Ydinlaitosten yaroventtiilien määräaikaistestaus Perusteita, käytäntöjä ja vaatimuksia

ri e i*ot> i<* i sru^ - y ro ni STUK-YTO-TR 51 Ydinlaitosten yaroventtiilien määräaikaistestaus Perusteita, käytäntöjä ja vaatimuksia Minna Nissilä, Markku Reunanen, Matti Vuori HUHTIKUU 1993 rat, xinrv/ ölmjba SÄTEILYTURVAKESKUS Strälsakerhetscentralen Finnish Centre for Radiation and Nuclear Safety ::M^y^k&">

STUK-YTO-TR 51 HUHTIKUU 1993 Ydinlaitosten varoventtiilien määräaikaistestaus Perusteita, käytäntöjä ja vaatimuksia Minna Nissilä, Markku Reunanen, Matti Vuori Valtion teknillinen tutkimuskeskus Tutkimuksen johto säteilyturvakeskuksessa Juhani Lammi Tutkimus on tehty säteilyturvakeskuksen tilauksesta. SÄTEILYTURVAKESKUS PL 268 00101 HELSINKT Puh. (90) 70821

ISBN 951-47-7388-8 ISSN 0785-9325 Painatuskeskus Oy Helsinki 1993

STUK-YTO-TR 51 SÄTEILYTURVAKESKUS XISSlLÄ, Minna, REUXANEN, Markku, VUORI, Matti (Valtion teknillinen tutkimuskeskus). Ydinlaitosten varoventtiilienmäaräaikaistestaus. Perusteita, käytäntöjä ja vaatimuksia. STUK-YTO-TR 51. Helsinki 199.. 45 s. ISBN 951-47-7388-8 ISSN 0785-9325 Avainsanat: ydinlaitos, varaventtiilit, määräaikaistestaus TIIVISTELMÄ Raportissa käsitellään ydinlaitosten varaventtiileille määräaikaistarkastusten yhteydessä suoritettavaa toimintatestausta, mitä testaukseen pitää sisältyä ja miten se on tarkoituksenmukaisinta suorittaa. Toimintatestauksilla halutaan varmistua siitä, että varaventtiilit ovat toimintakykyisiä. Testauksella ja havaittujen vikojen korjaamisella voidaan pienentää sen tilanteen todennäköisyyttä, että varajärjestelmässä on purkausta haittaava vika tai puute purkaustarpeen ilmetessä. Raportissa tarkastellaan varaventtiilien toimintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi tarkastellaan kirjallisuudessa esitettyjä ohjeita ydinlaitosten varoventtiilienmäaräaikaistarkastustensuorittarnisesta ja esitellään muutamia varaventtiilien testauksessa käytettyjä koejärjestelyjä ja koelaitteistoja. Kirjallisuudessa esitettyjen tietojen pohjalta on koottu keskeiset varaventtiilien toimintaan vaikuttavat tekijät, joiden vaikutus pitäisi ottaa huomioon testattaessa varoventtiileitä erillisessä koelaitteistossa, jotta varoventtiilin toiminta testaustilanteessa vastaisi sen toimintaa prosessipaikalla. Näitä tekijöitä ovat prosessiaine- ja sen olomuoto, virtauksen ja ympäristön olosuhteet, poistopuolen vastapaine, tuloputkiston geometria sekä varoventtiilin säätorenkaiden asento. Varaventtiilien toimintatestauksiin käytettävän laitteiston pitäisi jäljitellä tilannetta voimalaitoksella niin hyvin kuin mahdollista. Suureet, joita testauksessa tavallisimmin mitataan ovat varoventtiilin asetuspaine, avautumispaine, sulkeutumispaine-ero ja puhalluksen massavirta. Lisaksi laitteistolla pitäisi saada käsitys varoventtiilin toiminnan stabiiliudesta. 3

SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR51 NISSILÄ, Minna, REUNANEN, Markku, VUORI, Matti (Technical Research Centre of Finland) Periodic testing of safety valves of nuclear facilities. Bases, procedures and requirements. STUK-YTO-TR51. Helsinki 1993. 45pp. ISBN 951-47-7388-8 ISSN 0785-9325 Index terms: nuclear power plant, safety relief valve, periodic testing ABSTRACT This report is concerned with periodic performance testing of pressure relief devices, i.e. safety and relief valves, used in nuclear power plants. The purpose of periodic testing is to assure that safety and relief valves remain operable. Periodic performance testing and, when needed, following maintenance or repair aim at lowering of the probability of the event that a pressure relief device would be inoperable when a demand for pressure relief occurs. This report describes factors affecting the operation of safety and relief valves. Requirements and instructions presented in literature for testing of safety and relief valves are reviewed. Moreover, some testing procedures and related equipment based on pertinent literature are presented. Based on the reviewed literature the factors having an important effect on the successful operation of safety and relief valves are presented. These factors include e.g. process medium, flow conditions, environmental conditions, back pressure, pipeline geometry and set ring positioning. The equipment and conditions for periodic testing of safety and relief valves should correspond, as far as possible, the real process conditions. Ihe pvameters of interest typically measured when testing safety and relief valves are, set pressure, and tht mass P">w during the discharge. Moreover, testing should indicate whether stability problems can be anticipated. 4

STUK-YTO-TR51 SÄTEILYTURVAKESKUS ALKUSANAT Säteilyturvakeskus on tilannut tämän, ydinlaitosten vaioventtiilien määräaikaistestausta käsittelevän tutkimuksen VTT:n turvallisuustekniikan laboratoriolu. Yhteyshenkilöinä säteilyturvakeskuksessa ovat olleet ylitarkastajat Juhani Lammi ja Pentti Koutaniemi. Esitämme parhaat kuloksemme kaikille niille henkilöille, jotka tähän tutkimukseen liittyen esittelivät meille Teollisuuden Voima Oy:n Olkiluodon voimalaitoksen ja Imatran Voima Oy.n Loviisan voimalaitoksen varaventtiilien määräaikaistestauksissa käytettäviä koelaitteistoja. Tekijät 5

SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR51 LUETTELO KÄYTETYISTÄ TERMEISTÄ Painevarolaite Varoveattiili Asetuspame Testanspaine Avantnmispaine Sulkentamispaioe Avautumispaine-ero Salkeutamispaine-cro Hakkaus Lepatus on laite, joka estää vahingollisen paineen nousun tai alipaineen syntymisen suojattavaan järjestelmään. on venttiili, joka itsetoimisesti avautumalla estää edeltä määräin paineen ylittymisen ja joka sulkeutuu paineen laskettua (SFS 3322 1987). on paine, jossa suoraan kuormitettu varaventtiili tai ohjatun varoventtiilin päaventtiili alkaa avautua (SFS 3322 1987). on testausolosuhteissa määritetty asetuspaine. on paine, jossa varoventtiilin musu on niin suuri, että venttiili saavuttaa vaadittavan puhallustehon (SFS 3322 1987). on paine, jossa suoraan kuormitettu varaventtiili on avautumisen jälkeen sulkeutunut tai ohjatun varoventtiilin ohjauslaite aloittaa pääventtiilin sulkemisen (SFS 3322 1987). tancoittaa sitä varoventtiilin asetuspaineen ylittävää paineennousua, jolla venttiili saavun ia täyden puhalluksen (SFS 3322 1987). on asetuspaineen ja sulkeutumispaiiieen välinen ero (ofs 3322 1987). (engl. charter) on varoventtiilin toimintahäiriö, jossa venttiilin lautanen värähtelee iskumaisesti täyden nousun ja kiinniasennon välillä (Virolainen et ai. 1989). (engl.flutter)on varoventtiilin toimintahäiriö, jossa venttiilin lautanen värähtelee puhalluksen aikana iskeytymättä venttiilin istukkaan (Virolainen et ai. 1989). 6

STUK-YTO-TR 51 SÄTEILYTURVAKESKUS SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ Sivu ABSTRACT ALKUSANAT LUETTELO KÄYTETYISTÄ TERMEISTÄ 1 JOHDANTO 9 2 VAROVENTTTJLTT JA NIIDENTOIMINNALLEASETETTAVAT VAATIMUKSET 11 3 VAROVENTTTILIEN TOIMINTAAN VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ 13 3.1 Proscssiaine ja sen olomuoto 13 3.2 Virtauksen ja ympäristön olosuhteet 14 3.3 Poistopuolen vastapaine 16 3.4 Varaventtiiliin tuleva putkisto 16 3.5 Säätörenkaiden asento 17 3.6 Varajärjestelmien teoriaa 17 3.6.1 Varoventtiili staattisena paineenpurkuvälineenä 17 3.6.2 Varoventtiili dynaamisena paineenpurkuvälineenä 18 3.6.3 Koko varajärjestelmä dynaamisena järjestelmäni 18 3.6.4 Venttiilin nousun rajoituksesta 20 3.6.5 Yhteenveto teoreettisista tarkasteluista 21 7

SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR51 Sivu 4 OHJEITA YDINLAITOSTEN VAROVENTTniJEN MÄÄRÄAIKAIS TARKASTUSTEN SUORITTAMISESTA 22 4.1 American Natknal Standard Institute (ANSI/ASME) standardi OM-1987 "Operation and maintenance of nuclear power plants" 22 4.1.1 Yleisiä vaatimuksia 22 4.1.2 Määräaikaistarkastusten kohteet 23 4.1.3 Asetuspaineen testaamiselle asetettuja vaatimuksia 24 4.1.4 Venttiilin tiiviyden testaamiselle asetettuja vaatimuksia 24 4.1.5 Muun kuin prosessiaineen käyttö varaventtiilin toimintakokeissa 24 4.2 Määräaikaistarkastusten sisältö Suomessa 25 5 YDINLAITOSTEN VAROVENTTIILIEN TESTAAMISESTA TEHTYJÄ TUTKIMUKSIA JA KÄYTETTYJÄ KOELATTTEISTOJA 27 5.1 Electric Power Research Instituten (EPRI) tutkimusohjelma "PWR safety and relief valve test program" 27 5.2 Electric Power Research Instituten (EPRI) tutkimusohjelma "Set point testing of safety valves using alternative test methods" 30 5.3 Central Electricity Generating Board'in Bravo-testauslaitteisto 34 5.4 Siemensin KWU ryhmän täyden mittakaavan testauslaitteistot 34 5.5 Linjassa olevan varaventtiilin testaaminen karasta vetämällä 37 6 YHTEENVETO MAARAAIKAISTESTAUKSEN TAVOITELTAVISTA VAATIMUKSIA 39 6.1 Laitteistoon liittyvät vaatimukset 39 6.1.1 Yhteenveto testauslaitteiston suunnitteluun vaikuttavista tekijöistä 39 6.2 Testaustyön turvallisuuteen liittyvät vaatimukset 42 LÄHDELUETTELO 44 8

STUK-YTO-TR51 SÄTEILYTURVAKESKUS 1 JOHDANTO Painevarolaitteiden tarkoituksena on suojata laitosta, sen henkilökuntaa ja ympäristöä silloin kun prosessin paineen hallinta normaalein säätö- ja ohjaustoimenpitrin ei enää onnistu. Painevarolaitteiden, kuten esimerkiksi varaventtiilien, toimintakyvyn tulisi säilyä koko niiden käyttöiän ajan kaikissa purkausta vaativissa tilanteissa. Varaventtiilin moitteettomaan toimintaan kuuluu, että se avautuu oikeassa paineessa sulkeutuu oikeassa paineessa purkaa stabiil'.sti pystyy purkamaan riittävästi on normaaleissa prosessiolosuhteissa tiivis. Varaventtiili on turvalaite. Hyvin suunnitellussa ja asianmukaisella tavalla käytetyssä järjestelmässä turvalaitteen turvatoimirnon aktivoituminen on yleensä harvinainen ilmiö. Tällöin esimerkiksi toisiaan koskettavien pintojen hankauksesta aiheutuvalla kulumisella, joka monessa tapauksessa on merkittävä mekaanisten komponenttien vioittaja, ei ole suurta merkitystä. Turvatoiminto voi silti vioittua monin mekanismein tarvetilanteiden välilläkin. Nämä varaventtiilin lepotilassa ilmenevät viat jäävät usein myös piilovioiksi, jotka pahimmassa tapauksessa paljastuvat vasta turvatoiminnon tarpeen yhteydessä. Suunnitelmallisella varaventtiilin testauksella pyritään tunnistamaan ja poistamaan tällaiset viat hallitusti ennen purkausta vaativan tarvetilanteen esiintymistä. Testauksella ja havaittujen vikojen korjaamisella voidaan siten pienentää todennäköisyyttä sille, että varaventtiilissä on purkausta haittaava vika purkaustarpeen ilmetessä. Kletz (1963) esittää turvalaitteiden tarkasteluun soveltuvaksi kriteeriksi vaaratilanteen esiintymistaajuutu (Hazard rate). Varaventtiiliä tarkasteltaessa vaaratilanteen esiintymistaajuus kuvaa sitä kuinka usein on odotettavissa sellainen tilanne, jolloin varaventtiilin purkaustarve ilmenee samaan aikaan kun varaventtiilissä ~m sen turvatounintoa haittaava vika. Vaaratilanteen esiintymistaajuus voidaan määrittää yhtälöstä (Kletz 1983) missä: H f T D H = f[l-e (OT/z >J on vaaratilanteen esiintymistaajuus on vikataajuus (varaventtiilin vaaralliset viat) on varaventtiilin testausväli ja on tarvetilanteen esiintymistaajuus. Yhtälöstä voimme päätellä vaaratilanteen esiintymistaajuuden H lähestyvän vijcataajuutta f eksponentin (-DT/?.) itseisarvon kasvaessa. Varaventtiilin vikataajuus määrittää tämän mallin mukaan ylärajan vaarallisten tilanteiden esiintymiselle. Varaventtiilit ovat ostokomponentteja ja vaaratilanteen esiintymistaajuuteen voidaan vaikuttaa suotuisasti valitsemalla tarjolla olevista ostokomponenteista luotettavin. Paraskin venttiili voidaan tosin pilata sopimattomalla venttiilin käsittelyllä ja muun järjestelmän suunnittelulla. Vaaratilanteen esiintymistaajuutta voidaan esitetyn yhtälön mukaan pienentää myös tarvetilanteen esiintymistaajuutta pienentämällä. Tällöin koko prosessia tai sen jotain osaa tulisi parantaa suunnittelun keinoin harvemmin häiriintyväksi. Prosessin käyttöä voidaan myös pyrkiä saamaan virheenömämmäksi 9

SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YT0-TR51 esimerkiksi toimintaohjeita parantamalla ja käyttäjiä kouluttamalla, jotta käyttövirheiden aiheuttamia tarvetilanteita olisi mahdollisimman vähän. Kolmantena keinona vaaratilanteen esimtyrnistaajuuteen vaikuttamiseksi esitetty malli tarjoaa testausvälin T arvon pienenemistä. Esitetyn yhtälön mukaan testauksen tihentäminen pienentää vaaratilanteen esiintymistaajuutta. Testaus kuitenkin edellyttää usein varoventtiilin poistamista järjestelmästä tai estää muutoin järjestelmän normaalin toiminnan. Tuotannon pysäyttäminen pelkästään venttiilien testaamiseksi johtaakin yleensä ristiriitaan korkeiden käytettävyystavoitteiden kanssa. Lisäksi alasajon ja ylösajon jo sinänsä on usein todettu olevan normaalia tasaisen tuotannon tilaa ongelmallisempia turvallisuuden kannalta. Usein toistuva testaus saattaa myös aiheuttaa venttiiliin sellaisia vikoja, joita ei muutoin ilmenisi. Edellisestä voimme päätellä, että testaustaajuudella on käytännössä jokin äärellinen optimi, jokariippuujärjestelmän turvallisuus- ja käytettävyystavoitteiden keskinäisestä painotuksesta. Edellä esitetyssä on pyritty yksinkertaisella tavalla havainnollistamaan varoventtiilin turvallisuuteen vaikuttavia perustekijöitä ja testauksen merkitystä v htenä näistä tekijöistä. Täyden hyödyn saaminen testauksesta edellyttää kuitenkin. että tffstaamalla havaitut viat korjataan ja että testaus ei itse vioita varaventtiiliä. Lisäksi testauksen tuke luotettavasti paljastaa varoventtiilin vaaralliset viat. Yksinkertaistaen ja kärjistäen voidaan väittää, että huonosta varaventtiilistä ei saada testaamalla hyvää eikä paraskaan venttiili ole niin hyvä, että se voitaisiin jättää testaamatta. Tässä raportissa keskitytään erityisesti testauksen onnistumiseen vaikuttaviin tekijöihin. Tutkitaan mitä varoventtiilin ominaisuuksia ja miten tulisi testata, jotta varoventtiilin toiminnasu saataisiin irstaamalla mahdollisimman hiotettava käsitys. Yksityiskohtaisen vastauksen etsiminen ongelmaan miten usein varaventtiiliä tulisi testata on rajattu tämän tutkimuksen ulkjpuolelk. Raportissa tarkastellaan varaventtiilien toimintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi tarkastellaan kirjallisuudessa esitettyjä ohjeita ydinlaitosten varaventtiilien määräaikaistarkastusten suorittamisesta ja esitellään muutamia varaventtiilien testauksessa käytettyjä koejärjestelyjä ja koelaitteistoja. Kirjallisuudessa esitettyjen tietojen pohjalta on koottu keskeiset varaventtiilien toimintaan vaikuttavat tekijät, joiden vaikutus pitäisi ottaa huomioon testattaessa varoventtiileitä erillisessä koelaitteistossa, jotta varoventtiilin toiminta testaustiianteessa vastaisi sen toimintaa prosessipaikalla (sijoitettuna prosessijärjestelmään). 10

STUK-YTO-TR51 SÄTEILYTURVAKESKUS 2 VAROVENTTIILIT JA NITOEN TOIMINNALLE ASETETTAVAT VAATIMUKSET PainevaioiaiReklen tehtävä on suojella laitosta ja sitä käyttävää henkilökuntaa laitteistoihin mahdollisesti syntyvän ylipaineen (tai alipaineen) aiheuttamilta vaaratilanteilta ja onnettomuuksilta. Pamevarolaitieiden on tarkoitus toimia vasta silloin, kun suojattavan järjestelmän ohjaus- ja paineensäätöbitteet eivät pysty pitämään painetta halutuissa rajoissa. Koska painrvarolahteet ovnt viimeinen keino suojaa järjestelmä mahdollisesti tuhoisaksi muuttuvalta paineelta, pitää varaventtiilien ja muiden painevarolaitteiden toimia kaikissa sellaisissakin tilanteissa ja olosuhteissa, joissa muut ohjaus- ja turvallisuusjärjestelmä; eivät loimi. Koska varaventtiilien toimintakyvyn tulisi säilyä koko niiden käyttöiän ajan kaikissa purkausta vaativissa tilanteissa on niiden toiminnalle asetettavien vaatimusten oltava nukkoja. Yleisin painevarolaite on varaventtiili, joka estää ennalta määrätyn paineen ylittymisen avautumalla paineen noustessa ja sulkeutumalla taas paineen laskettua turvalliseen arvoon (SFS 3322 1987). Varaventtiilit voivat olla joko suoraan kuormitettuja tai ohjattuja. Suoraan kuormitetussa varaventtiilissä prosessin paine vaikuttaa venttiilin sulkuelimeen, tavallisesti lautaseen, pyrkien avaamaan sen. Venttiilin sulkuvoima saadaan jousella tai painolla, joka painaa venttiiliä kiinni- Ohjatulla varaventtiilillä ohjauslaite valvoo järjestelmän oainetta ja avaa venttiilin edeltä määrätyn paineen ylittyessä ja sulkee sen paineen laskiessa (Virolainen et ai. 1989). Jousikuormitteiset varaventtiilit on suunniteltu avautumaan määrätyssä asetuspaineessa, puhaltamaan tietyllä virtausnopeudella avautumispaineessa ja sulkeutumaan tiiviisti paineen laskiessa sulkeutumispameeseen. Varaventtiilin täytyy toimia tarkasti ja joka kerta samalla tavalla. Sulkeutumispaine-ero di ero asetuspaineen ja siilkftwtuniispatneen välillä halutaan usein hyvin pieneksi. Jousikuormitteiset varaventtiilit voidaan jakaa avautumistapansaperusteelunormaalivaroventnileihin, täysnousuvaroveattäleihin ja sundevaloventtiileihin. Normaalivaroventtiili saavuttaa fiyden avautumisen painrrn nousun ollessa enintään 10 % asetuspaineesta. Täysnousuvaroventtiilit avautuvat nopeasti täyteen nousuunsa niin, että paineen nousu yli asetuspaineen on enintään 5 %. Paineen nousuun verrannollinen osa avautumisliikkeestä saa olla enintään 20 9c. Subdevaroventtiilillä avautumisliike on lähes suoraan verrannollinen paineen nousuun. Venttiili saavuttaa vaadittavan puhallustebon paineen nousun ollessa enintään 10 % (Virolainen et ai. 1989). Ohjatulla varaventtiilillä pääventtiilin venttiiiilautaseen vaikuttava venttiiliä sulkeva kuormitus saadaan aikaan joko suojattavan paineastian sisältämän väliaineen omalla energialla tai muulla, mekaanisella, säuköisellä, hydraulisella tai pneumaattisella, energialla. Kun asetuspaine on saavutettu, kuormitus kumoutuu tai pienenee sinä määrin, että venttiililautaseen kohdistuva väliaineen paine tai muu avautumisen suuntainen voima kykenee avaamaan varaventtiilin (SFS 3322 1987). Suoraan kuormitetun varaventtiilin heikkoutena on venttiilin tiivistevoiman pieneneminen lähestyttäessä asetuspainetta. Tästä voi olla seurauksena ei-toivotut päästöt tai jatkuva vuoto. Ohjatussa varaventtiilissä tiivistepaine on aina suuri venttiilin avautumishetkeen saakka. 11

SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 51 Ohjatulla varaventtiilillä voidaan käyttää jopa 2 % sulkeutumispaine-eroa, kun normaalin jousikuormitteisen varoventtiilin sulkeutumispaine -ero voi olla jopa 10 % dynaamisten ongelmien (hakkaustaipumuksen) takia. Pienen sulkeutumispaine-eron vuoksi prosessin käyttöpaine voi olla lähempänä varoventtiilin asetuspainetta (Virolainen et ai. 1989). Varaventtiilien tyydyttävälle toiminnalle on kaksi perusvaatimusta (Sallet et ai. 1981): Venttiilin pitää asetettujen vaatimusten mukaisesti suojella järjestelmää avautuen ja sulkeutuen ilman hakkausta tai lepatusta, joka saattaisi vahingoittaa venttiiliä. Virtauksen varoventtiilin läpi tulisi olla suhteellisen riippumaton termodynaamisista olosuhteista ja prosessiaineeseen liittyvistä ominaisuuksista, joita prosessilaitteistossa voi esiintyä. Jotta varoventtiili toimisi edellä tavalla (Virolainen et ai. 1989): kuvatulla Purkauksen pitää alkaa tietyssä, ennalta määrättävissä olevassa paineessa. Purkausjärjestelmän toimintapaine on usein vain hiukan yli prosessin käyttöpaineen, joten purkausjärjestelmän on oltava tarkkatoiminen ja säädettävissä. Purkauksen pitää tapahtua nopeasti. Ylipaineen lisäksi itse purkauksestakin aiheutuu usein häiriöitä prosessiin. Häiriöiden välttämiseksi tai niiden keston rajoittamiseksi paine prosessissa pitäisi palauttaa mahdollisimman nopeasti normaaliksi. Toisaalta liian nopea purkaus aiheuttaa prosessissa ja purkausjärjestelmässä värähtelyjä ja melua. Purkauksen kapasiteetin pitää olla riittävän suuri ts. prosessiainetta on johdettava pois riittävä, painetta nostavan häiriön ominaisuuksista riippuva määrä. Purkauksen pitää loppua tietyssä, ennalia määrättävissä olevassa paineessa. Purkauksen jälkeen prosessin paineen pitää olla haluttu. Reaalisilla paineenpurkauslaitteistoilla purkaus loppuu 10 % alhaisemmassa paineessa kuin, missä se alkoi. Purkauksen pitää tapahtua vain tarvittaessa. Purkauksen pitää toimia tarvittaessa kaikissa järjestelmän toimintatiloissa. Prosessijärjestelmien toimintatilat voivat vaihdella laajastikin. Erilaiset lämpötilat ja virtausmäärät saattavat vaikuttaa purkausjärjestelmän toimintaan. Järjestelmän tulisi kuitenkin toimia luotettavasti kaikissa olosuhteissa. Edellisten, toimintaan liittyvien vaatimusten lisäksi varaventtiileille asetetaan vaatimuksia myös taloudelliseen toimintaan ja ympäristön turvallisuuteen liittyen. Tarpeettoman pitkä puhallus voi aiheuttaa taloudellisia menetyksiä. Varoventtiili ei puhalluksellaan saa aiheuttaa vaaraa tai vahinkoa henkilöille, prosessilaitteille tai muulle ympäristölle. Varoventtiilin stabiili ja rauhallinen avautuminen riippuu mm. venttiilin mitoituksesta, suojeltavaa laitteistoa ja varaventtiiliä yhdistävistä rakenteita, prosessiaineen ominaisuuksista ja venttiilin virittämisestä (Zahorsky 1983). Monet teollisuudessa käytettävät varoventtiilit on suunniteltu ja mitoitettu höyryvirtaukselle, vaikka venttiilit saattavat joutua toimimaan myös vedellä tai kaksifaasivirtauksella tietyissä häiriö- tai onnettomuustilanteissa. Laitoksen turvallisuuden kannalta on tärkeää selvittää toimivatko varoventtiilit tyydyttävästi ja onko niiden puhalluskapasiteetti riittävä myös näissä olosuhteissa (Sallet et ai. 1981). 12

STUK-YTO-TR 51 SÄTEILYTURVAKESKUS 3 VAROVENTTIILIEN TOIMINTAAN VAIKUTTAVIA TEKIJÖITÄ Varoventtiilien tyydyttävälle toiminnalle asetetut kaksi perusvaatimusta ovat (Sallet et ai. 1981): Venttiilin pitää asetettujen vaatimusten mukaisesti suojella järjestelmää avautuen ja sulkeutuen stabiilisti ilman hakkausta tai lepatusta, joka saattaisi vahingoittaa venttiiliä. Virtauksen varaventtiilin läpi tulisi olla suhteellisen riippumaton termodynaamisista olosuhteista ja prosessiaineeseen liittyvistä ominaisuuksista, joita prosessilaitteistossa (reaktorissa) voi esiintyä. Varoventtiileilletehtävien määräaikaistarkastusten tavoitteena on varmistua niiden kunnosta ja toimintakyvystä prosessin vaatimissa olosuhteissa. Toimintakokeissa tarkastetaan, että varaventtiili toimii käyttöolosuhteissa luotettavasti ja että sen puhalluskyky on riittävä. Mikäli määräaikaistarkastukset tehdään erillisessä koelaitteistossa, pitäisi voida varmistua siitä, että varaventtiilin käyttäytyminen koelaitteistossa vastaa sen käyttäytymistä varsinaisella prosessipaikalla. Keskeisiä prosessiin, sen ympäristöön ja myös itse venttiiliin liittyviä tekijöitä, jotka voivat vaikuttaa varaventtiilin toimintaan ovat (Auble 1983, Airey et ai. 1987, Virolainen et ai. 1989): prosessiaine ja sen olomuoto virtauksen ja ympäristön olosuhteet venttiilin avautuessa/sulkeutuessa poistopuolen vastapaine tuloputkiston geometria venttiilin säätörenkaiden asento. Näiden tekijöiden vaikutusta varoventtiilien toimintaan on selvitetty erilaisilla koesarjoilla (Airey 1987, Rollo et ai. 1985, Auble 1983, Singh 1983, Zahorsky 1983) ja myös laatimalla varoventtiilejä ja niiden toimintaa kuvaavia matemaattisia malleja (Singh et ai. 1983, Langerman 1983). Seuraavassa tarkastellaan eri tekijöiden vaikutusta ydinlaitosten varoventtiilien toimintaan ajatellen koelaitteistolla tehtävien toimintakokeiden ja varsinaisen prosessitilanteen vastaavuutta. Varoventtiilien toimintaan liittyvää teoriaa ja sitä kuvaavia malleja on käsitelty tämän luvun lopussa. Myös tässä esityksessä on kiinnitetty erityistä huomiota testaus- ja prosessiolosuhteiden vastaavuuteen. 3.1 Prosessiaine ja sen olomuoto Monet varaventtiilit on suunniteltu ja mitoitettu höyryvirtaukselle, vaikka tietyissä häiriö/onnettomuustilanteissa prosessiaine purkautuu nesteenä tai kaksifaasivirtauksena. On tärkeää varmistua siitä, että varaventtiilit toimivat tyydyttävästi ja että niiden purkauskapasiteetti on riittävän suuri myös näissä olosuhteissa (Sallet et ai. 1981). Tämän varmistamiseksi varoventtiilien toiminta pitäisi pystyä testaamaan kaikissa niissä olosuhteissa, joihin se normaalitilanteissa tai vakavissa onnettomuustilanteissa voi joutua. Electric Power Research Instituten (EPRI) "PWR Safety and Relief Valve Test Program" -tutkimusohjelmassa testauslaitteiston suunnittelussa lähdettiin turvallisuusanalyyseillä tunnistettujen tyypillisten onnettomuustapausten olosuhteista (Weismantel & Kanupka 1983). Mikäli varoventtiilien testauksessa käytetään jotain muuta kuin prosessissa olevaa väliainetta, pitäisi olla määriteltynä korrelaatio varaventtiilin toiminnasta testausaineella ja varsinaisella prosessiaineella. Yleisiä vastaavuuksia ei tätä raporttia varten läpikäydyssä aineistosta löytynyt. Electric Power Research Instituten (EPRI) 13

1.0 A ', 2.8 2.5!32 : c== 2.2.il. :\ 6 i A'-. 2.0 I.I 18.25 1.4 1.6 MICROCOPY RESOLUTION TEST CHART NATIONAL HUME Al) Of VTANnAMf.r, 'jannahn FirFF.Fu_rjrj MATFMIAI mm.»

SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 51 tekemän tutkimuksen (Rollo et ai. 1985) eräänä tavoitteena oli vastaavuuksien löytäminen höyryllä tehtävien testausten ja vaihtoehtoisilla testaustavoilla tehtävien testausten välille. Saatujen tulosten hajonta osoittautui kuitenkin liian suureksi. Testaus typellä tuotti toistettavia tuloksia ja sitä pidettiin tehtyjen kokeiden perusteella kohtuullisen hyvänä vaihtoehtoisena testausaineena höyrylle (Rollo et ai. 1985). Varovent.iilit pitäisi ydinlaitosten käyttöä ja kunnossapitoa käsittelevän ASME/ANSI standardin (Operation...1987) mukaisesti pääsääntöisesti testata sillä aineella, joka on järjestelmän prosessiaine. Ydinlaitoksissa tämä on höyry tai vesi. Prosessiolosuhteiden takia varaventtiilien pitää toimia höyryllä, vedellä ja tilanteissa, joissa tapahtuu faasinmuutos varaventtiilissä. Myös prosessiaineen joukossa olevat lisäaineet, esim. boorihappo, voivat vaikuttaa venttiilin toimintaan (Airey et ai. 1987). 3.2 Virtauksen ja ympäristön olosuhteet Sisään tulevan virtauksen ja myös varaventtiilin ympäristön lämpötilalla on merkitystä varaventtiilin toiminnan kannalta, koska korkea lämpötila vaikuttaa varaventtiilin jouseer. ja muihin kriittisiin komponentteihin aiheuttamalla lämpölaajenemista. Tarkasteltaessa lämpötilan vaikutusta varaventtiilin toimintaan oletetaan, että jousen viritys on tehty huoneen lämpötilassa. Prosessiaineen tai ympäristön lämpötilan nousu vaikuttaa venttiiliin ja sen eri osiin tavoilla, joista osa kasvattaa jousen sulkuvoimaa ja sitä kautta lautaseci kohdistuvaa voimaa. Lämpötilan vaikutuksista osa taas pienentää lautaseen kohdistuvia voimia. Esimerkkinä voidaan mainita mm. (Bordelon 1978): lämpölaajenemisesta johtuva jousen pidentyminen kasvattaa jousen sulkuvoimaa ja venttiilin lautaseen kohdistuvaa voimaa lämpölaajenemisesta johtuen venttiilin runko pitenee ja aiheuttaa jousen sulkuvoiman pienentymisen ja edelleen lautaseen kohdistuvan voiman pienentymisen. Lämpötilan vaihtelu vaikuttaa varaventtiilissä lähinnä asetuspaineeseen ja sitä kautta myös sulkeutumispaineeseen. Lämpötilan vaihtelu voi johtua prosessiaineen lämpötilan vaihtelusta tai ympäristön lämpötilan vaihtelusta. Ympäristön lämpötilan nousu pyrkii laskemaan asetuspainetta (Bordelon 1978, Rollo et ai. 1985). Ympäristön lämpötilan vaikutus asetuspaineeseen on selvempi käytettäessä testausaineena typpeä kuin testattaessa höyryllä (Rollo et ai. 1985). Lämpötilan vaikutusta varaventtiilin käyttäytymisen vastaavuuteen testaustilanteessa ja todellisessa prosessitilanteessa on havainnollistettu kuvissa 1 ja 2 (Bordelon 1978). Kuva 1 esittää varaventtiilin käyttäytymistä kun se on stabiloitu ja testattu asianmukaisesti. Kuvassa 2 varaventtiili on testattu ja säädetty matalammassa lämpötilassa tai käyttäen matalampipaineista höyryä, kuin mikä on tilanne prosessissa. Prosessissa venttiili pyrkii avautumaan matalammassa paineessa. Asetuspaine voi mennä liian lähelle prosessin normaalia käyttöpainetta, jolloin venttiilin käyttäytyminen tulee hyvin epästabiiliksi ja se pyrkii avautumaan ja sulkeutumaan jatkuvasti. Liian lähellä prosessipainetta venttiili ei enää ole myöskään tiivis. Lämpölaajenemisesta johtuvia kokonaisvaikutuksia venttiilin toimintaan on vaikea esittää yleisesti, koska ne riippuvat venttiilin tyypistä ja käytetyistä materiaaleista (Bordelon 1978). Varaventtiilin toiminnan kannalta sen rungon pitäisi olla lähellä suunniteltua toimintalämpötilaa, jolloin pienennetään äkillisen lämpötilan muutoksen vaikutuksia varaventtiilin toimintaan. Venttiilin testauksen ja säädön yhteydessä lämpötilan suhteen pitäisi kiinnittää huomiota seuraaviin seikkoihin (Bordelon 1978): * venttiilin sisälämpötilan pitäisi olla mahdollisimman lähellä prosessin lämpötilaa * venttiilin ympäristön lämpötilan pitäisi vastata ympäristön lämpötilaa prosessiolosuiiusissa * lämpötilan stabiloitumiselle pitäisi varata riittävästi aikaa testauksessa 14

STUK-YT0-TR51 SÄTEILYTURVAKESKUS 10% 6% 70 bar 5% 65.8 bar 66.5 bar Varoventtiilin asetuspaine Järjestelmän suunnittelupaine Sulkeutumispaine Paine, jossa venttiili on tiivis Järjestelmän toimintapaine 63 bar Kuva 1. Riippuvuudet järjestelmän paineiden ja varoventtiilin toiminnan välillä, kun testaus ja säätö on tehty lämpötilan vaikutus huomioon ottaen (Bordelon 1987). Järjestelmän suunnittelupaine 16% 70 bar 5% 10% 63 bar 63 bar 58,8 bar.- Sulkeutumispaine Varoventtiilin asetuspaine _ Järjestelmän toimintapaine Paine, jossa varaventtiili on tiivis Kuva 2. Riippuvuudet järjestelmän paineiden ja varoventtiilin toiminnan välillä, kun testauksessa ja säädössä venttiiliä ei ole stabiloitu lämpötilan suhteen (Bordelon 1978). venttiilin säädön yhteydessä tehtävien asetuspainekukeiden välisen ajan pitäisi olla riittävän pitkä, jotta venttiili ehtii stabiloitua testaustilanteessa pitäisi mahdollisimman hyvin Jäljitellä kaikkia tekijöitä, jotka prosessissa vaikuttavat venttiilin lämpötilaprofiiliin kuten esim. eristykset tai lähellä olevat kuumat pinnat. 15

SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YTO-TR 51 Edellä mainitun ASME/ANSI standardin (Operation...1987) mukaisesti ennen asetuspaineen testausta on varoventtiilin lämpötila stabiloitava niin, että lämpötilan muutos ei ylitä 5 "C/30 min. Myös ympäristön lämpötilan pitäisi vastata lämpötilaa prosessipaikalla. 33 Poistopuolen vastapaine Tavallisen jousikuormitteisen varoventtiilin toimintaan vaikuttava poistopuolen vastapaine muodostuu (Virolainen et ai. 1989): puhalluksen aiheuttamasta vastapaineesta ("omavastapaineesta") * muiden samaan putkistoon puhaltavien laitteiden aiheuttamasta vastapaineesta ("vierasvastapaineesta"). Vastapaine poistoputkistossa voi vaikuttaa venttiilin asetuspaineeseen, pienentää sen purkauskapasiteettia ja aiheuttaa venttiilin toimintaan epästabiiliutta. Perusrakenteestaan johtuen tavallinen varover.i;; ei pysty toimimaan, jos poistopuolen vast... aine ylittää tietyn rajan. Vastapaineen vaikutusta voidaan vähentää käyttämällä vastapainekompensoituja varoventtiileitä, joissa palkeiden avulla pienennetään vastapaineen lautaseen kohdistamaa sulkuvoimaa (Lai 1992). Tavalliseen varoventtiiliin vastapaine vaikuttaa asetuspainetta nostavasti. Varoventtiilille voidaan määritellä hyväksyttävä vastapaineen suhde asetuspaineeseen, K,, ja kriittinen vastapaineen suhde asetuspaineeseen, R,.. Ennen kuin saavutetaan R,, venttiili toimii stabiilisti ja pystyy purkamaan halutun määrän ainetta. Kun saavutetaan R^ venttiilin toiminta tulee epästabiiliksi ja se menettää kykynsä purkaa ylipainetta suojeltavasta laitteistosta. Myöskään vastapainekompensoidun varoventtiilin toiminta ei ole täysin vastapaineesta riippumaton. Vastapaineen kohotessa asetuspaine muuttuu eikä venttiili enää avaudu kunnolla (Lai 1992) 3.4 Varoventtiiliin tuleva putkisto Varoventtiilin asennuksella suojeltavaan laitteistoon on huomattava merkitys varoventtiilin stabiilin ja muuten hyvän toiminnan kannalta. Varoventtiilin tuloputkista vaikuttaa sen toimintaan mm. seuraavin tavoin (Virolainen et ai. 1989): putkiston aiheuttama virtausvastus saattaa aiheuttaa varoventtiilin hakkaamista putkiston synnyttämä värähtely saattaa aiheuttaa varoventtiilin nopean kulumisen putkiston vaatima suuri sulkeutumispaine-ero voi aiheuttaa suuren puhallettavan ainemäärän väärin sijoitettu putkisto voi heikentää venttiilin toimintaa väärien lämpöolosuhteiden vuoksi. Tuloputkiston virtausvastukset aiheutuvat putkiston seinämien kitkasta, liitännästä suojattavaan putkeen tai säiliöön sekä putkistossa olevista kertavastuksista. Jos varaventtiili on liitetty putkistoon, voi virtaus aiheuttaa varoventtiilin haaraan voimakkaan värähtelyn, joka aiheuttaa tärinää varoventtiiliin. Tämä voi johtaa varoventtiilin tai putkiston vaurioitumiseen. Varoventtiilin tuloputkistosta johtuvat painehäviöt pienentävät varoventtiiliin avautumiseen vaikuttavia voimia. Jos painehäviö on liian suuri, varaventtiili alkaa toimia epästabiilisti ja lautasessa ilmenee värähtelyä puhalluksen aikana. Mekaaniset ja virtauksesta johtuvat värinät voivat alentaa asetuspainetta, aiheuttaa venttiilin vuotamista ja vahingoittaa sitä (Lai 1992). American Petroleum Instituten suositusten mukaisesti painehäviö tuloputkistossa ei saisi ylittää 3 % (Boskirk 1982). Venttiilin hakkaamista ei esiinny kun painehäviö on pienempi kuin varoventtiilin sulkeutumispaine-ero (Cox & Weirick 1980). Varoventtiilin sulkeutumisia

STUK-YTO-TR 51 SÄTEILYTURVAKESKUS paine-eron minimiarvo määräytyy siis osaltaan tuloputkiston painehäviön perusteella. Yleisesti pitkä sisääntuloputkisto heikentää varaventtiilin stabiilia toimintaa ja lyhyt sisääntuloputkisto parantaa sen toimintaa (Singh 1983). 3.5 Säätörenkaiden asento Säätörenkaiden avulla voidaan vaikuttaa varov^nttiilin sisäiseen geometriaan ja tä.a kautta venttiilin sulkeutumispaine-eroon ja sen stabiiliin toimintaan. Mikäli varaventtiilin sulkeutumispaine-ero (ts. asetuspaineen ja sulkeutumispaineen välinen ero) on liian pieni, aiheuttavat pienetkin paineen muutokset tuloputkessa venttiilin toimintaan epästabiiliutta eli venttiili alkaa hakata (avautua ja sulkeutua jatkuvasti). Toisaalta suuri sulkeutumispaine-ero aiheuttaa liian pitkään jatkuvan puhalluksen (Singh & Shal; 1983). Sulkeutumispaine-ero onriippuvainenventtiilin rakenteesta, virtausolosuhteista, jousesta, vzstapaineesta ja säätörenkaiden asennosta. Venttiilin sulkeutumispaine-eroa voidaan tietyissä rajoissa muuttaa säätörenkaiden avulla. Tällöin on kuitenkin huomattava, että muutokset virtauksessa tai venttiiliin tulevassa tai siitä lähtevässä putkistossa saattavat muuttaa sulkeutumispaine - eroa (Singh & Shak 1983). 3.6 Varajärjestelmien teoriaa Varajärjestelmiä on kirjallisuudessa tarkasteltu jo vuosikymmeniä. Niiden teoreettisessa tarkastelussa on nähtävissä seuraavat kehityskaaret: Varaventtiili staattisena paineenpurkuvälineenä Alkuun on tarkasteltu venttiilin staattisia paineenpurkuominaisuuksia, eli pystyykö venttiili purkamaan halutun massavirran tietyssä vakiona pysyvässä paineessa. Varaventtiili dynaamisena paineenpurkuvälineenä Venttiilien stabiiliusongelmien takia ryhdyttiin tarkastelemaan venttiilien dynaamista käyttäytymistä. Nyt otettiin huomioon venttiilin jousi-massa-järjestelmä 3.6.1 purettavan tilan paineennousunopeus.koko varajärjestelmä dynaamisena järjestelmänä Vasta oikeastaan viime vuosikymmenellä on alettu ottaa dynamiikan tarkasteluun mukaan sekä venttiilin tulojärjestelmän että poistoputkiston dynamiikka. Näin on saatu kehityskaari staattisesta järjestelmästä akustiseksi järjestelmäksi. Varaventtiili staattisena painecnpurknvälineenä Varaventtiilin tehtävänä on purkaa ainetta t*»tvn pinta-alan läpi. Tästä syntyy ideaalitapauksessa virtaukselle tietty raja. Koska tähän tilanteeseen liittyvät laskentakaavat löytyvät virtausopin oppikirjoista ja esimerkiksi lähteestä Virolainen et ai. (1989), niitä ei käjitellä yksityiskohtaisesti tässä yhteydessä. Kuvan 3 mukaisesti venttiilin tuloputkessa, samoin kuin poistoputkessa, on tiettyjä virtausvastuksia (tuloputken aukko, tuloputken seinämät, liitokset), jotka otetaan huomioon. Myös venttiilin poistopuolen staattinen vastepaine otetaan tässä mollissa huomioon. Purkausaukko Poistopuolen vastapaine ja virtausvastukset "-U Tulopuo'en virtausvastukset Prosessiaine paineessa ja lämpötilassa Kuva 3. Varcventtiili staattisena purkajana. Tämä malli on varoventtiilisuunnittelun perusta. Dynaamiset ominaisuudet otetaan huomioon standardien ja kokemuksen tuomina peukalosääntöinä, joita ei koeta dynamiikan tuomiksi rajoituksiksi. 17

SÄTEILYTURVAKESKUS STUK-YT0-TR51 3.6.2 Varoventtiili dy naambena paineenporkavälineenä Täman mallin mukaan purkaus alkaa tietyllä ajan hetkellä, jolloin virtaus lisääntyy kunnes se tietyn ajan kuluttua jälleen vähenee ja lopulta purkaus loppuu. Järjestelmässä on iettyä hitautta, joka tässä mallissa otetaan huomioon venttiilin lautasen, karan ja jousen muodostaman jousi-massa-jäijestelmän avulla (Singh 1982). Tässä mallissa voidaan ottaa virtausvoimatkin huomioon. Mallin perusteella saadaan kuva venttiilin säätörenkaidenkin vaikutuksesta. Malli antaa hyvän lähtökohdan sellaisen varajärjestelmän suunnittelulle, jossa tulo- ja poistoputket ovat ideaaliset (lyhyet, laajat, ei muita puhalluksia, jne.). Käytetty matematiikka edellyttää jo tietokonetta. Jousi-massa-järjestelmä (kuva 4) tuo mukanaan värähtelytaipumuksen, joka saattaa ilmetä jopa varaventtiilin hakkauksena. Jousi-massajärjestelmän ominaistaajuus on jousivakion ja liikkuvan massan suhteen neliöjuuri. Ominaistaajuus on varsin korkea - kirjallisuudessa (esim. Lung 1988 ja Langerman 1983) esitetyillä arvoilla luokkaa 300 Hz. Venttiilin talopntkea dynamiikka Normaalissa purkauksessa voi tuloputkiston ja purettavan astian dynamiikan sopimattomuus varaventtiilin jousi-massa-jäijestelmän ominaistaajuuden kanssa aiheuttaa venttiilin värähtelyn. Tuloputken mitat on tällöin valittava siten, että sen täyttymiseen kuluva aika on kertaluokkaa pienempi kuin venttiilin jousen ominaisvärähtelyn jaksoaika (Möller et ai. 1987): ^ o-a^'wi jossa: Ap on avautumis- ja sulkeutumispaineen ero 5 on aineen tiheys X. on putken kitkakerroin L on putken pituus d on putken sisähalkaisija Zt; on kertavastusten summa m on venttiilin liikkuvien osien massa (lautanen, kara ja 1/3 jousen massasta) k on venttiilijousen jousivakio Virtausvoimat Jousi-massa -järjestelmä Purkausaukko ^ ^ Poisto - v. puolen vastapaine ja virtausvastukset -4V Tulopuolen virtausvastukset Prosessiaine paineessa ja lämpötilassa Kuva 4. Varoventtiili dynaamisena järjestelmänä. Yhtälön antaman ehdon on siis toteuduttava sekä testauslaitteistossa että todellisessa järjestelmässä. Jos näin ei tapahdu, tulisi yhtälön vasemman puolen saada molemmissa tilanteissa sama arvo, jotta dynaamiset ominaisuudet olisivat vastaavat. 3.6.3 Koko varajärjestelmä dynaamisena järjestelmänä Varalaitteisto koostuu kokonaisuudesta, jossa on purettava tila, yhde varaventtiiliin ja poistojärjestelmä. Tällainen järjestelmä on kokoelma akustisia värähtelijöitä (säiliöt, putket) ja jousimassa-järjestelmiä (venttiilit). Tämän kokonaisuuden eri osien merkitystä on käsitellyt matemaattisesti mm. Singh (1983). Tällä mallilla on merkitystä lähinnä höyryventtiilien testauslaitteistoa suunniteltaessa. 18