säteilyturvakeskuksen tilauksesta. Raportissa esitetyt johtopäätökset ovat tekijän johtopäätöksiä, eivätkä ne edusta Säteilyturvakeskuksen virallista kantaa. SÄTEILYTURVAKESKUS PL 14, HELSINKI (09) VOL

2 ISBN ISSN Oy Edita Ab Helsinki 1997

3 STUK-YTO-TR126 SÄTEILYTURVAKESKUS LAHDENPERÄ, Kari (VTT Valmistustekniikka). Pyörrevirtatarkastusten luotettavuuden parantaminen. STUK-YTO-TR 126. Helsinki s. ISBN ISSN Avainsanat: rikkomaton aineenkoetus, pyörrevirta, ydinvoima, luotettavuus TIIVISTELMÄ Ydinvoimalaitosten höyrystimien pyörrevirtatestauksen luotettavuuden selvittämiseksi Yhdysvalloissa 1980-luvulla järjestetyssä kokeessa vikojen havaitsemistodennäköisyys jäi keskimäärin 50 %:iin. Vikojen pituuden ja syvyyden määritys oli epäluotettavaa. Eurooppalaisessa PISC III -projektissa hylättävien vikojen hylkäystodennäköisyys oli 45 %...83 %. Alhaisin havaitsemistodennäköisyys saatiin raerajakorroosiovioille. Vikojen syvyyden ja ulkopuolisten säröjen pituuden määrityksessä saavutetut tulokset olivat huonoja. Ultraäänimenetelmällä saatiin hylättävien vikojen hylkäystodennäköisyydeksi 95 %, kun testattiin vain suorat putket. Yhtään raerajakorroosiovikaa ei löydetty. Projektin loppuraportissa suositeltiin NDT-pätevöitystä höyrystimien pyörrevirtatekniikoiden luotettavuuden parantamiseksi. On huomattava, että pätevöitykseen kuuluvan käytännön kokeen järjestäjän on osattava ennakoida mahdolliset vauriot, niiden kasvunopeus ja todennäköiset esiintymispaikat. Testausten luotettavuutta on parannettu erilaisin viranomaisten suosituksin ja ohjein. Esimerkiksi Yhdysvalloissa viranomaiset antavat seikkaperäisiä suosituksia käytettävistä tekniikoista ja testauslaajuuksista. Testaustulosten analysointi suositellaan suoritettavaksi kahden toisistaan riippumattoman ryhmän toimesta. Toisaalta eräiden vaurioiden tulppauskynnystä on nostettu tarkennettujen laskelmien perusteella. Testauksissa käytettävät menetelmät on pätevöitettävä. Höyrystimien testauksessa perustekniikalla voidaan löytää pistemäisiä volumetrisia vikoja ja pitkittäisiä säröjä, joiden syvyys on yli 50 % seinämästä. Herkkyys riippuu vian sijainnista ja tilavuudesta. Poikittaisia säröjä ei havaita. Pyörivillä antureilla tai ryhmäantureilla voidaan löytää poikittaisia ja pitkittäisiä yli 40 % syviä ulkopuolisia säröjä. Pyörivällä ristikela-anturilla on löydetty yli 26 % syviä sisäpuolisia säröjä. Määritystarkkuutta voidaan olennaisesti parantaa näyteputkien avulla. Mikäli halutaan suurempaa herkkyyttä, on käytettävä ultraäänimenetelmää. Pyörrevirtamenetelmää käytetään myös pintatestaukseen. Mahdollisia testauskohteita ovat mm. säätösauvakoneiston läpiviennit, paineastian pinnoite, generaattorin roottorin keskireikä, turbiinin siivet ja kierteiset osat. Pyörrevirtamenetelmän käyttö on perusteltua erityisesti silloin, kun testaus on automatisoitava tai kun kohde on muodoltaan hankala (esim kierre).

4 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR126 LAHDENPERÄ, Kari (VTTManufacturing technology). Improving reliability in eddy current inspection. STUK-YTO-TR 126. Helsinki pp. ISBN ISSN Keywords: non-destructive testing, nuclear power, eddy current, reliability ABSTRACT In the 1980s a study was carried out in the USA to asses the reliability of eddy current inspection of steam generator tubing. The probability of the flaw detection was about 50 %. The results of sizing (depth and length) were poor. Later in PISC III project the probability of the different teams to reject rejectable flaws was found to vary between 45 % and 83 %. IGA flaws had the lowest probability of detection. The accuracy of sizing was poor. The two teams using only the ultrasonic method obtained a 95 % rejection probability for rejectable flaws; only straight tubes were tested. No IGA flaws were detected by these two teams. In the report of the project qualification of eddy current techniques was recommended. For the practical assessment, the type and position of the flaws as well as growth rate have to be assessed by the qualification body. To improve the reliability of the inservice inspection, recommendations and regulations have been issued by regulatory bodies. In the USA, there are detailed recommendations for the scope of testing and the techniques to be used in steam generator testing. Analysis of the results of the inspection is recommended to be carried out by two independent groups. The techniques used must be validated. However in some cases the plugging criteria have been made less conservative. Volumetric flaws and external axial cracks deeper than 50 % of the wall thickness can be detected and sized with bobbin coils and using the multifrequency technique. However, the sensitivity varies according to the location and volume of the flaws. Circumferential cracks cannot be detected. Rotating probes or array probes should be used for detection and sizing of circumferential cracks and axial cracks at expansion transition at the top of the tube sheet. With these special probes, OD cracks with a depth less than 40 % cannot usually be detected. ID cracks with an average depth of 25 % have been detected with a rotating +point probe. The sizing and classification accuracy can be considerably increased with pulled tubes. For greater sensitivity an ultrasonic method has to be used. The eddy current method is applied increasingly in surface testing when there is a need for automation. For example the reactor pressure vessel cladding, feed throughs of vessel head penetrations, the centerbore of the generator rotor, turbine blades and threaded parts are often inspected by eddy current method.

5 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKESKUS SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ Sivu ABSTRACT 4 1 JOHDANTO 7 2 HÖYRYSTIMET JA NIIDEN VAURIOT 9 3 HÖYRYSTIMEN TESTAUS 13 4 TESTAUSTEKNIIKOIDEN VALINTA Sisäpuoliset jännityskorroosiosäröt Ulkopuoliset raerajakorroosiovauriot Ulkopuoliset jännityskorroosiosäröt Pistekorroosio ja yleiskorroosio Lommot Kulumat Väsytyssäröt 21 5 TESTAUSKÄYTÄNTÖ 22 6 LUOTETTAVUUSVERTAILUT Yhdysvallat Kansainvälinen PISC III-projekti Materiaali ja menetelmät Tulokset Tulokset ryhmittäin Tulokset vikatyypeittäin Tulokset testausmenetelmittäin PISC-projektin tulosten tarkastelu Tulosten tarkastelu ryhmittäin Tulosten tarkastelu vikatyypeittäin ja testausmenetelmittäin 36 7 MUUT LÄMMÖNVAIHTIMET Lauhduttimien pyörrevirtatestaus Ferromagneettisesta materiaalista valmistetut Iämmönvaihtimet 39

6 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR PINTATESTAUS Koekappaleet ja vertailuviat Paineastian pinnoite ja läpiviennit Turbiinit ja generaattorit Hitsit 46 9 YHTEENVETO 47 KIRJALLISUUSLUETTELO 50

7 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKESKUS 1 JOHDANTO Pyörrevirtamenetelmä on vakiinnuttanut asemansa yhtenä merkittävänä menetelmänä ydinvoimaloiden ja muun teollisuuden kunnonvalvonnassa. Sitä käytetään yleisesti myös metalliteollisuudessa, erityisesti putkitehtaissa, tosiaikaiseen putkien laadunvalvontaan. Pyörrevirtamenetelmä soveltuu sähköä johtavien materiaalien kunnonvalvontaan. Sillä voidaan havaita pintaan avautuvia ja muutaman millimetrin syvyydessä olevia vikoja (volumetrisia vikoja ja säröjä). Pyörrevirtamenetelmä kilpailee pintamenetelmien ja joskus ultraäänimenetelmän kanssa. Useimmiten nämä menetelmät kuitenkin kilpailun sijasta täydentävät toisiaan. Ydinvoimalaitoksissa pyörrevirtamenetelmää on käytetty eniten erilaisten lämmönvaihtimien ja erityisesti höyrystimien lämpöpintaputkien testaukseen. Painevesilaitosten (PWR) höyrystimien putkien testaus on testauksen volyymin kannalta tarkasteltuna tärkein pyörrevirtamenetelmän sovellus sekä laitosten että testausta suorittavien urakoitsijoiden kannalta. Laajimmillaan vuosihuollon aikana voidaan joutua testaamaan höyrystimien kaikki putket. Pyörrevirtamenetelmää käytetään nykyään rutiininomaisesti yhdessä ultraäänimenetelmän kanssa reaktoripaineastian sisäpuolisessa testauksessa. Muita kohteita ovat esimerkiksi ruuvien ja kierrereikien testaus sekä turbiinin siipien testaus. Pyörrevirtamenetelmää käytetään myös ohutseinämäisten putkistojen ulkopuoliseen testaukseen. Testauksessa käytettävät laitteistot ovat kehittyneet voimakkaasti. Markkinoilla on PC-pohjaisia monikanavaisia lämmönvaihtimien testaukseen tarkoitettuja laitteita ja pieniä helposti kuljetettavia laitteita, joita voidaan käyttää esim. vaikkapa putkistojen ulkopuoliseen testaukseen. Myös anturit ovat kehittyneet. Erilaisia pyöriviä antureita on saatavissa kaupallisesti. Pyöritysmoottorit ovat niin pieniä, että ne mahtuvat vaikka höyrystinputkien sisään. Lisäksi markkinoilla on monenlaisia manuaalisia, puolimanuaalisia ja automaattisia laitteita, joilla anturi voidaan työntää testattavaan putkeen tai vetää putkesta ulos. Tällaisessa vetolaitteessa on usein paikka-anturi, joka mittaa anturin kulloisenkin paikan putken pituussuunnassa. Luotettavuuden lisäämiseksi ja kustannusten vähentämiseksi testausta ja erityisesti tulosten analysointia on automatisoitu. Useilla eri valmistajilla on myynnissä suuria ohjelmistoja, joiden avulla voidaan määrittää vikojen syvyys ja laajuus. Ohjelmistojen avulla testattavan putken tai paineastian sisäpinnasta voidaan esittää C-kuvia. On olemassa ohjelmistoja, jotka automaattisesti analysoivat lämmönvaihtimien testauksessa saadut tulokset. Tällöin testaajan tehtäväksi jää vain hyväksyä tai hylätä ohjelman ehdottama analysointitulos. Höyrystimen testauksessa ilmenee kuitenkin niin monenlaisia näyttämiä, että vikojen määrittämisessä käytetään yleensä puolimanuaalisia analysointiohjelmia, jossa analysointi jää selkeämmin tarkastajan vastuulle. Puolimanuaalisten ohjelmien avulla voidaan analysoida hyvinkin erilaisia näyttämiä. Sitä mukaa, kun laitokset ovat ikääntyneet ja vaurioiden määrä on lisääntynyt, kiinnostus testausmenetelmien luotettavuuteen on kasvanut. Epäluotettavuudesta voi seurata toisaalta

8 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 126 turhia korjauksia, jotka sinänsä usein heikentävät ko. kohdetta. Toisaalta usein on tapahtunut niin, että testauksessa putket on todettu ehyiksi ja kuitenkin samoissa putkissa on havaittu vuotoja heti kohta käynnistyksen jälkeen. Lisäksi epäluotettavan testauksen takia voidaan saada aivan väärä kuva komponentin kunnosta ja todennäköisestä eliniästä. Nämä seikat ovat olleet taustalla, kun sekä Euroopassa että Yhdysvalloissa on tehty laajoja vertailevia round robin -tutkimuksia höyrystimien pyörrevirtatestauksen herkkyydestä ja luotettavuudesta. Suurin tutkimushanke tällä alalla on PISCin nimellä kulkeva jo päättynyt monivuotinen monikansallinen projekti. Tässä tutkimuksessa on kuvattu ydinvoimalaitosten kunnonvalvonnassa käytettäviä pyörrevirtatekniikoita, niiden luotettavuutta ja luotettavuuden kehittämistä. Luotettavuutta on parannettu kehittämällä uusia antureita ja testauslaitteistoja. Koekappaleita on kehitetty niin, että ne kuvaavat paremmin tutkittavien kohteiden rakenteellisia rajoituksia. Kansainvälisten vertailujen avulla on pyritty selvittämään tekniikan tasoa ja luomaan uusia suosituksia niiden soveltamisesta. Lisäksi on kehitetty menettelyjä, joilla laitoksen omistajat ja viranomaiset pystyvät paremmin varmistumaan testauspalvelun luotettavuudesta.

9 STUK-YTO-TR126 SÄTEILYTURVAKESKUS 2 HÖYRYSTIMET JA NIIDEN VAURIOT PWR-tyyppisten ydinvoimaloiden höyrystimet ovat lämmönvaihtimia, joiden avulla siirretään lämpöenergia suljetusta primaaripiiristä sekundääripiiriin. Länsimaisissa laitoksissa höyrystimet ovat yleensä pystyssä. VVER-tyyppisissä laitoksissa höyrystimet ovat vaakatasossa. Suuresta lämpötehosta johtuen yhden laitoksen höyrystimien lämpöpintaputkien lukumäärä on suuri. Länsimaisissa höyrystimissä putkimateriaaleina on käytetty useimmiten inconellseoksia Alkuaikoina käytettiin yleisimmin inconell 600:aa (mill annealed). Saksassa käytetty materiaali oli runsaasti rautaa sisältävä seos 800M. Nykyään valmistetuissa höyrystimissä käytetään lämpökäsiteltyä inconell 69O:tä (Westinghouse, Framatome, Siemens/Framatome, Babcocks & Wilcox ja Mitsubishi). Siemens/KWU ja Babcocks & Wilcox Canada käyttävät vaihtohöyrystimissä myös seosta 800M (MacDonald et ai. 1996). VVERtyyppisten laitosten putkimateriaali on titaanistabiloitua ruostumatonta terästä, joka vastaa AISI321:tä. Vuosien kuluessa höyrystimien lämpöpintaputkista on löydetty monenlaisia vaurioita. Vuoteen 1976 asti ulkopuolinen syöpymä (wastage) oli pääasiallinen vuotoja aiheuttava vauriotyyppi. Vuosina pääasiallisimmat ongelmat aiheutuivat tukilevyjen alle kertyneestä magnetiitista. Magnetiitti aiheutti niin kovan paineen, että putket lommoutuivat, ja oli pelättävissä, että putkeen muodostuu säröjä. Sekundääripuolen vesikemiaa muuttamalla on em. vaurioiden syntymistä voitu ehkäistä (Krzywosz 1986). Sittemmin on ilmennyt monenlaisia muita korroosion aiheuttamia vaurioita. Ne ovat yleensä syntyneet erilaisiin epäjatkuvuuskohtiin, joissa on suurimmat jäännösjännitykset Tällaisia epäjatkuvuuskohtia ovat mm. taivutukset, tukilevyjen ja tukitankojen sekä mankeloinnin päättymiskohdat. Länsimaisissa pystymallisissa höyrystimissä lisäongelmia on aiheuttanut höyrystimen pohjaan päätylevyn päälle kertyvä sakka. Sakan sisään jääviin putken osiin on havaittu syntyvän mm. raerajakorroosion ja jännityskorroosion aiheuttamia vaurioita (kuva 1). Höyrystimien lämpöpintaputkiin näyttää kiihtyvällä vauhdilla syntyvän erilaisia niiden eheyttä uhkaavia vaurioita. Vuonna 1991 raportoitiin 15 laitoksen höyrystimissä putkivuotoja. Kuvasta 2a voidaan havaita, että noin puolessa PWRlaitoksista on jouduttu tulppaamaan höyrystimen putkia. Vuosittain on tulpattu noin 0,3 % höyrystimien koko putkimäärästä (Kuva 2b). Tulpattujen ja korjattujen putkien lukumäärä oli lähes vuonna 1993 (kuvat 2c ja d). Höyrystimiä vaihdettiin yhteensä 8 kpl vuosina Vaurioiden raportoiduista aiheuttajista yleisimmät (61 % vuonna 1993) ovat ulkopuolinen jännityskorroosio (SCC) ja raerajakorroosio (IGA). Toisen merkittävän vaurioryhmän muodostavat kuvan 3 mukaisesti sisäpuoliset jännityskorroosiosäröt (Dow et ai. 1995). Vielä 1980-luvulla suurin osa vaurioista syntyi päätylevyn ja putken väliseen rakoon. Sittemmin suurin osa vaurioista on havaittu tukilevyjen kohdalla (50 % vuonna 1991). Putkikäyrissä esiintyvien vikojen osuus on ollut 2-11 % (Stipan et ai. 1995). Ongelmien vakavuutta kuvaa hyvin se, että vuonna 1996 vaihdettiin tai suunniteltiin vaihdettavaksi vuoteen 2005 mennessä höyrystimet yhteensä 72:11a laitoksella (Kocourek 1996). Viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana on tapahtunut suunnilleen joka toinen vuosi höyrystimen lämpöpintaputken murtuminen,

10 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 126 joka on johtanut laitoksen alasajoon. Vuodon suuruus on ollut l/min. Lisäksi suunnilleen kerran vuodessa on havaittu pienemmän vuodon aiheuttaneita alkavia murtumia. On huomattava, että tällaisia murtumia on tapahtunut vaikka kyseisen höyrystimen putket on testattu 100 prosenttisesti (esim. Minahama 2, Japani, 1991). Seuraavassa tarkastellaan kiertovesihöyrystimien vaurioita (veden syöttö ja paluu samasta päädystä). Kuvassa 1 esitetään erilaisten vaurioiden tyypilliset esiintymisalueet. Erilaisten vaurioiden ja niiden esiintymispaikkojen tunteminen on olennaisen tärkeää, jotta osataan valita oikeat tekniikat ja kohdistaa testaukset oikein. Sisäpuolisten jännityskorroosiosäröjen (PWSCC) muodostuminen edellyttää suurta jäännösjännitystä, korrodoivaa ympäristöä (korkeassa lämpötilassa olevaa vettä) ja sopivaa mikrorakennetta. Tällaisia säröjä on havaittu päätylevyn alueella mankeloinnin päättymiskohdassa, putkien taivutetuilla osuudella (pieni R) ja eri syistä syntyneiden lommojen alueella. Säröt Lommo U-taivutus ^-r?<r- Särö U-taivutus Värähtelyn vaimennustankojen aiheuttama kuluma Ohentuma Kylmähaaran tuki Kerrostuma Putken ja päätylevyn välinen rako Putken ja päätylevyn välinen rako Sisäpuolinen särö Sisäpuolinen särö Ulkopuolinen ICA/SCC Kuva 1. Pystymallisten kiertovesihöyrystimien vauriot ja niiden esiintymispaikat (Krzywosz 1986). 10

11 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKES KUS a) b) Year Percentage of tubes Year ^F 2000 J S 5000 «4000 «3000 ( IDI Number of tubes -JS -. iiiii IMU Year p s d ) Year Kuva 2. a) Höyrystinputkia tulpanneiden laitosten määrä, b) Vuosittain tulpattujen putkien suhteellinen määrä, c) Vuosittain tulpattujen putkien lukumäärä, d) Vuosittain korjattujen tulpattujen putkien lukumäärä (Dow et ai. 1995). voivat olla poikittaisia tai pitkittäisiä. Pitkittäiset säröt vuotavat yleensä ennen murtumisen kannalta kriittisen koon saavuttamista. Kuitenkin putkien murtumista on tapahtunut ennen vuodon havaitsemista. Poikittaisten säröjen kehittymisestä ei ole tietoja, koska putket yleensä tulpataan, mikäli poikittaisia säröjä havaitaan. Ulkopuoliseen jännityskorroosioon (ODSCC) liittyy usein sekä raerajakorroosio (IGA) että raerajoja pitkin etenevä jännityskorroosio (IGSCC). Syntyedellytykset ovat samat kuin sisäpuolisen jännityskorroosion tapauksessa. Korrodoivat ainekset voivat olla peräisin esim. lauhduttimen vuodoista ja rakenteiden korroosiosta. Raerajakorroosiota voi kuitenkin ilmetä, vaikka suurta vetojännitystä ei esiintyisikään. IGSCC-säröt voivat olla yksittäisiä tai verkkomaisia särökenttiä. Säröjen suunta on kohtisuorassa jännityksen suuntaa vastaan. Raerajakorroosiossa vastaavaa suuntaisuutta ei useinkaan ole havaittavissa. Raerajakorroosion vaurioittamiin alueisiin syntyy usein myöhemmin IGSCCsäröjä. Useimmiten IGSCC-säröt ovat pitkittäisiä. Kuitenkin mankeloinnin loppumisalueella on havaittu merkittäviä poikittaisia ulkopuolisia IGSCC-säröjä. Myös lommojen läheisyydestä on havaittu poikittaisia ODSCC-säröjä. Matalia pitkittäisiä ja poikittaisia säröjä, jotka muodostavat solumaisen rakenteen, on toisinaan havaittu raerajakorroosion vaurioittamilla alueilla (MacDonald et ai. 1996). SCC/I6A (0D) ifrettin Year Kuva 3. Tulppauksen syynä olleiden erilaisten vaurioiden suhteelliset osuudet vuosina (Dow et ai. 1995). Pistekorroosio (pitting) aiheuttaa halkaisijaltaan pieniä syöpymiä, jotka esiintyvät ryhminä. Pistekorroosiota on havaittu putkien ulkopinnalla päätylevyn ja ensimmäisen tukilevyn välisellä alueella enimmäkseen kylmässä haarassa. Syöpyminen aiheutuu paikallisesti syövyttävistä olosuhteista. Ensimmäiset pistekorroosion aiheuttamat vauriot raportoitiin Vuoteen 1993 mennessä 15 laitoksella on 11

12 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 126 tulpattu höyrystimen putkia pistekorroosion takia (MacDonald et ai. 1996). Putkien värinän aiheuttama kuluminen (fretting) aiheutuu sekundääripuolen veden virtauksista. Eniten vaurioita on esiintynyt U-putkien käyrällä osuudella olevien värähtelynestotankojen (AVB) kohdilla Tällaisia vaurioita on esiintynyt sekawestinghousen, Siemens/KWU:n että Mitsubishin valmistamissa höyrystimissä. Värinän aiheuttamia vaurioita on raportoitu suunnilleen joka toisesta PWR-laitoksesta. Myös irrallisten höyrystimeen joutuneiden osien aiheuttaman kulutuksen (wearing) takia on putkia tulpattu 78 laitoksella (MacDonald et ai. 1996). Virtauksen aiheuttama suurtaajuinen värinä on aiheuttanut myös väsytyssäröjen syntymistä. Vaurioita on havaittu kahdella PWR-laitoksella ja useassa Candu-reaktorissa (MacDonald et ai. 1996). Vaurio alkaa ulkopinnalta ja on johtanut vuotoon mm. Japanissa ja Yhdysvalloissa. Lommoa ei sinänsä pidetä vikana. Lommo aiheuttaa kuitenkin ympäristöönsä ylimääräisiä jännityksiä, joiden seurauksena voi olla esim. väsytyssärö (Goto et ai. 1995) tai sisä- tai ulkopuolinen jännityskorroosiosärö (MacDonald et ai. 1996). 12

13 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKESKUS 3 HÖYRYSTIMEN TESTAUS Höyrystimen eheyden varmistamiseksi testaustekniikkaa on jouduttu jatkuvasti kehittämään. Testausteknologian puolella on olemassa voimakas paine testauksen eriyttämiseen kahteen linjaan, vikojen etsintään ja vikojen analysointiin. Etsintä ja analysointi suoritettaisiin eri antureilla, joten testaus jouduttaisiin suorittamaan kahteen kertaan. Tällaisen välttämiseksi on pyritty kehittämään pyörrevirta-antureita, joilla voitaisiin samalla kertaa suorittaa nopeasti koko putken testaus ja joilla pystyttäisiin havaitsemaan ja analysoimaan kaikki viat. Ongelmaksi tulee kuitenkin anturin monimutkainen rakenne. Tällaisten antureiden rikkoutumistodennäköisyys on moninkertainen tavanomaisiin antureihin verrattuna. Höyrystimien lämpöpintaputkien pyörrevirtatestauksessa perustestaukseen käytetään tavallisesti ympäröivää differentiaalianturia (bobbin coil) ja monitaajuustekniikkaa. Useamman taajuuden käytöllä pyritään vaimentamaan rakenteesta (päätylevy, putkenhalkaisijan muutos, lommot) saatavia häiritseviä näyttämiä. Yhdistelmää nimitetään jatkossa perustekniikaksi. Tavanomaisella differentiaalianturilla tarkoitetaan kuvan 4 mukaista kahdesta kelasta muodostettua rakennetta. Differentiaalianturi soveltuu parhaiten pistemäisten vikojen etsintään ja analysointiin. Anturi "näkee" samalla kertaa putken koko poikkileikkauksen. Tämän ansiosta menetelmä on nopea. Anturit ovat yksinkertaisia ja suhteellisen halpoja. Kaikkia vikoja ei kuitenkaan löydetä eikä pystytä määrittämään perustekniikkaa käyttämällä. Esimerkiksi poikittaisia säröjä ei havaita. Lisäksi rakenteen epäjatkuvuuskohdissa, kuten päätylevyn alueella, herkkyys on selvästi alentunut. Anturin kierroslukua ja kelojen leveyttä valittaessa on syytä huomioida muutamia seikkoja. Tärkeimmät testaustaajuudet kannattaa valita anturin resonanssitaajuuden alapuolelta. Resonanssitaajuus määräytyy anturin kelojen induktanssista ja kaapelin kapasitanssista. Tavallisella 50 Q:n koaksiaalikaapelilla kapasitanssi on noin 100 pf/m. Anturin reaktanssi kasvaa kierrosluvun neliössä. Kaapelin pidentäminen Puolijäykkä suojaputki Kokoonpainuvat keski ttäjät / \ Kaksi koaksiaalikaapelia Taipuisa johto Differentiaalikelat Kärkiosa Kuva 4. Tavallinen putken sisäpuoliseen testaukseen soveltuva taipuisa differentiaalinen pyörrevirtaanturi (bobbin coil). 13

14 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 126 alentaa siis resonanssitaajuutta ja suurinta mahdollista anturin kelojen kierrosmäärää. Tyypillinen kierrosmäärä on Poikkeustapauksissa kierrosmäärä voi kuitenkin olla satoja. Kelojen leveys ja välimatka vaikuttavat anturin herkkyyteen. Mitä kapeammat kelat ja kelojen väli ovat (esim. 1 mm), sitä herkempi anturi on pienille pistemäisille vioille ja sitä epäherkempi hitaasti muuttuville häiritseville tekijöille (esimerkiksi putken seinämän paksuuden tai muodon jaksottaiselle vaihtelulle (pilgrim effekt)). Toisaalta tällainen anturi on epäherkkä myös esimerkiksi hitaasti syvenevälle särölle. Lisäksi etäisyyden vaikutus herkkyyteen on helposti kaksinkertainen tavanomaiseen anturiin verrattuna. Tällöin herkkyys voi vaihdella putken ylä- ja alapuolella olevien vikojen suhteen jopa 3 db. Tällaista kelaa käytettäessä täyttökertoimen tai keskityksen on oltava tavallista parempi. Testauksen herkkyyttä voidaan parantaa käyttämällä pyöriviä antureita (MRP-anturi, motorized rotating probe). Anturia pyöritetään pienellä testattavan putken sisään mahtuvalla sähkömoottorilla. Pyörivässä anturissa voi olla yksi tai useampia pinta-antureita. Kuvan 5 mukaista anturia käytetään yleisesti höyrystimien testauksessa. Anturissa on kolme erillistä jousikuormitettua absoluuttikelaa ((() 2mm). Yksi on herkkä pitkittäisille säröille (poikittainen tangentiaalikela), toinen poikittaisille säröille (pitkittäinen tangentiaalikela) ja kolmas sekä pitkittäisille että poikittaisille säröille (normaalikela). Kaikki kolme kelaa ovat suunnilleen yhtä herkkiä ASMEn mukaisen kalibrointikappaleen volumetrisille vioille (reiälle ja upotuksille). Amplitudisuhteista voidaan päätellä, aiheutuuko näyttämä pitkittäisestä tai poikittaisesta säröstä vai volumetrisesta viasta. Tällaisella anturilla voidaan löytää matalatkin sisäpuoliset säröt ja yli 50 % syvät ulkopuoliset säröt. Kasvattamalla kelan halkaisija 2,9 mnriin voidaan herkkyyttä ulkopuolisten vikojen suhteen parantaa niin, että jopa 40 % syvät säröt voidaan havaita. Samalla erottelukyky pituuden ja paikan suhteen luonnollisesti heikkenee. Herkkyys on kuitenkin alhaisempi, RECCMMENOEO PRC8E CMA (NOMINAL TUBE I.O. -.( NCMNAL TU =3 COL»2 COL»1 COL PRMART PANCAKE TEST COB. COL o 3 COL 2 CO». Kuva 5. Lämmönvaihdinputkien sisäpuoliseen testaukseen soveltuva erillisellä moottorilla pyöritettävä anturi, jonka päissä on laakeroidut keskittäjät ja keskellä kolme jousikuormitteista pinta-anturia. 14

15 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKESKUS mikäli särö sijaitsee juuri halkaisijan muutoskohdassa. Muutoskohdan pitäisi olla mahdollisimman jouheva, jotta jousikuormitettu pintaanturi ei "putoaisi" pienemmästä halkaisijasta suurempaan halkaisijaan. Kuvan 5 anturiin kuuluu jäykkä, noin 100 mm pitkä pyöritysmoottori, joka myös tulee tutkittavaan putkeen. Tämän takia tällä anturilla ei päästä jyrkkien mutkien läpi. VVER-laitosten tapauksessa sillä voisi testata putkien päät ensimmäiseen käyrään asti (kollektorin alueen). Hitsien testauksesta tuttua ristikela-anturia on käytetty hyväksi uudessa anturiratkaisussa (+point eddy current probe), kuva 6. Siinä on kolme erillistä jousikuormitettua kelayksikköä: fokusoitu ja tavanomainen pannukakkukela sekä kaksi differentiaalisesti kytkettyä kelaa, jotka ovat kuvan 6 mukaisesti ristissä. Anturi on herkkä niin pitkittäisille kuin poikittaisille säröille. Särön suunta nähdään näyttämän suunnasta (ylös vai alas). Anturi on epäherkkä muutoksille, jotka vaikuttavat molempiin keloihin samanaikaisesti. Tämän takia se sopii mm. päätylevyn alueen testaukseen. Tällaisella anturilla löydettiin Maine Yankeen laitoksella 26 % syvä sisäpuolinen jännityskorroosiosärö. Anturi on alun perin kehitetty höyrystinputkien korjauksessa käytetyn sisäpuolisen hoikin ja sen liitosten eheyden testaukseen. Tämän anturin käyttöön perustuva tekniikka on pätevöity Yhdysvalloissa poikittaisten sisäpuolisten säröjen etsintään ja koon määrittämiseen (Siegel 1996, Stellfox 1996). Kiinteällä, ns. pannukakkukeloista muodostetulla monikela-anturilla (esim mittauskelaa), voidaan havaita niin poikittaiset kuin pitkittäiset säröt. Tällaisella anturilla ei kuitenkaan saavuteta yhtä hyvää signaalikohinasuhdetta kuin pyörivällä anturilla (MacDonald 1996). Lisäksi ongelmia syntyy anturin tarvitseman suuren kanavamäärän takia Anturin rikkoutumistodennäköisyys on aika suuri tavalliseen differentiaalianturiin verrattuna. Etuna on kuitenkin suuri testausnopeus. Nominal tube ID Recommended probe diameter (nominal tube ID ) No. 3 coil No. 2 coil No. 1 coil 0 T Rotational direction Primary pancake test coil \ + Point coil High-frequency shielded coil Pancake test coil No. 3 coil ^"^No. 2 coil Kuva 6. Putken sisäpuoliseen testaukseen tarkoitettu pyörivä anturi, jossa on kaksi absoluuttianturia ja yksi ristikela-anturi (+ point probe). 15

16 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 126 Ryhmittämällä monikelan anturit sopivasti ja käyttämällä erillisiä kiinteitä heräte- ja mittauskeloja voidaan rakentaa anturi (C3 probe), joka on herkkä poikittaisille säröille ja volumetrisille vioille (kuva 7). Tällainen TR-anturi (transmit receive) ei häiriinny johtavista (kupari) eikä magneettisista kerrostumista (magnetiitti), kuten absoluuttiset impedanssianturit. Anturi toimii aikajakoperiaatteella (multipleksaus) siten, että yksi lähetin on vuorollaan aktiivinen. Anturilla voidaan löytää 40 % syvät ulkopuoliset säröt. Obrutskyn mukaan määritystarkkuus ai ±15 % seinämänpaksuudesta, kun särön syvyys on yli 50 % seinämänpaksuudesta (Obrutsky et ai. 1996). Tämä väite on ristiriidassa sen kanssa, että ko. anturia ei ole hyväksytty poikittaisten säröjen koon määritykseen (Watts 1996). Hyväksyntä edellyttäisi alle 25 %:n RMS-virhettä (Root Mean Square). TRanturia voidaan käyttää myös sisäpuolisten säröjen etsintään ja määrittämiseen. Obrutsky mainitsee, että U-käyristä löydettiin laboratoriossa jopa 20 % syvät sisäpuoliset jännityskorroosiosäröt. Käytännön testauksessa herkkyyden mainitaan olleen yhtä hyvä tai parempi kuin pyörivällä anturilla TR-anturi on hyväksytty sisä- ja ulkopuolisten poikittaisten jännityskorroosiosäröjen etsintään. Lisääntyneestä mutkikkuudesta huolimatta TRanturilla on saavutettu erinomainen tulos, sillä kyseinen anturi ei sisällä liikkuvia osia ja on siten kestävämpi kuin pyörivä anturi, jossa kelat laahaavat tutkittavan putken pintaa jousivoiman kuormittamina. Lisäksi testausnopeus on hyvä, ei kuitenkaan välttämättä sama kuin perustekniikalla. Nopeutta hidastaa lähetinkelojen vuorottelu (multipleksaus). Myös analysointiin kuluva aika lienee suurempi kuin perustekniikassa suuresta kanavamäärästä johtuen. Tukilevyistä ja päätylevystä saatava näyttämä voidaan eliminoida monitaajuustekniikalla. Lommon antama näyttämä asetetaan vaakatasoon. Ulkopuolisista säröistä saatavat näyttämät muodostuvat pystyyn, kun taajuus on valittu sopivasti. Tällaisella TR-anturilla (transmiter receiver) mainitaan saadun jopa kymmenen kertaa parempi signaalikohinasuhde kuin pyörivällä anturilla, jossa kelat olivat ns. impedanssikeloja (Obrutsky et ai. 1996). Kaikki edellä kuvatut anturit kuuluvat tähän ryhmään. Niissä sama kela toimii herätekelana ja mittauskelana. Vertailukohteena ei kuitenkaan ollut edellä kuvattu pyörivä ristikela-anturi, joka ei myöskään ole herkkä kerrostumille eikä etäisyyden vaihteluille, vaikka kuuluu impedanssikelojen ryhmään. Area of Sensitivity Eight TR Units LZH i> R3 Detection Windows Kuva 7. Kahdeksankanavainen ryhmäanturi C3,joka on tarkoitettu poikittaisten säröjen etsintään (Obrutsky et ai. 1995). 16

17 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKESKUS Edellä kuvatusta C3-anturista on kehitetty C5- anturi. Siinä on enemmän lähetinvastaanotinpareja kuin anturissa C3. Parit on ryhmitelty niin, että havaitaan sekä pitkittäiset että poikittaiset säröt. Kelaparien lukumäärä voi olla On huomattava, että anturikaapelissa tarvitaan vastaava määrä erillisiä johtimia ja vastaanottimessa vastaava määrä kanavia. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää vuorottelua (multiplexing). Kuvassa 8 esitetään C5-anturi ja sillä saatavia näyttämiä (Obrutsky et ai.). Obrutskyn 360 Coverage mukaen Yhdysvaltain teollisuus alkaa yhä enemmän käyttää C5-anturia höyrystimien testauksiin, vaikka sen herkkyys on pienempi kuin C3-anturin. Pääasiallinen syy tähän on se, että C5-anturilla putki saadaan testattua yhdellä kertaa. Anturi ei kuitenkaan sovellu lommoisten putkien testaukseen, ellei lommo ole putken akselin suhteen symmetrinen. McDonaldin mukaan anturi on pätevöitetty poikittaisten ja pitkittäisten vikojen etsintään putkista, jotka täyttävät em. lommoja koskevan ehdon. Windows of Sensitivity n Bobbin Probe C5 Probe Circumferential Crack Axial Crack Spherical Defect (b) CucumfertntUl Cnck A*i*I Creek * * - -4.a a 4 i Circumferential Position (X, mm) a t a 4 * «Circumferential Position (X, mm) Kuva 8. Kaksitoistakanavainen ryhmäanturi C5,joka on tarkoitettu poikittaisten ja pitkittäisten säröjen etsintään (Obrutsky et ai. 1995). 17

18 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 126 Kuvassa 9 on anturi, joka koostuu kahdesta kelaparista. Kelat ovat ristikkäin. Anturilla voidaan havaita pitkittäisiä ja poikittaisia säröjä sekä volumetrisia vikoja. Kelat sijaitsevat symmetrisesti testattavaan putkeen nähden poikittaisten rakenteiden suhteen (tukilevy, päätylevy ja halkaisijan muutoskohta). Tämän takia niistä saatavat näyttämät ovat vähäisiä differentiaalikelaan verrattuna. Anturi on kehitetty korjattujen putkien testausta varten. Höyrystinputkien korjaus suoritetaan asentamalla putken sisälle vaurioituneeseen kohtaan metalliholkki, joka sitten mankeloidaan tiiviisti kiinni "emoputkeen" (sleeving). Vuoden 1995 jälkeen kiinnitykseen on käytetty laserhitsausta. Korjattuihin putkiin on syntynyt pitkittäisiä ja poikittaisia säröjä. Anturilla saavutettu herkkyys ei kuitenkaan ollut riittävä. Pyörivällä ristikela-anturilla (+point probe) saatiin parempia tuloksia. Viime aikoina useilla laitoksilla em. kohteiden testaukseen on käytetty ryhmäantureita C3 ja C5 (MacDonald et ai. 1996). Cross Wound Differential Bobbin Cotls Kuva 9. Sisäpuoliseen testaukseen soveltuva differentiaalianturi, jossa on kaksi paria ristikkäisiä keloja (MacDonald et ai 1996). 18

19 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKESKUS 4 TESTAUSTEKNIIKOIDEN VALINTA Seuraavassa käydään läpi höyrystimissä esiintyvien vauriotyyppien etsintään ja määrittämiseen soveltuvia tekniikoita sekä niillä saavutettava herkkyys. 4.1 Sisäpuoliset jännityskorroosiosäröt Sisäpuoliset jännityskorroosiosäröt (PWSCC) syntyvät yleensä epäjatkuvuuskohtiin. Perustekniikalla voidaan havaita sisäpuoliset pitkittäiset säröt esimerkiksi päätylevyn alueella halkaisijan muutoskohdassa vain, jos samassa poikkileikkauksessa on useita lähes seinämän läpi ulottuvia säröjä. U-käyrien alueella havaitsemisen edellytyksenä on, että säröt ovat pitkiä tai että niitä on useampia (MacDonald et ai. 1996, EPRI NP-6201 Rev. 3, s. C96). Poikittaisia säröjä ei havaita lainkaan. Perustekniikan alhaisen herkkyyden takia sisäpuolisten jännityskorroosiosäröjen etsinnässä ja määrityksessä on turvauduttava erikoistekniikoihin. Testaukseen soveltuu parhaiten pyörivä ristikela-anturi (+point coil, kuva 6). Sillä havaitaan sekä poikittaiset että pitkittäiset säröt. Pyörivä ristikela-anturi on hyväksytty myös poikittaisten säröjen syvyyden määrittämiseen (pätevöitetty Yhdysvalloissa elokuussa 1996). Sillä on havaittu jopa 26 % syvä poikittainen särö (Maine Yankee) Testaukseen voidaan käyttää myös tavallista pyörivää kolmikelaista anturia (kuva 5). Sillä havaitaan myös pitkittäisiä ja poikittaisia säröjä. Halkaisijan muutoskohdassa havaitaan poikittaiset säröt, joiden syvyys on yli 50 % seinämänpaksuudesta. Muutoskohdan epäsäännöllisyydet voivat alentaa herkkyyttä (MacDonald 1996). Mikäli testauslaajuus on suuri, hyviä vaihtoehtoja ovat ryhmäanturit C3 tai C5. Anturilla C5 voidaan havaita sekä poikittaiset että pitkittäiset säröt. Mikäli vaurio muodostuu pitkittäisistä ja poikittaisista säröistä, toinen säröistä jää todennäköisesti havaitsematta tai sitten näyttämä luokitellaan volumetriseksi näyttämäksi. Jos vaurio muodostuu särökentästä, sen määrittäminen on hankalaa. Todennäköisesti vaurio luokitellaan volumetriseksi viaksi. Yksittäisen pitkittäisen särön pituuden määrittämisessä päästään tavallisella kolmikelaisella anturilla ±1,5 mm:n epätarkkuuteen (MacDonald). Poikittaisen särön pituuden määrityksen epätarkkuus on suuri. Yleensä pituus aliarvioidaan. 4.2 Ulkopuoliset raerajakorroosiovauriot Raerajakorroosiota esiintyy yleensä päätylevyn alueella putken ja päätylevyn välisessä raossa. Raerajakorroosion (IGA) aiheuttamaa vauriota ei juurikaan havaita perusmenetelmällä. Absoluuttianturilla voidaan joitakin vaurioita havaita, mutta niiden määrittäminen on hankalaa. Vastaavasti pannukakkuantureista muodostuvalla anturiryhmällä voidaan havaita pienialaisia syviä vaurioita ja määrittää niiden laajuus myös kehän suunnassa. Muilla aiemmin esitetyillä tekniikoilla ei uskota saatavan sen parempia tuloksia. Mainittakoon vielä, että PISC III -projektissa ultraäänimenetelmään perustuvilla tekniikoilla ei havaittu ainoatakaan IGA-tyyppistä vikaa (PISC III, Report 41). Kaiken kaikkiaan nämä vauriot näyttävät olevan kaikkein vaikeimmin havaittavissa. Liekö luettava onneksi, että niiden yhteyteen usein muodostuu ulkopuolisia jännityskorroosiosäröjä (IGSCC), jotka voidaan paremmin havaita. 19

20 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR Ulkopuoliset jännityskorroosiosäröt Ulkopuolisia jännityskorroosion aiheuttamia säröjä (ODSCC) on havaittu höyrystimen putkien ja tukirakenteiden välisissä raoissa ja kerrostumien alla. Yleensä säröt ovat pitkittäisiä ja lyhyitä. Pitkittäiset säröt voivat olla jonkin verran haaroittuneita. Säröt voivat muodostaa särökenttiä. Vaurion syvyyden kasvaessa särökenttään usein kasvaa syviä pitkittäisiä säröjä. Pitkittäisiä säröjä, joiden syvyys on yli 40 %, voidaan löytää perustekniikalla. Herkkyys määräytyy kuitenkin vian sijainnista. Määrittämiseen käytetään yleensä pyörivää anturia (kelan halkaisija <() 2,9 mm). Määrittäminen on osoittautunut epävarmaksi (Trojanplant/USA, MacDonald et ai. 1996). Toisaalta on kokeellisesti voitu osoittaa, että eräissä tapauksissa pitkittäisten jännityskorroosiosäröjen hyväksymiskriteerit ovat olleet liian tiukkoja. Tällä perusteella NRC:ssä on päädytty siihen, että putket, joissa on tietyt ehdot täyttäviä jopa seinämän läpi ulottuvia säröjä, voidaan jättää käyttöön. NRC:n ohjeessa tulppauskriteeriksi on valittu perustekniikalla saadun näyttämän korkeus (NRC Generic Letter 95-05). Poikittaisia ulkopuolisia säröjä ei voida löytää perustekniikalla. Ainoa mahdollisuus on käyttää anturiryhmiä tai pyöriviä antureita. Vuonna 1991 tehdyissä määräaikaistarkastuksissa pyörivällä pannukakkuanturilla ei löydetty tukilevyn alla putkessa olevia poikittaisia säröjä. Putki oli lommoutunut (North Anna). Kun testauksessa saatu data analysoitiin uudelleen, voitiin todeta, että lommoista huolimatta poikittaiset säröt voidaan havaita, jos niiden syvyys on vähintään 50 % ja pituus 10 mm tai syvyys 100 % ja pituus 5 mm (MacDonald 1996). Sittemmin pyörivien antureiden herkkyyttä on saatu hieman parannettua kasvattamalla kelojen halkaisijaa. Poikittaisten säröjen etsintään ja määrittämiseen voidaan käyttää myös anturiryhmiä C3 ja C5. Anturilla C3 löydetään säröt, joiden syvyys on yli 40 %. Syvyyden määrityksessä päästään epätarkkuuteen ±15 %. Vertailun vuoksi voidaan mainita, että PISC III:n pyörrevirtatutkimuksessa pyörrevirtamenetelmällä saadut ulkopuolisten säröjen syvyydet eivät vastanneet todellisia syvyyksiä (PISC III, Report 41). Yhdysvalloissa pyörivä anturi on pätevöity käytettäväksi poikittaisten vikojen pituuden määrittämiseen. Määrittäminen on kuitenkin ollut epäluotettavaa. Sama ilmeni selvästi myös PISC III:n tuloksista. Sittemmin pituuden määrityksessä on tapahtunut kehitystä niin, että EPRI:n järjestämässä useamman urakoitsijan käsittäneessä tutkimuksessa poikittaisten säröjen pituuden määrityksen epätarkkuus oli ±37...±45 (±8...±9 mm) (MacDonald 1996). Ultraäänimenetelmällä on saatu hyviä tuloksia poikittaisten ja pitkittäisten vikojen etsinnässä ja määrittämisessä. Menetelmä on kuitenkin hidas eikä sovellu putkikäyrien testaukseen. Tämä ilmeni selvästi PISC III:n tuloksista: muuten erinomaisen tuloksen saavuttaneet ultraäänitekniikoita käyttäneet ryhmät eivät raportoineet tuloksia taivutettujen putkien ultraäänitestauksesta. 4.4 Pistekorroosio ja yleiskorroosio Pistekorroosion (pitting) havaitsemiseen on käytetty monitaajuustekniikkaa. Ongelmana on kuparin kerrostuminen syöpymiin. Näyttämä aiheutuu usein enemmän tästä kuparista kuin syöpymästä itsestään. Tämän takia syöpymien syvyyden määrittäminen on epävarmaa. Ultraäänitekniikalla on saatu hyviä tuloksia. Ultraäänimenetelmä soveltuu tähän tarkoitukseen myös sen takia, että vauriot esiintyvät yleensä rajoitetulla alueella, jolloin testauslaajuus ei tule kovin suureksi. Yleiskorroosion havaitsemiseen ja vaurioiden syvyyden määrittämiseen soveltuu hyvin tavanomainen perustekniikka. Perustekniikalla havaitaan vauriot, joiden syvyys on yli 20 %. 20

21 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKESKUS 4.5 Lommot Lommot eivät sinänsä heikennä putkea. Niihin saattaa liittyä jännityskeskittymiä, jotka tekevät lommoutuneen kohdan herkäksi jännityskorroosiosäröjen muodostumiselle. Lommoutumista ilmenee yleensä samanaikaisesti suurella alueella. Lommosta saadaan perustekniikalla voimakas näyttämä, jota yritetään erilaisin menetelmin vaimentaa, jotta mahdollisista säröistä yms. vioista saatavat näyttämät voitaisiin havaita. Joskus kuitenkin halutaan mitata lommojen profiilia, jotta voidaan arvioida lommojen aiheuttamia jännityksiä. Profiilinmittaukseen voidaan käyttää esimerkiksi anturiryhmiä, jotka koostuvat pannukakkuantureista. Profiilinmittauksessa voidaan saavuttaa ±0,02 mm:n epätarkkuus. 4.6 Kulumat Kulumia voi aiheutua putkien värinästä, jolloin kuluma syntyy tukilevyjen ym. tukirakenteiden alle. Viat ovat tilavuudeltaan isoja. Perustekniikka soveltuu sekä syvyyden määritykseen että etsintään. Yleensä ei tiedetä, onko vaurio yksi- vai kaksipuolinen. Lisäksi kuluma voi olla vino (toisesta päästään syvempi). Sen takia on viisasta käyttää apuna joko pyörivää anturia tai ryhmäanturia vian laajuuden arvioimiseksi. Kulumia voivat aiheuttaa myös höyrystimeen joutuneet irralliset esineet. Tällaisten kulumien etsimiseen ja koon määrittämiseen sopivat samat tekniikat kuin edellä. 4.7 Väsytyssäröt Väsytyssäröjen etsintään ja syvyyden määrittämiseen soveltuvat samat tekniikat kuin muidenkin poikittaisten ulkopuolisten säröjen etsintään (pyörivä anturi ja erityisesti pyörivä ristikelaanturi sekä anturiryhmät C3 ja C5). Väsytyssärö voi olla tiukka. Teoreettisten laskelmien mukaan se ei kuitenkaan olennaisesti alenna säröstä saatavan näyttämän korkeutta (Miyake et ai. 1992). Parhaimmillaan voidaan havaita % syvät väsytyssäröt. Mikäli särö on lommon kohdalla, herkkyys on selvästi alempi. 21

22 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR TESTAUSKÄYTÄNTÖ Testauskäytäntö on erilainen eri valtioissa. Suurin yksittäinen vaihtelua aiheuttava tekijä lienee höyrystimissä todettujen vaurioiden määrä. On selvää, että jos höyrystimestä löydetään satoja merkittäviä vaurioita, tarvitaan laaja testaus. Jos taas vaurioita ei ole, kovin laaja testaus on turhaa. Yhdysvalloissa ydinvoimalaitosten höyrystimien vauriot ovat aiheuttaneet runsaasti ongelmia ja suunnittelemattomia tuotannon katkoksia. EPRI on julkaissut seikkaperäiset suositukset höyrystimien pyörrevirtatarkastuksista (EPRI NP-6201, rev 3). Kullekin höyrystintyypille ja - mallille on omat suosituksensa testausten kattavuudesta ja käytettävistä tekniikoista. Yleisperiaatteena on se, että kaikki putket testataan viiden vuoden kuluessa vähintään kerran. Vauriolle alttiit putket tai niiden osat suositellaan testattaviksi vuosittain, jos niissä on esiintynyt vaurioita (taulukot I ja II). Lisäksi EPRIn toimesta pätevöitetään höyrystimien Taulukko I. Westinghousen höyrystimille suositeltuja testauslaajuuksia, jos höyrystimessä on havaittu vaurioiden kasvua (EPRI NP-6201). RECOMMENDED AUGMENTED SAMPLE FOR WESTINGHOUSE STEAM GENERATORS (Applicable only to those units with an active damage mechanism) Sample Size and Tube Location IGA/SCC Steam Generator Model (Types) 24, 27, D,E F 100 % of the hot leg side tube sheet crevice region X X X 100 % of the hot leg side supports down to the lowest support elevation on the cold leg side for which indications diagnosed as IGA/ODSCC have been reported X X X X PWSCC 100 % of the U-bend region of Rows 1 & 2 X(1) X(1) 100 % 100% of the tube sheet expanded area X X X 100 % 100% of the hot and cold leg support plates X PITTING 100 % of the central reqion of the tube bundle on applicable sides of the steam generator X X X WEAR 20 % of the tubes in the region where AVB wear has occurred X(2) X(2) X(2) X(2) X(2) 20 % of the tubes on the outer periphery two rows deep X(2) COLD LEG THINNING 20 % of the tubes on the outer periphery five raws deep X(2) (1) Should be examined using rotating pancake coil or other appropriate technology with equivalent capability. (2) Randomly selected on a rotating basis. 22

23 STUK-YTO-TR 126 SÄTEILYTURVAKESKUS Taulukko H. Kullekin vauriotyypille suositeltavat testaustekniikat (EPRI NP-6201). RECOMMENDED TEST COILS Mechanism/Location Bobbin (6) (8x1) RPC Differential Absolute Thinning X X IGA/SCC X X X(4) Pitting X Wear - AVB's - Preheater Baffle Plates - Lane Region X(5) X I X(5) PWSCC - U-bend X(4) - Roll Expansion - Roll Transitions - Dents X X X X(2) X(2) X(2) CO CO CO X X X X(4) X(4) X(4) Corrosion Fatigue - Lane Region X Impingement X (1) Use of (8x1) and appropriate standards can provide improved sizing. (2) Use of absolute coil mode will in general provide improved detection as compared with differential coil mode. (3) Recommended when circumferential cracking is expected. Calibration normally established using groove standard. (4) Will provide best detection capability. Normally calibrated with EDM notch standards. (5) Wear scar standards normally used for sizing. (6) ASME standard should be used for all bobbin coil examination. Other standards may be used for supplemental information. tarkastuksissa käytettäviä pyörrevirtatekniikoita Tarkoituksena on selvittää tekniikoiden luotettavuus vikojen etsinnässä ja koonmäärityksessä. Kokeen järjestäminen ei kuitenkaan ole aivan yksinkertaista. Järjestäjän on osattava ennakoida, millaisia vikoja rakenteeseen voi tulla ja missä ne todennäköisesti tulevat sijaitsemaan. Lisäksi on pystyttävä arvioimaan vikojen kasvunopeus ja merkitys eheyden kannalta, jotta voidaan asettaa järkevät vaatimukset testaustekniikoiden herkkyyden ja määritystarkkuuden suhteen. Lisäksi tarvitaan riittävän suuri määrä koekappaleita, joiden viat vastaavat kohteesta etsittäviä vikoja. Testauslaitosten tehtäväksi jää tarvittavien testaustekniikoiden kehittäminen. NDT-pätevöitystä on käytetty USA:ssa jo vuosia. Siellä tekniikat hyväksytään vauriotyypeittäin. Lisäksi määritellään muut tekniikan käytön rajoitukset (esim. päätylevyn alue, lommot). Tekniikka voidaan hyväksyä etsintään tai koonmääritykseen. Ensimmäinen tekniikka ulkopuolisten poikittaisten jännityskorroosiosäröjen koonmääritykseen hyväksyttiin Nykyään pätevöitettyjä tekniikoita on noin 40. On huomattava, että jokin tekniikka voi kelvata etsintämenetelmäksi, mutta ei koonmääritykseen. Lisäksi yksittäinen tekniikka ei yleensä sovellu kaikkien vikatyyppien etsintään eikä varsinkaan koonmääritykseen. 23

24 SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 126 Kuvissa 10 ja 11 on esimerkit tuloksista, joista kuvan 10 tekniikka kelpaa koon määritykseen mutta kuvan 11 ei kelpaa. Kriteerinä on vikojen syvyyden määrityksen virheen neliösumma. Neliösumman pitää olla alle 25 % seinämänpaksuudesta, jotta tekniikka hyväksyttäisiin koonmääritykseen kyseiselle vikatyypille. Merkillepantavaa on myös se, että kahden toisistaan riippumattoman ryhmän on analysoitava höyrystimien testauksessa saadut pyörrevirtatestauksen tulokset. Analysoinnin jälkeen tuloksia verrataan ja mahdollisten erojen tapauksessa on ryhdyttävä etukäteen laadittujen ohjeiden mukaisiin toimiin. Kaksinkertaisen analysoinnin tavoitteena on inhimillisen tekijän vaikutuksen eliminointi. Tavallisesti putken tulppauskriteeri määräytyy vaurion tyypistä ja syvyydestä. Tästä on selvänä poikkeuksena NRC:n (United States Nuclear Regulatory Commission) suosittelema ulkopuolisten pitkittäisten jännityskorroosiosäröjen hyväksymiskriteeri. Se perustuu perustekniikalla saadun näyttämän korkeuteen (NRC Generic Letter 95 05, NUREG ). Suosituksessa on tosin tiukat rajat sille, milloin ko. kriteeriä voidaan käyttää. Seuraavassa on muutamia ehtoja, joita pyörrevirtanäyttämien täytyy täyttää: Mahdollisten lommojen aiheuttamien näyttämien korkeus on alle 5 V. Tukilevyistä summauksen jälkeen jääneet näyttämät ovat alle 1 V. Särö ei ulotu tukilevyn ulkopuolelle. Näyttämä ei ole vääristynyt kuparikerrostumien takia. Lisäksi on lukuisia muita ehtoja, jotka mm. määrittävät tarkoin kohteet, joihin voidaan soveltaa em. kriteeriä. Uuden kriteerin tarkoituksena on vähentää putkien tulppauksia ja korjauksia. Vanhaa vian syvyyteen perustuvaa kriteeriä pidettiin liian konservatiivisena. Höyrystimien vauriot ovat aiheuttaneet suuria ongelmia myös Japanissa (ulkopuolinen raerajakorroosio ja jännityskorroosio). Värähtelyn aiheuttama väsytyssärö on ollut syynä kahden höyrystimen lämpöpintaputken odottamattomaan murtumiseen (Goto et ai. 1995). Ongelmien vakavuutta kuvaa hyvin se, että Japanissa onkin jo päätetty 21 höyrystimen uusimisesta (Kokourek 1996). Japanissa on jo vuosia jouduttu testaamaan vuosittain kaikki höyrystinputket perustekniikalla. Lisäksi putkien päät on testattu erikoistekniikoilla (Miyake et ai. 1988). Höyrystimiä on joillakin laitoksilla paineistettu primääripuolelta (140,7 kg/cm 2 ) ennen testausta raerajakorroosiosäröjen avaamiseksi. Tällä on pyritty parantamaan niiden havaittavuutta pyörrevirtatestauksessa. Testauksen valvonnassa käytetään ulkopuolisia riippumattomia valvojia (Takamasu 1991). Analysointityön tehostamiseksi Japanissa on jo varhain kehitetty laajoja tietokonejärjestelmiä. Japanissa on myös kehitetty ryhmäantureita, joilla putki voidaan testata yhdellä anturilla ja yhdellä kertaa (Miyake et ai. 1988). Tavoitteena on ollut lyhentää testaukseen kuluvaa aikaa. Entisen Neuvostoliiton toimittamissa VVERtyyppisissä laitoksissa höyrystimet ovat vaakatasossa. Tämän takia mahdolliset sekundäärivedestä syntyvät sakkakerrostumat syntyvät vaipan pohjaosan pinnalle. Tämän ansiosta höyrystinputket säilyvät puhtaampina kuin länsimaisissa pystymallisissa höyrystimissä. Höyrystinputkien vauriot ovat olleet harvinaisia Vain 0,2 % putkista on tulpattu. Venäjällä sijaitsevilla VVER-laitoksilla vauriot ovat olleet pääasiassa ulkopuolisia jännityskorroosiosäröjä. Lisäksi on havaittu tukirakenteiden alueelle syntynyttä pistekorroosiota (NovoVoronezh). Vaurioiden aiheuttajana pidetään sekundääripuolen vesikemian puutteita. Höyrystimiä on kuitenkin jouduttu vaihtamaan kylmän haaran kollektoriin syntyneiden seinämän läpi ulottuneiden säröjen takia (Titov 1991). Corakin mukaan kollektorin säröjen etsintään Venäjällä on käytetty pyörivää pyörrevirta-anturia (Corak et ai. 1993). Höyrystimen lämpöpintaputkien kunnonvalvontaan käytetään kuitenkin pääasiassa vuototestausta (MacDonald 1996). Slovakian Bohunicessa on 4 VVER 440 -yksikköä, jotka on otettu käyttöön vuosina Höyrystimien kunnonvalvonnassa pyörrevirtamenetelmä otettiin käyttöön Testauslaitteena on MIZ18 ja anturina tavan- 24