Das ASME-Betriebs- und Wartungstestprogramm stellt die Betriebsbereitschaft nuklearer Komponenten sicher

Ursprünglich im Boiler and Pressure Vessel Code der American Society of Mechanical Engineers (ASME) verankert, steht heute der Standard „Betrieb und Wartung von Kernkraftwerken“ für die Betriebsprüfung von Pumpen, Ventilen und bestimmten dynamischen Rückhaltesystemen (Snubbern) für sich. Das In-Service-Testprogramm erkennt und überwacht unter anderem die Bereitschaft und Verschlechterung der Ventilsicherheitsfunktion für bestehende Kernkraftwerke und Neubauten.

Die American Society of Mechanical Engineers (ASME) ist eine der ältesten Organisationen zur Entwicklung von Standards in den USA. Ihre Arbeit geht jedoch weit über die Bundesstaaten hinaus. Es verfügt über Niederlassungen in Peking, China; Brüssel, Belgien; und Neu-Delhi, Indien. Seine erklärte Mission lautet: „Verschiedenen globalen Gemeinschaften durch die Weiterentwicklung, Verbreitung und Anwendung von technischem Wissen zur Verbesserung der Lebensqualität zu dienen; und die Begeisterung für die Technik zu vermitteln.“

ASME stellt spezifische Betriebs- und Wartungscodes (OM) bereit, um Inspektionen und Tests vor und während des Betriebs für viele der Komponenten durchzuführen, die in bestehenden und neuen Kernreaktorkonstruktionen verwendet werden. Zwischen den 1960er und 1980er Jahren waren viele der Anforderungen an In-Service-Tests (IST) im ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Abschnitt XI, verankert, der sich in erster Linie mit standardisierten Schweiß-/Komponenten-Inspection-Untersuchungen (ISI) statt mit Komponentenfunktionstests befasste.

Das ASME OM Standard Committee wurde beauftragt, den ASME-Standard „Betrieb und Wartung von Kernkraftwerken“ (OM-Code) zu entwickeln und dabei die „Pumpe und Ventil“-Anforderungen aus Abschnitt XI zu trennen, um die Effizienz bei der Entwicklung und Verfeinerung von IST-Anforderungen und Akzeptanzkriterien zu verbessern. Die Anforderungen des OM-Codes gelten für:

■ Pumpen und Ventile, die eine bestimmte Funktion beim Herunterfahren eines Reaktors in den sicheren Abschaltzustand, bei der Aufrechterhaltung des sicheren Abschaltzustands oder bei der Milderung der Folgen eines Unfalls erfüllen müssen.

■ Druckentlastungsgeräte, die Systeme oder Teile von Systemen schützen, die eine oder mehrere der drei oben genannten Funktionen erfüllen.

■ Dynamische Rückhaltesysteme (Snubber), die in Systemen verwendet werden, die eine oder mehrere der drei oben genannten Funktionen erfüllen (Abbildung 1).

Der Zweck von IST besteht darin, die Verschlechterung von Komponenten zu erkennen und zu überwachen, die als ASME-Klasse 1, 2 oder 3-Systeme und -Komponenten gekennzeichnet sind. Klasse 1 (Qualitätsgruppe A) umfasst Systeme und Komponenten, die Reaktorkühlmittel enthalten und die Druckgrenze des Reaktorkühlmittels bilden. Elemente wie Reaktorsicherheitsventile, Absperrventile für die Druckbegrenzung des Reaktorkühlmittels und kraftbetriebene Entlastungsblockventile fallen in die Kategorie der Klasse 1. Artikel der Klasse 2 (Qualitätsgruppe B) sind Systeme und Komponenten, die nicht der Qualitätsgruppe A angehören und für die Sicherheit wichtig sind, wie z. B. Notkühlung des Kerns, Reaktorabschaltung und Restwärmeabfuhrsysteme. Systeme und Komponenten der Klasse 3 (Qualitätsgruppe C) sind wichtig für die Sicherheit, werden jedoch nicht als Klasse 1 oder 2 eingestuft. Einige Beispiele umfassen Dieselgenerator-Unterstützungssysteme sowie Brauchwasser- und Komponentenkühlwasserpumpen.

IST bietet hinreichende Sicherheit dafür, dass sicherheitsrelevante Komponenten bei Aktivierung ihre Sicherheitsfunktion erfüllen. Der Prozess ermöglicht es Versorgungsunternehmen, Probleme systematisch zu identifizieren und Maßnahmen zur Reparatur oder zum Austausch sicherheitsrelevanter Komponenten zu ergreifen, wenn diese beschädigt sind. IST ist nicht dazu gedacht, die Funktionsfähigkeit von Komponenten zu bestimmen. Vielmehr soll mit der Überwachungsprüfung der Technischen Spezifikation (TS) überprüft werden, ob Komponenten und Systeme seit dem letzten TS-Test betriebsbereit sind. IST soll die Gewissheit vermitteln, dass die Komponente bis zum nächsten TS-Test betriebsbereit bleibt.

Der OM-Kodex ist in drei Abschnitte unterteilt. Abteilung 1, „OM-Code: Abschnitt IST“, auf die sich dieser Artikel konzentriert, ist in sechs Unterabschnitte unterteilt. Die Unterabschnitte sind:

■ Unterabschnitt ISTA, „Allgemeine Anforderungen“

■ Unterabschnitt ISTB, „Inbetriebnahmeprüfung von Pumpen in Leichtwasserreaktorkraftwerken – Anlagen vor 2000“

■ Unterabschnitt ISTC, „Inbetriebnahmeprüfung von Ventilen in Leichtwasserreaktor-Kernkraftwerken“

■ Unterabschnitt ISTD, „Prüfung und Prüfung dynamischer Rückhaltesysteme (Snubber) in Leichtwasserreaktor-Kernkraftwerken vor und während des Betriebs“

■ Unterabschnitt ISTE, „Risikoinformierte Betriebsprüfung von Komponenten in Leichtwasserreaktor-Kernkraftwerken“

■ Unterabschnitt ISTF, „Inbetriebnahmeprüfung von Pumpen in Leichtwasserreaktor-Kernkraftwerken – Anlagen nach 2000“

Es gibt fünf obligatorische und zwölf nicht obligatorische Anhänge. Die obligatorischen Anhänge sind:

■ Anhang I, „Betriebsprüfung von Druckentlastungseinrichtungen in Leichtwasserreaktor-Kernkraftwerken“

■ Anhang II, „Programm zur Zustandsüberwachung von Rückschlagventilen“

■ Anhang III, „Vor- und Nachlaufprüfung aktiver elektromotorbetriebener Ventilbaugruppen in Leichtwasserreaktorkraftwerken“

■ Anhang IV, „Reserviert für die Prüfung pneumatisch betätigter Ventile“

■ Anhang V, „Programm zur regelmäßigen Verifizierung der Pumpe“

Die nicht obligatorischen Anhänge sind:

■ Anhang A, „Erstellung von Testplänen“

■ Anhang B, „Checklistenpunkte für die Prüfung dynamischer Rückhaltesysteme“

■ Anhang C, „Dynamische Rückhaltekonstruktion und Betriebsinformationen“

■ Anhang D, „Vergleich von Probenahmeplänen für die Prüfung dynamischer Rückhaltesysteme im laufenden Betrieb“

■ Anhang E, „Flussdiagramme für 10 %- und 37 Snubber-Testpläne“

■ Anhang F, „Methoden zur Lebensdauerüberwachung dynamischer Rückhaltesysteme (Snubber)“

■ Anhang G, „Anwendung der Tabelle ISTD-4252-1, visuelle Prüfung des Dämpfers“

■ Anhang H, „Testparameter und -methoden“

■ Anhang J, „Prüfung des Ventils nach Zusammenbau des Ventils“

■ Anhang K, „Beispielliste komponentendeterministischer Überlegungen“

■ Anhang L, „Annahmerichtlinien“

■ Anhang M, „Entwurfsleitfaden für Kernkraftwerkssysteme und Komponententests“

Bei den ASME-Codes handelt es sich um freiwillige Konsensstandards, die von Teilnehmern, darunter der Nuclear Regulatory Commission (NRC) und Lizenznehmern, entwickelt wurden. Wenn das NRC der Ansicht ist, dass es ein erhebliches technisches oder regulatorisches Problem gibt, das durch eine genehmigte ASME-Code-Ausgabe oder Ergänzungen angegangen werden kann, wird das NRC, anstatt einen eigenen Standard zu entwickeln, die ASME-Code-Ausgabe genehmigen oder konditionieren (das Ausmaß der Konformität bestimmen). Nachträge „durch Verweis“.

Teile der Norm, die nicht übernommen oder bedingt akzeptiert werden, müssen begründet werden. Dies deckt sich mit der Politik des NRC, die Sicherheit von Kernkraftwerken aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die NRC-Aktivitäten effektiv und effizient zu gestalten.

Die Bedingungen des NRC sind in Titel 10 des Code of Federal Regulations Teil 50.55a (10 CFR 50.55a) „Codes und Standards“ enthalten. Nach der Einbeziehung des ASME-Codes in 50.55a durch Verweis sind die Bestimmungen rechtsverbindliche NRC-Anforderungen (Abbildung 2).

Mit Wirkung zum 17. August 2017 hat das NRC seine Vorschriften dahingehend geändert, dass die Ausgabe 2009, die Nachträge von 2011 und die Ausgabe 2012 von Division 1 des ASME OM-Codes durch Verweis mit Bedingungen für deren Verwendung übernommen wurden. die Ausgabe 1983 bis zur Ausgabe 1994, die Ausgabe 2008 und die Nachträge 2009–1a zur Ausgabe 2008 der ASME NQA-1 Qualitätssicherungsanforderungen für Anwendungen in kerntechnischen Anlagen, mit Bedingungen für deren Verwendung; und OM-Code Case OMN-20, „Inservice Test Frequency“.

Code Cases (CCs) verdeutlichen die Absicht des bestehenden ASME-Codes oder stellen alternative Anforderungen bereit und sollen zu einem späteren Zeitpunkt in den Code integriert werden. Ein CC kann vom NRC im Regulatory Guide (RG) 1.192, „Operation and Maintenance Code Case Acceptability, ASME OM Code“, mit oder ohne Bedingungen (z. B. Erleichterungsanträge) gebilligt werden. Alternativ kann das NRC CCs in RG 1.193, „ASME Code Cases Not Approved for Use“, ablehnen.

Im Fall von CC OMN-20 wird die Verwendung von „Schonfristen“ in den OM-Code aufgenommen. Der CC ermöglicht ein Fenster von ±25 % für eine Testhäufigkeit von bis zu zwei Jahren und ±6 Monate für eine Prüfhäufigkeit von mehr als 2 Jahren. Es ist wichtig zu beachten, dass der CC noch nicht in RG 1.192 genehmigt wurde und der Lizenznehmer die Kulanzfrist nicht in den normalen Testplan integrieren darf.

Im Juli 2006 genehmigte das ASME-Code-Komitee die Abschaffung der CC-Ablaufdaten. Alle veröffentlichten CC, die nicht annulliert wurden und deren Ablaufdatum nach Juli 2006 liegt, sind nicht abgelaufen und können weiterhin verwendet werden.

Ein motorbetriebenes Ventil (MOV) ist eine Kombination aus zwei separaten Geräten. Es verfügt über eine Ventilbaugruppe, ein mechanisches Gerät zur Optimierung einer gewünschten Flüssigkeitssteuerfunktion, wie z. B. Isolierung oder Drosselung, und einen Aktuator, ein elektrisch-mechanisches Gerät, das zur Positionierung der Ventilbaugruppe von einem entfernten Standort aus verwendet wird (Abbildung 3).

Die Rohrleitungssysteme in einem typischen Kernkraftwerk umfassen Hunderte von MOVs, von denen viele sicherheitsrelevant sind, d. Um katastrophale Freisetzungen zu verhindern, sind sicherheitsrelevante Ventile erforderlich.

Eine der wichtigsten Änderungen gegenüber den herkömmlichen ISTC-Tests für MOVs ist die Verwendung von Risikoeinblicken und Diagnosetests, um die Anforderungen für die Überprüfung der Ventilpositionsanzeige nach OM-Code und die Anforderungen an die Hubzeit zu erweitern oder zu eliminieren. In vielen Fällen führt dies zu einer deutlichen Reduzierung der Belastung, basierend auf dem bekannten Zustand des MOV und des Aktuators, und nicht nur auf einem Hubzeit- und Belastungstest.

Abschnitt 1, obligatorischer Anhang III, „Vor- und Inbetriebsetzungstests von aktiven elektromotorbetriebenen Ventilbaugruppen in Leichtwasserreaktorkraftwerken“, enthält Anforderungen für die Bereitstellung einer umfassenderen Testmethode für MOVs als die im Unterabschnitt ISTC vorgesehene. Es ist erforderlich, dass der verbindliche Anhang vollständig befolgt wird, um die Einhaltung des ASME OM-Codes für die Prüfung von MOVs sicherzustellen. Im Anhang sind die allgemeinen und spezifischen Anforderungen an die Prüf- und Abnahmekriterien sowie Häufigkeiten und die Festlegung der Prüfhäufigkeiten unter Verwendung risikoinformierter Methoden aufgeführt. Der Vorteil der Implementierung von Anhang III besteht darin, dass durch den Einsatz diagnostischer Testmethoden, vorbeugender Wartungsmaßnahmen und anhaltend guter Leistung detaillierte Kenntnisse über den MOV- und Aktuatorzustand bereitgestellt werden, um die Untersuchungs-/Testintervalle auf eine signifikante Periodizität auszudehnen.

MOV-Fehler. Tagungsband zum technischen Bericht des NRC NUREG/CP-0152, Bd. 9, „Proceedings of the Twelfth NRC/ASME Symposium on Valves, Pumps, and Inservice Testing“, berichtete 2014, dass „Ausfälle von Kontakten“ zu den meisten MOV-Ausfällen über einen Zeitraum von fünf Jahren beitrugen. Zu den Kontaktausfällen zählten Drehmomentschalter, Endschalter, Schützrelais des Motor Control Centers (MCC) und Kontakte der MCC-Leistungsschalterzelle. Die am häufigsten ausgefallenen Teile waren:

■ Kontakte – 80

■ Schütz – 12

■ Sicherung – 10

■ Endschalterrotor – 10

■ Spulen – 10

■ Verkabelung – 8

■ Elektrischer Anschluss (Kabelschuh/Stecker) – 8

■ Scheibe – 7

■ Schalter – 7

■ Gänge – 7

Im OM-Code sind Mindestanforderungen für Tests und Prüfungen aufgeführt, und dem Lizenznehmer wird eine gewisse Flexibilität bei der Festlegung der Prüfungs- und Testanforderungen eingeräumt, die erforderlich sind, um die Betriebsbereitschaft des MOV sicherzustellen.

Betriebsprüfung. IST beginnt, wenn das MOV seine erforderliche Funktion erfüllen muss, und wird im vorgefundenen Zustand durchgeführt, um Änderungen im MOV-Funktionsspielraum zu bewerten, d. h. den Zuwachs, um den die verfügbare Kapazität eines MOV die für den Betrieb des MOV erforderliche Kapazität übersteigt unter Designgrundbedingungen. Vor Wartungsarbeiten sind keine As-found-Tests erforderlich, wenn für das MOV kein IST fällig ist. Wenn Wartungsarbeiten gleichzeitig mit der IST eines MOV geplant sind, muss die IST im vorgefundenen Zustand und vor der Wartungstätigkeit durchgeführt werden.

Statisch versus dynamisch. Das IST-Programm umfasst eine Mischung aus statischen und dynamischen MOV-Leistungstests und kann geändert werden, wenn dies durch eine technische Auswertung der Testdaten gerechtfertigt ist. Für bestimmte Ventiltypen (z. B. Kugel-, Küken- und Membranventile) sind bei akzeptabler Betriebserfahrung jedoch keine dynamischen MOV-Leistungstests erforderlich.

Testintervall. Das IST-Intervall gemäß Anhang III umfasst Berechnungen zur Bestimmung der MOV-Funktionsreserven, die eine mögliche leistungsbedingte Verschlechterung berücksichtigen. Obwohl sich Wartungsaktivitäten auf die IST-Intervalle auswirken können, müssen diese so eingestellt werden, dass der MOV-Funktionsspielraum nicht unter die Akzeptanzkriterien sinkt. Liegen nicht genügend Daten zur Bestimmung des IST-Intervalls gemäß Anhang III vor, muss der MOV-IST alle zwei Betankungszyklen oder alle drei Jahre, je nachdem, welcher Zeitraum länger ist, durchgeführt werden, bis ausreichende Daten von einem anwendbaren MOV oder einer MOV-Gruppe vorliegen, um einen längeren IST zu rechtfertigen Intervall. Außerdem darf das maximale IST-Intervall 10 Jahre nicht überschreiten.

Normale Trainingsanforderungen. Alle MOVs im Geltungsbereich von Anhang III müssen mindestens einmal pro Betankungszyklus (maximal 24 Monate) einen vollständigen Zyklus durchlaufen. Der Vollzyklusbetrieb aufgrund des normalen Anlagenbetriebs oder anderer Code-Anforderungen kann als Ausübung des MOV betrachtet werden, sofern dokumentiert. Auch wenn das Vollhubtraining eines MOV während des Anlagenbetriebs oder bei Kaltabschaltung nicht praktikabel ist, muss es während des Betankungsausfalls der Anlage durchgeführt werden.

Zusätzliche oder häufigere Ausübungsanforderungen für MOVs müssen in einer der folgenden Kategorien berücksichtigt werden:

■ MOVs mit hoher Risikobedeutung.

■ MOVs mit widrigen oder rauen Umgebungsbedingungen.

■ MO-Varistoren mit anormalen Eigenschaften, z. B. Betriebs-, Design- oder Wartungszustand.

Ersatz, Reparatur oder Wartung. Wenn ein MOV oder sein Steuerungssystem ausgetauscht, repariert oder einer Wartung unterzogen wird, die sich auf die Leistung des Ventils auswirken könnte, müssen neue IST-Werte ermittelt oder die zuvor festgelegten IST-Werte bestätigt werden, bevor das MOV wieder in Betrieb genommen wird. Wenn das MOV nicht außer Betrieb genommen wurde, müssen die IST-Werte sofort ermittelt oder bestätigt werden. Mit dieser Prüfung soll nachgewiesen werden, dass die Leistungsparameter, die durch Austausch, Reparatur oder Wartung beeinträchtigt werden könnten, innerhalb akzeptabler Grenzen liegen. Abweichungen zwischen den bisherigen und neuen IST-Werten sollen identifiziert und analysiert werden. Die Überprüfung, ob die neuen Werte einen akzeptablen Betrieb darstellen, muss gemäß Abschnitt III-9000, „Aufzeichnungen und Berichte“, dokumentiert werden.

Gruppierung. Dies reduziert die Kosten und den Aufwand, die mit den in Unterabschnitt ISTC festgelegten Test- und Prüfungsanforderungen verbunden sind. Die Gruppierung von MOVs muss durch eine technische Bewertung, alternative Testtechniken oder beides gerechtfertigt sein. Beispielsweise können MOVs mit identischen oder ähnlichen Motorantrieben und Ventilen und mit ähnlichen Betriebsbedingungen der Anlage auf der Grundlage der Überprüfung der Konstruktionsbasis und der Ergebnisse von Tests vor der Inbetriebnahme in Gruppen zusammengefasst werden.

Akzeptanzkriterium. Die Betriebsbereitschaft jedes MOV im Geltungsbereich von Anhang III basiert auf dem Mindestbetrag, um den die verfügbare Ausgangsleistung des Stellantriebs die Betriebsanforderungen des Ventils übersteigen muss. Beispielsweise können Schubkraft, Drehmoment oder andere gemessene technische Parameter, die mit Schub oder Drehmoment in Zusammenhang stehen, verwendet werden, um die Akzeptanzkriterien festzulegen. Wenn der gemäß Anhang III ermittelte Funktionsspielraum die Akzeptanzkriterien nicht erfüllt, wird das MOV für nicht funktionsfähig erklärt.

MOV-Code-Fälle. Die anwendbaren MOV-CCs sind OMN-1, „Alternative Regeln für Preservice- und Inservice-Tests von aktiven elektromotorisch betriebenen Ventilbaugruppen in Leichtwasserreaktorkraftwerken“ und OMN-11, „Risikoinformierte Tests für motorbetriebene Ventile“.

Mehrere Aktivitäten sind im Gange oder werden im Hinblick auf die Entwicklung evaluiert, darunter Änderungen an bestehenden ASME OM-Codes. Beispiele hierfür sind die Hinzufügung des obligatorischen Anhangs IV für luftbetriebene Ventile, ähnlich dem obligatorischen Anhang III des ISTC für MOVs; zusätzliche Anhänge für andere Arten von kraftbetriebenen Ventilen; und Erweiterung des OM-Codes über Leichtwasserreaktoren hinaus, um neue und fortschrittliche Reaktordesigns zu berücksichtigen, die entweder gebaut oder für die Designentwicklung vorgeschlagen werden, wie passive Reaktoren, Schwerwasserreaktoren, kleine modulare Reaktoren, Flüssigmetallreaktoren und Hochtemperaturreaktoren gasgekühlte Reaktoren.

In Bezug auf Reaktoren nach 2000 besteht einer der Hauptunterschiede zwischen Unterabschnitt ISTF und Unterabschnitt ISTB darin, dass in ISTB vorgesehene Problemumgehungen für neue Reaktorbauten nicht mehr zulässig sind. Beispielsweise ist der Lizenznehmer verpflichtet, Pumpen im Volldurchflusszustand gemäß dem Pumpen-/Systemdesign zu testen, um die Kriterien des ASME OM-Codes zu erfüllen. Das ISTF hat außerdem die Pumpenprüfzulagen für die Prüfung des „minimalen Umwälzdurchflusses“ abgeschafft.

Der ASME OM-Code muss bei der Entwicklung und dem Design dieser neuen Reaktortypen einen Schritt voraus sein, um sicherzustellen, dass die Testmethoden, Anforderungen und die Häufigkeit von Tests/Prüfungen alle berücksichtigt werden, um eine gründliche, kostengünstige Methode zur Erkennung und Überwachung von OM bereitzustellen Verschlechterung der Codekomponente. ■

–James M. Hylko ([email protected]) ist auf Sicherheits-, Qualitäts- und Notfallmanagementfragen spezialisiert und schreibt regelmäßig Beiträge für POWER, und Ronald C. Lippy ([email protected]) ist Senior Manager Engineering Programs bei True North Consulting in Montrose, Colorado, Vorsitzender des ASME OM Standards Committee und ehemaliger Vorsitzender der ASME New Reactors OM Committee Task Group. Die in diesem Artikel geäußerten Meinungen und Inhalte sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die von ASME wider.

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