EXAMENSARBETE INOM MASKINTEKNIK,
Industriell ekonomi och produktion, högskoleingenjör 15 hp SÖDERTÄLJE, SVERIGE 2021
Utökad användning av termografering för en förstärkt driftklarhetsverifiering
Fekria Bouchta Anoara Chowdhury
SKOLAN FÖR INDUSTRIELL TEKNIK OCH MANAGEMENT INSTITUTIONEN FÖR HÅLLBAR PRODUKTIONSUTVECKLING
Utökad användning av termografering för en förstärkt driftklarhetsverifiering
av
Fekria Bouchta
Anoara Chowdhury
1
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2022:25 KTH Industriell teknik och management
Hållbar produktionsutveckling Kvarnbergagatan 12, 151 81 Södertälje
2
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2022:25
Utökad användning av termografering för en förstärkt driftklarhetsverifiering
Fekria Bouchta Anoara Chowdhury
Godkänt
2022-02-14
Examinator KTH
Claes Hansson
Handledare KTH
Jafar Mahmoudi
Uppdragsgivare
Vattenfall Ringhals AB
Företagskontakt/handledare
Josef Sumegi
Sammanfattning
Vattenfall AB är ett europeiskt energiföretag som strävar efter att bli fossilfria och investerar i att öka andelen energiproduktion med låg koldioxidutsläpp. Företaget äger kärnkraftverk i Ringhals där de producerar stora mängder fossilfri el. I Ringhals har termografering används på den elektriska avdelningen som en metod för att undersöka temperaturökningar i bland annat kablar, kretsar, kopplingar osv. Då denna metod har visat sig vara effektiv för att förebygga fel. Vill man nu utöka användningsområdena och möjligtvis använda termografering inom den mekaniska avdelningen. Främst för de system som liknar sprinklersystemet 322, vilket är ett säkerhetssystem som aktiveras först vid större rörbrott i inneslutningen på huvudsystemet till reaktorn.
Målet med detta examensarbete är att undersöka ifall termografering är en bra investeringsmetod som kan användas vid bedömningen av ett säkerhetssystems driftklarhet och bidra till ökad säkerhet vid användning av kärnkraft. För att utföra detta arbete genomfördes en litteraturstudie, intervjuer samt studiebesök där med hjälp av värmekameran observerades värmemönster.
Faktorer som har identifierats är brist på underlag av datainsamlingar i form av ronder med värmekameran för att hitta sambandet på hur temperaturskillnaden i
komponenterna påverkar systemet. Samt ett system som samlar in all data och hittar potentiella avvikelser. Ett antal förbättringsförslag har givits efter projektets gång för att kunna effektivisera användningen av termografering inom säkerhetsbedömning.
Nyckelord
Infraröd, termografi, sprinklersystem, säkerhet, underhåll, huvudkomponenter.
3
4
Bachelor of Science Thesis TRITA-ITM-EX 2022:25
Extended use of thermography for enhanced operational readiness
verification Fekria Bouchta Anoara Chowdhury
Approved
2022-02-14
Examiner KTH
Claes Hansson
Supervisor KTH
Jafar Mahmodi
Commissioner
Vattenfall Ringhals AB
Contact person at company
Josef Sumegi Abstract
Vattenfall AB is a European energy company that strives to become fossil-free and invests in energy production with low carbon dioxide emissions. The company owns nuclear power plants in Ringhals where they produce large amounts of fossil-free electricity. In Ringhals,
thermography has been used in the electrical department as a method for examining temperature increases in, among other things, cables, circuits, connections, etc. Since this method has proven to be effective in preventing errors. They now want to expand the areas of use and the possibly to use thermography in the mechanical department. Mainly for the systems similar to the sprinkler system 322, which is a safety system that is activated only in the event of major pipe breaks in the enclosure on the main system to the reactor.
The aim of this thesis is to investigate whether thermography is a good investment method which can be used in the assessment of a safety system's operational readiness and contribute to increased safety when using nuclear power. To carry out this work, a literature study, interviews, and study visits were carried out where heat patterns were observed with the help of the thermal imager.
Factors that have been identified are the lack of data collection and data in the form of rounds with the thermal imager to find the connection on how the temperature difference in the components affects the system. As well as a system that collects all data and finds potential discrepancies. A number of improvement proposals have been given after the project has progressed in order to be able to streamline the use of thermography in safety assessment.
Keywords
Infrared, thermography, sprinkler system, safety, maintenance, main components.
5
6 Förord
Vi vill först rikta ett stort tack till vår handledare Josef Sumegi på Vattenfall Ringhals AB som bidragit med vägledning och uppmuntran när det har sett mörkt ut, samt för stödet för utformningen av rapporten. Vi vill även tacka Peter Kristiansson och Freddie Nylund (underhållsingenjörer) för all den tid de har bidragit för att hjälpa oss med projektet. Tack vare er fick vi en bättre förståelse om vad termografering är och vilken riktning vi skulle ta för att forma examensarbetet på bästa sätt.
Vi vill även tacka Jafar Mahmodi som var vår handledare på Kungliga Tekniska Högskolan för all hjälp och rådgivning under projektets gång.
Till sist vill vi tacka Nora Bouchta som givit stort stöd och motivation under examensarbetets gång. Samt alla som varit delaktiga och gjort detta möjligt.
Stockholm, 2021-11-15
Fekria Bouchta och Anoara Chowdhury
7
8 Ordlista
System 322 = Sprinklersystem för reaktorinneslutning RWST = Borvattentanken
Driftklarhetsverifiering = Ger verifiering om att system är driftklar och säker att använda.
Trendning = Datainsamling där man finner samband och avvikelser.
9
10
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problemformulering ... 2
1.3 Målformulering ... 2
1.4 Avgränsning ... 2
2 Metod... 4
2.1 Litteraturstudier ... 4
2.2 Datainsamling ... 4
2.3 Fältstudier ... 4
2.4 Kvalitativ undersökning ... 4
3 Teori... 6
3.1 Termografering... 6
3.1.1 Fördelar med användning av värmekameror: ... 7
3.1.2 Nackdelar med användning av värmekamera ...8
3.2 Användningsområden ...8
3.3 Vibrationsmätning ... 9
3.4 Hur fungerar kärnkraftverk ... 10
3.5 Sprinkelsystem ... 10
3.6 Sprinkelsystem vid drift ... 11
3.7 Elmotor ... 12
3.8 Pump ... 13
3.8.1 Sprej pump i Ringhals... 14
3.9 Axelkopplingar ... 14
3.9.1 Val av axelkopplingar för pumpar ... 14
3.9.2 Uppriktningsfel ... 15
4 Genomförande ... 17
4.1 Nuläget... 17
4.2 Provkörning ... 19
5 Resultat ... 21
5.1 Exempel på avvikelser som kan visas med termografering ...26
6 Slutsats ... 28
6.1 Rekommenderat fortsatt arbete ...29
7 Källhänvisning ...32
11
1
1 Inledning
Inledningsavsnittet behandlar bakgrund, problem- och målformulering samt projektets avgränsningar.
1.1
Bakgrund
Vattenfall är ett europeiskt energiföretag som strävar efter att bli fossilfria. Vattenfall investerar i att öka andelen energiproduktion med låg koldioxidutsläpp. I Sverige har Vattenfall två kärnkraftverks anläggningar den ena i Ringhals med fyra reaktorer var av de två äldsta reaktorerna har lagts ned sedan 2019 samt i Forsmark med tre aktiva reaktorer. Kärnkraften utgör en stor del av Sveriges elproduktion då det stod för 30% av elproduktionen år 2020. [1]
För den pågående energiomställningen till fossilfri elproduktion spelar kärnkraftverken en viktig roll då de producerar en stor mängd el med låg koldioxidutsläpp samt att det är en klimatneutral och kostnadseffektiv energikälla.
Synen på användning av kärnkraft har alltid varit ifrågasatt, största anledningen till detta är olyckan i både Chernobyl år 1986 och Fukushima år 2011. I båda fallen uppstod komplikationer och haveri som resulterade i härdsmälta samt en explosion. Vilket spred radioaktiva ämnen i luft och vatten som sedan resulterade i ett förhöjt
radioaktivitetshalt främst vid Chernobyl olyckan som påverkade större delar av Europa.
Därav anser många att kärnkraft är en osäker energikälla med höga risker. [2] [3]
Vattenfall strävar efter att ständigt förbättra och höja säkerheten på sina kärnkraftverk.
Eftersom Vattenfall äger en majoritet av kärnkraft i Nordeuropa har säkerheten en stor betydelse för företaget. Genom att ha investerat under en tio års period på att
modernisera sina anläggningar i Sverige har säkerheten höjts och man strävar ständigt efter att utvecklas och förebygga framtida olyckor samt kunna fortsätta använda
kärnkraft som en energikälla. [1]
2 1.2 Problemformulering
Termografering är en känd metod som används inom ett flertal områden, mestadels vid tillståndskontroll av främst el-utrustningar. Termografering som metod förväntas kunna användas inom andra områden för att tidigt detektera begynnande avvikelser från det normala, vilket på sikt skulle förhindra att haveri och kostsamma underhåll uppstår.
1.3 Målformulering
Målet med detta arbete är undersöka ifall Vattenfall AB i Ringhals potentiellt ska investera i användning av termografering för driftklarhetverifiering. Alternativt se om det kan tillämpas tillsammans med andra mätmetoden som exempelvis
vibrationsmätning. Syftet är att framföra ifall termografering är ett bra
investeringsalternativ. Undersökningen har bestått utav totalt 10 veckor inklusive fyra veckors fältstudie i Ringhals kärnkraftverk. Där system som efterliknar sprinkelsystem 322 sågs över med termografering för att kunna få fram förbättringsförslag på hur Vattenfall i Ringhals kan använda sig utav termografering på bästa möjliga sätt.
1.4 Avgränsning
• Undersöka system allmänt som har liknande uppbyggnad som system 322.
• Huvudkomponenterna (pumpen, axelkopplingar och elmotorn) kommer ses över med värmekamera.
• Andra system som påverkar huvudkomponenterna kommer inte ses över utan fokuset kommer ligga på de potentiella avvikelser som kan uppstå i det
efterliknande systemet som valts.
• Arbetet kommer endast att baseras på anläggningen i Ringhals.
• Enbart förslag på förbättringar samt användningsområden där termografering anses vara en lämplig investering.
3
4
2 Metod
I följande avsnitt redogörs hur examensarbetet utförts. Här beskrivs även vilka metoder/verktyg som används och varför det var gynnande för detta arbete.
2.1
Litteraturstudier
För att få en tydligare bild av det tilldelade uppdraget gjordes litteraturstudier. Med den information som framtagits gavs en bättre uppfattning om vad termografering innebär både praktiskt och teoretiskt. Sprinkelsystemets funktion, sambanden mellan
involverade komponenter. Men även vilket syfte varje enskild komponent har för ett fungerande system.
2.2
Datainsamling
Med hjälp av den information som givits av datainsamlingen som gjordes. Gav det en tydlig överblick över nuläget, analysen samt förstudier som behövdes för en djupare förståelse av arbetet.
2.3
Fältstudier
Fyra veckors fältstudie har genomförts för att få en klar bild på hur värmekameror kan användas praktiskt för sprinkelsystemet samt se hur Vattenfall AB i Ringhals kan
investera i termografering för att ytterligare höja säkerheten för driftklarhetsverifiering.
2.4
Kvalitativ undersökning
För att få en uppfattning om komponenternas funktion genomfördes
informationspresentationer av underhållsingenjörer från bland annat el- och mekaniska-avdelningen. Med den information som presenterades gavs en tydlig
förståelse om komponenternas funktion och vad man behöver ha i åtanke vid utförande.
Främst vid användning av termografering då det finns många faktorer som påverkar resultatet. Samt användes företagets interna databas för att finna relevant information och data från tidigare projekt som ansågs ha betydelse för arbetet.
5
6
3 Teori
I detta avsnitt behandlas teorin bakom examensarbetet. Bland annat fås en överblick över vad termografering är, hur kärnkraftverk och sprinkelsystemet fungerar samt det valda systemets huvudkomponenter.
3.1
Termografering
Termografering är en metod som används för att se temperaturändringar inom ett visst område eller objekt. Detta görs genom att använda en så kallad värmekamera som i sin tur mäter temperaturen i en viss punkt med hjälp av infraröd detektor.
Mätobjektet/området utstrålar infraröd energi som baseras på temperaturen vid
objektet/området. Högre temperatur utger en större mängd infraröd energi till skillnad från sin starttemperatur. Värmekameran omvandlar värdena som uppfattats av den infraröd detektorn till färger och ger en värmebild på objektet/områdets yta. Detta ger möjligheten att även upptäcka den minsta temperaturskillnaden på ytan som i sin tur kan vara ett tecken på en avvikelse från det normala. Med termografering är det viktigt att förstå att man endast kan mäta yttemperaturen på ett visst objekt/område och inte igenom mätningsobjektet.
Termografering är viktigt för ett förutsägbart program vilket reducerar analytiska fel, bidrar till minskat driftsstopp på maskiner samt värmeförlust. Temperaturen och värmebeteendet i maskiner, kraft generatorer, annan utrustning, kontrollsystem samt material är kritiska för val av underhåll. Genom att studera värmemönster och analysera temperaturskillnaden bidrar detta till ett lyckat anläggningsunderhåll. En infraröd termograf kan karakterisera värmebeteendet av en normalt funktionell maskin och
7
identifiera beteenden som kan kopplas till potentiella fel. Kvalitative termografering är att hitta avvikelser genom beteende analys.
Termografi är klassad som bildteknik. Som upptäcker, lagrar, skickar, analyserar och sedan visar resultatet i form av en bild. Mätningar av objekt eller yta sker genom orientering, perspektiv, djup fokus, synfält och upplösning. Mätning av intensitet eller kontrast är relaterad till en pixel eller en uppsättning av pixlar samt ytterligare
beräkningshårdvara och programvara. För att termografering ska vara en föredragen temperaturmätare beror det på material, ytförhållande, miljö och temperatur. Och att det enkelt ska kunna härledas och repeteras och inte visa felaktiga resultat. För
upptäcka temperaturskillnader på exempelvis elektrisk utrustning krävs det berörfri temperaturmätning med hjälp av värmekamera för att få en bra syn på
temperaturfördelning. Med berörfri temperaturmätning menar man att det endast används en bärbar värmekamera som används på utrustningen med viss distans från mätobjektet. Medan i motorer eller andra utrustningar kan man bäst mäta
temperaturen genom kontaktbara värmekameror. Det vill säga värmekamerorna är fäst vid bestämda områden, främst används denna typ vid mätning av roterande
komponenter då det är svåråtkomligt med vanliga bärbara värmekameror.
Temperaturmätning med värmekameran är en tvåstegsmetod för att ge ett utförligt resultat. Första steget är subtraktion av bakgrundsreflekterad energi som är lämplig för ytreflektions förmågan och omgivningen. Denna energi bedöms av termografens
erfarenhet kring bakgrundsreflektion. Det andra steget är att korrigera signalen för material och ytegenskaper. Det kan förekomma problem då endast en liten
yttemperaturs ökning sker för termografer att kunna identifiera. [4]
3.1.1 Fördelar med användning av värmekameror:
• Termiska bilden visar var mätningen ska göras. (max, min, genomsnitt)
• Värmekameran är inte påträngande och påverkar inte ytan och dess temperatur.
• Den är fjärrstyrd, vilket gör det möjligt för tekniker att hålla avstånd.
• Den är snabb och enbart begränsad av kameraprocessorn och skärmen.
• Den mäter målytan och inte omgivande luften.
• Den kan upptäcka störningar i strålningsenergiöverföring orsakad av ovanliga mängder av oönskade gaser.
8
• Den kan fjärrdetektera strålningsmål över ett brett synfält och på avstånd under osynliga förhållanden.
3.1.2 Nackdelar med användning av värmekamera
• När endast ytan detekteras och problemet ligger långt under ytan blir det svårt att uppskatta temperatur
• Målet måste vara i direkt siktlinje. Skärmning och paneler måste tas bort.
• Miljöfaktorer som damm, dimma eller rök kan hindra upptäckt eller mätning.
• Utrustningen eller yttemperaturen kan förändras snabbare än instrumentets respons tid.
• Målet kan vara för litet eller på för stort avstånd för detektering eller mätning.
• När det gäller blanka metallytor är vissa material inte effektiva för att konvertera ytan temperatur till strålningsenergi.
3.2
Användningsområden
Termografering används i dagsläget inom det elektriska områden eftersom det är snabbt och enkelt att applicera och kan identifiera problem långt innan det uppstår.
Användning av termografering inom det mekaniska området är mer varierad och kräver mer specifika applikationer då man har fler faktorer att ta hänsyn till som exempelvis roterade utrustning, värmemaskiner, ångsystem, ugnar och processrör.
Det finns andra metoder förutom termografering för att upptäcka exempelvis motorfel i tidigt stadie. Men med temperatursfördelning och värmemönster kan man upptäcka unika problem som annars hade varit svårt att diagnostisera. Termografering kan
användas som underhållsverktyg för att upptäcka fel inom el/instrument och mekaniska områden. [5]
9 De fel som oftast upptäcks i el/instrument:
• Dåliga kontakter
• Lösa/felaktiga kontakter
• Onormal temperatur på transformatorer
• Dåliga brytare
• Felaktiga säkringar
De fel som kan uppstå i mekaniska komponenter:
• Felaktigt uppriktade roterande utrustning
• Höga temperatur i olja
• Söndriga/felaktiga ventiler
• Felaktiga tätningar
• Olja och gas läckage
3.3
Vibrationsmätning
Vibrationsmätning utförs för att mäta förändring i baslinjevibrationsmönster på
maskinkomponenter. Genom att utföra regelbundna vibrationsmätningar som en del av underhållsarbete minskas andelen maskinfel samt kostsamma reparationer. Med ett vibrationsavkännande verktyg kan man kontrollera växellådor, pumpar, fläktar osv. I form av en vibrationsanalys kan de inre och yttre skadorna upptäckas dock kan det bli utmanande att identifiera orsaken till de yttre skadorna då det oftast utförs av erfarna underhållstekniker som kan komponenterna utantill. [6]
En viktig del av vibrationsanalys är att ha underlag på maskinkomponenternas vibrationsnivå och följa deras utveckling i form av trendningar dvs. mätdata från tidigare mätningar för att lättare kunna jämföra och se ifall maskinens nya vibrationsnivå nått en högre vibrationstopp till skillnad från tidigare mätningar.
Vanligaste felen som kan upptäckas med hjälp av vibrationsmätning är exempelvis obalans och uppriktningsfel. Obalans är när vibrationsfrekvensen skiljer sig i både radiell och axiell riktning som indikerar antigen böjd axel eller feluppriktning.
Uppriktningsfel i axelkopplingar bidrar till minskad livslängd på grund av bland annat slitage i lager och sprickbildning. Vibrationsmätare fångar upp uppriktningsfel i form av
10
markanta vibrationstoppar. Defekt som visas i axiell riktning kan indikera vinkelfel och i radiell riktning indikerar parallell fel. [7]
3.4
Hur fungerar kärnkraftverk
Elproduktionen i ett kärnkraftverk fungerar genom att det bildas värme i reaktorn genom en fission kedjereaktion där uran atomer klyvs. Värmen som bildas i denna process värmer upp vattnet som finns i reaktorn vilket resulterar i att vattenånga bildas.
Ångan och värmen som bildats förs vidare till en turbin som mekaniskt omvandlar värmeenergin till rörelseenergi. Därefter vidare till en generator som omvandlar rörelseenergi till ren elektrisk energi. Med hjälp av havsvatten kyls vattenångan från turbinen ned och omvandlas tillbaka till vatten i kondensor som sedan pumpas tillbaka till reaktortanken.
Figur 1 Källa:https://www.vattenfall.fi/sv/elavtal/energikallor/karnkraft/
3.5
Sprinkelsystem
Sprinkelsystemet även kallat Containment Spray är ett sprinkelsystem för
reaktorinneslutning. Systemets huvuduppgift är att ingripa som en ”back up” och mildra konsekvenser som kan uppstå vid större rörbrott i inneslutningen på huvudsystemet eller ångledningarna. Då systemet är automatisk aktiveras den vid högt tryck i
inneslutningen (2.1 bar ö)
Vid större rörbrott i inneslutningen släpps större mängder av ånga och energi ut. Som gör att trycket i rören/ledningarna stiger vilket kan leda till sprickbildning eller att inneslutningen går sönder. Detta kan lindras genom att sprinkelsystemet aktiveras samt sprinklar kall vatten som kondenserar ångan som i sin tur gör att trycket sjunker. Med
11
hjälp av sprinkelsystemet kan man även ”tvätta” bort stora mängder av radioaktiv jod som kan komma ut i inneslutningen vid brott i huvudsystemet.
Bortsett från att ingripa som ”back up” har systemet även som uppgift att fungera som lågtrycksinsprutning i vissa drifttillstånd. Vid avställd reaktor är restvärmesystemet inkopplat med sprinkelsystemet för nödkylning av reaktor vid låga tryck. I bilden nedanför fås en överblick över systemets uppbyggnad.
Figur 2 Källa:Vattenfall Ringhals sprinkelsystem
3.6
Sprinkelsystem vid drift
När sprinkelsystemet aktiveras startas även fyra pumpar som har till uppgift att suga vattnet från borvattentanken (RWST). Sedan förs vattnet vidare igenom värmeväxlarna (inte i drift då vattnet från borvattentanken redan är kallt och kylningsbehovet inte finns) som i sin tur leder vattnet vidare till inneslutningen där vattnet pumpas in och når stigarledningar som sträcker sig från botten av inneslutningen ända upp till toppen där vattnet sedan fördelas ut till sprinklingsdysor.
I vissa fall vid haveri behöver man att sprinkelsystemet körs under en längre period. För att man ska kunna göra det krävs det att man får in vatten i systemet då vattnet som tas från borvattentanken tar slut efter en viss tid. Därför utför man något som kallas för
”recirkulationsdrift” vilket innebär att operatörerna drift lägger systemet att ta vatten från inneslutningspumpen. Vattnet som då tas är det vattnen man tidigare insprutat samt kondenserad ånga som samlats i inneslutningspumpen. [8]
12 3.7
Elmotor
En elmotors uppbyggnad består huvudsakligen av en strator samt en roterande rotor som med hjälp av rotationsrörelser omvandlar elektrisk energi till kinetisk energi. Det finns flera olika typer av elmotorer. Exempel på två typer av elmotorer är: synkron-, asynkronmotorer därav kan även utseendet på stratorn och rotorn skilja sig. Elmotorn fungerar genom att stratorn med hjälp av den tillförda elektriciteten bildar ett
magnetfält som i sin tur inverkar på rotorns lindningar vilket medför att ett magnetfält även bildas kring rotorn. De två kraftfälten som bildats samverkar med varandra och resulterar i att en roterande rörelse uppstår i rotorn samt den motoraxel rotorn är kopplad till.
Både rotorn samt stratorn har isolerande ledningar kring sig som är placerade olika beroende på vilken typ av elmotor man använder. Det som skiljer placeringen är att ledningarna antingen ligger löpnade spår i kärnan alternativt att ledningarna består av spolar lindade kring poler. Ledningarna som används är antingen av aluminium eller koppar. Dessa ledningar har tre olika former, trådar, band eller stavar beroende på vilken typ av elmotor man används. [9]
Figur 3Källa: https://grabcad.com/library/centrifugal-pump-36
13 3.8
Pump
En pump används vid behov av vätsketransport och det finns flera typer av pumpar exempelvis centrifugal pump, förträngningspump och vätskeringspump. I det valda systemet används centrifugalpumpen som är utformad till att förflytta vätska med hjälp av rotationsenergi från ett eller flera skovelförsedda pumphjul vilket roterar i ett
pumphus. Dessa pumphjul är en viktig komponent i centrifugal pumpen. Vätskan förs in till de roterande pumphjulen längs axeln och kastas ut av centrifugalkraft längs hjulets omkrets och dess spetsar. Med pumphjulet ökas vätskans hastighet och tryck som riktas ut mot pumputloppet. Pumphuset är utformad för att tömma vätskan som förs in genom pumpens inlopp och leda vätskan in i pumphjulet och sedan styra vätskan ut genom utloppet.
Vätskan kommer i in pumphjulet vid dess axel och sedan kommer ut längs omkretsen mellan skovlarna. Pumphjulet på motsatt sida vid drivaxeln är ansluten till en motor och rotationen på hjulet brukar ligga runt 500–5000 rpm. Pumphjulets rotationsrörelse accelererar vätskan ut genom skovlarna in i pumphuset. [10]
Figur 4
Källa: https://grabcad.com/library/centrifugal-pump-36
14 3.8.1 Sprej pump i Ringhals
Pumpen består av hölje och en avtagbar enhet som består av sugmunsstycke, diffusor, pumphjul, tömningshölje med axeltätning, lager och axel.
I systemet är det fyra identiska enhjuliga dubbelsugande centrifugalpumpar av instickstyp. Pumparna är tillverkade av autentiskt rostfritt stål eller
korrosionsbeständigt material. Axeln är lagrade med båda ändarna av oljesmorda rullkroppslager. Pumparna är försedda med en roterande plantätning för att förhindra läckage utefter axeln, vilket övervakas med hjälp av droppglas. [11]
3.9
Axelkopplingar
Axelkopplingar i pumpar har som funktionen att anknyta pumpaxeln med
drivmotoraxeln och sedan överföra vridmomentet från den drivande maskinens axel till pumpaxeln. Axelkopplingar har flera egenskaper och funktioner men det allmänna syftet är att överföra vridmomentet mellan två i linje liggande roterande axlar.
Vridmomentet ska vara lika stora i axlarna med det kan förekomma varvtalsskillnad vid slirning eller hel utkoppling. Kopplingens enklaste uppgift är att sammanfogad med axeln men det är även att förbinda två axlar som i sig inte ligger i en perfekt linje med varandra. Sådana fel kan återgärdas med kopplingen.
Kopplingens olika funktioner och egenskaper kan delas upp i tre huvudgrupper; Icke urkopplingsbara-, urkopplingsbara- och vridmomentsbegränsade kopplingar. [12]
Figur 5 Källa: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:511670/FULLTEXT01.pdf
3.9.1 Val av axelkopplingar för pumpar
För vertikala pumpar: Drivmotorn monteras på pumpen med flänsförband. Vilket påverkar axlarnas position som bestäms av styrspår i flänsarna och
15
tillverkningsnoggrannheten styrs av axlarnas uppriktningsförhållande. För dessa pumpar används ofta styva axelkopplingar.
För horisontella pumpar: Det är viktigt att motoraxeln och pumpaxeln riktas till en lämplig tolerans och har en flexibel axelkoppling. Den flexibla kopplingen överför drivmomentet från drivmotorn till pumpens axel med en tolerans för vinkelfel och parallell fel. [12]
3.9.2 Uppriktningsfel
Uppriktningsfel kan ske antigen innan uppstart så det har skett en bristfällig
uppriktning eller när maskinen rör sig under drift. Felet är beroende på varvtal och ju högre varvtal maskinen har desto begränsad är toleransen. Maskinen är menat att röra sig under drift på grund av termisk expansion. Det finns tre slags uppriktningsfel som kan förekomma; vid radiell-, axiell, och vinkelförskjutning av axlarna.
Axelkopplingars konstruktion är till för att kunna belastas med ett vridande moment. I särskilda fall kan en koppling belastas både med en böj moment samt axiella och
radiella krafter. Denna typ av belastning bör undvikas för vissa typer av kopplingar med när det kommer till fasta axelkopplingar brukar det inte leda till problem. Fasta
kopplingar ansluter två axlar med varandra som gör att systemet blir fastare än med enbart en axel dock är det viktigt att vid användning ska uppritningen vara centrerad.
Viktiga regler för kopplingar:
Kopplingar ska placeras med ett lager på varsin sida samt att komponenten inte får utsättas för böjande moment. För att minska slitage på den drivna axeln ska
manöverdon så som släpringar eller kopplingshylsor sitta på axeln. [12]
16
17
4 Genomförande
I detta avsnitt presenteras genomförandet vad gällande fältstudier som gjorts på Ringhals. Vilket bestod av nulägesanalys, intervjuer samt testning av värmekamera som gjorts tillsammans med underhållsingenjörer.
Under de fyra veckor som spenderades på Ringhals utfördes först en förundersökning på nuläget kring vilka mätmetoder Vattenfall AB använder sig utav samt hur testning av system som efterliknar sprinkelsystem 322 utförs. Eftersom detta projekt undersöker ifall termografering är ett bra investeringsalternativ, fanns inga tidigare data/underlag på metoden. Därav utfördes ytterligare en fältstudie där vi tillsammans med
underhållsingenjörer gick runt med värmekamera kring system som efterliknar 322 för att se ifall man kan se värmeutvecklingen och potentiella avvikelser. Samt samla
underlag kring hur värmebilderna kan se ut för att sedan komma fram till förbättringsförslag. (Värmebilderna presenteras i avsnitt 5 Resultat)
4.1 Nuläget
Idag används vibrationsmätning i samband med provkörning av pumparna för att bättre kunna bedöma om pumpen har förutsättning att fungera under kravställdtid.
Detta utförs av driftpersonal i form av ronder men vid behov kan kompletterande
mätningar utföras av Ringhals ”vibrationsgrupp”. Denna grupp har till uppgift att utföra kompletterande mätningar och övervaka insamlade mätvärden i
vibrationsanalyssverktyget. Bilderna nedanför visar en ritning samt en verkligbild på punkterna där vibrationsmätningar görs, genom att man kopplar in mätinstrumentet i de röda punkterna.
Figur 6 Figur 7 Intern dokument: 1892424
18
Insamling av mätvärden vid vibrationsmätning möjliggör efterföljande analys som en underhållsingenjör nyttjar för att kunna fatta beslut om objektets driftklarhet och underhållsbehov. Fördelen med vibrationsmätning är möjligheten att upptäcka avvikelser i tidigt stadie för att i sin tur kunna genomföra proaktiva och planerbara åtgärder. Nackdelen med vibrationsmätning är behovet av kontinuerlig insamling av data för att möjliggöra trendning. Vilket är grunden till att kunna prediktera
underhållsbehovet som även medför ett relativt resurskrävande systematisk insamling av mätvärden. Ett mätinterval avgörs från objekt till objekt och därav ser dessa olika ut samt att flera parametrar avgör vilket interval som är lämpligast. Dock bör detta spegla objektets kritikalitet samt dess sannolikhet för fel.
I dagsläget används termografering mestadels inom det elektriska området främst inom ställverk, turbinsträng, transformatorer samt walkdowns. Vid ställverk kontrolleras avvikande temperaturer på komponenter och vid turbinsträng ses värmeutvecklingen på sköldrarna och på transformatorer kontrolleras olje temperaturen. Vid walksdowns kontrollerar man med värmekameran alla kablar och kabelväggar samt varma områden som ligger i närheten. Data samlas i form av rapporter för man i framtida bruk ska ha något att referera till ifall någon avvikelse i form av temperatur höjning skulle ske. Vad gällande termografering på mekaniska sidan så används metoden främst vid kontroll innan revisionsstart samt snabbkontroll runt anläggningen vid misstänkta
temperatursökningar. [13]
19 4.2 Provkörning
Vid normaldrift används inte sprinkelsystemet aktivt utan endast vid haveri i
reaktorinneslutningen där systemet ska klara av att vara i drift i 180 dagar sträck utan att behöva underhåll. I nuläget sker regelbunda provkörningar varje kvartal i kortare flöden i ungefär 5-10 minuter för att kontrollera att system är driftklart. Under provkörningstiden utförs även vibrationsmätningar kring bestämda punkter.
Figur 8 Figur 9
Källa: Intern dokument: 1892424
Ovanför visas bilder på hur det kan se ut efter provkörning av pumpflödet för sprinklingpump. I diagramet visas det tydligt att mätvärdena bör ligga inom det
godkända området och inte överstiga gränsen för omedelbaråtgärd. I figur A kan man se att mätvärdena inte överstiger åtgärdsnivå samt att mätningarna inte är spridda och ligger kring samma område. Medan i figur B kan man se att vissa mätvärdena ligger på gränsen alternativt utanför det godkända området. Men även att mätvärderna är utspritt jämfört med figur A. Skillnaden på dessa två pumpar kan bero på att pumpen i figur B utger ett högre pumpflöde än pumpen i figur A. Detta kan vara orsaken till att mätningnarna inte är lika jämt fördelade som i figur A. De mätvärdena som har hamnat utanför gränsen på åtgärdsnivån behöver inte betyda att det krävs omedelbar åtgärd då det ligger precis vid gränsen. Dock innebär det att man behöver ha uppsikt och
följa/analysera orsaken. Alternativt utföra en ny provkörning för att se ifall de avikande värderna var en slump eller om det faktiskt är en avikelse. Problemet är att dessa korta provkörningar inte ensamt kan säkerställa att systemet kommer att fungerar i 180 dagar sträck. Därför behövs en metod som kan prediktera möjliga avvikelser under drift och haverimiljö. [14]
20
21
5 Resultat
I följande avsnitt presenteras resultatet av genomförandet med avseende på termograferings bilder samt analys på hur avvikelser kan se ut på bild.
Syftet med genomförandet är att visuellt se hur bilderna i värmekameran fångar upp temperaturskillnaden samt värmefördelningen i de valda huvudkomponenterna (axelkopplingar, elmotor och pump). Då det är en dyr investering att införskaffa värmekameror för det mekaniska området behövdes underlag som kunde stärka användningen av värmekameror specifikt för system som efterliknar 322. Därav togs bilder med värmekameran FLIR T540 som i dagsläget endast används inom el-området.
Nedanför visas ett antal bilder som visar resultatet på hur det kan se ut när man använder termografering. Temperaturskalan som valts att använda ligger mellan 25–
60C.
Figur 10 Figur 11
Bilden ovanför visar en axelkoppling:
I figur 11 ser man tydligt att axelkopplingen täcks av någon form utav kåpa som fungerar både som värmeskydd och skydd ifall någon del av den roterande komponenten skulle åka av. I figur 10 ser man att med värmeskyddet på kan man inte få tydlig bild på
värmefördelningen utan det ser ”kallt” ut i form av lila färg då kåpan blockerar. Här kan man se att värmekameran inte fångar upp den verkliga värmefördelningen under kåpan, alltså behöver man kolla underifrån. För att göra detta effektivt kan en värmekamera fästas under kåpan så att tekniker slipper komma för när den roterande axeln, som kan vara en arbetsmiljörisk.
22
Figur 12 Figur 13
Figur 14 Figur 15
Bilderna ovanför visar axelkoppling & del av pump och motor:
Figur 13 och 15 är bilder på två likadana uppsättningar. Värmefördelningen på båda systemuppsättningarna var relativt lika, det man kan se är att det är som varmast kring änden av pumpen då man ser att det är en ljusare nyans av gul. Även här har
axelkopplingarna en form av värmeskydd som gör det svårt att se den exakta
värmefördelningen kring axeln. Även här stöter man på samma ”problem” som tidigare bild visar (figur 10) Där kåpan döljer den verkliga värmefördelningen.
23
Figur 16 Figur 17
Bilden ovanför visar undersida av axelkoppling:
I figur 17 visas en del av undersidan av kåpan där den roterande axelkopplingen är synlig. Det var svårare att få en bra bild och underhållsingenjörer fick böja sig under kåpan för att få en relativt bra bild. Detta bör undvikas eftersom det finns en stor säkerhetsrisk. Just därför bör det även här finnas en fast värmekamera.
Värmebilden i figur 16 visar värmefördelningen på en del av axelkopplingen. För att för att kunna tolka värmefördelningen på bästa sätt krävs en tydligare bild som har med hela ytan och inte bara en liten del.
Figur 18 Figur 19
Bilden ovanför visar motorn:
I figur 18 och 19 visas en närmre bild på elmotorer dess värmefördelning. Även här ser man att änden av motorn som är kopplad till axeln är varmast då det är där
värmebildning sker på grund av den roterande axeln.
24
Figur 20 Figur 21
Figur 22 Figur 23
Bilden ovanför visar två Pumpar:
I figur 21 och 23 visas två uppsättningar av likadana pumpar. I figur 21 finns en liten lapp som visar att det finns en avvikelse på pumpen specifikt den del som är kopplad till axelkopplingen. Vilket även visas i figur 20 då man kan se på det markerade området att temperaturen ligger på den högre delen av värmeskalan jämfört med figur 22 som inte har en avvikelselapp.
Dessa bilder stärker investeringsfrågan gällande ifall termografering kan visa avvikelser genom värmefördelningen. Då figur 20 har en avvikelse som tydligt visas genom en värmeutveckling.
25
Figur 24 Figur 25
Bilden ovanför Systemets valda huvudkomponenter:
Figur 25 visar en helhetsbild på den del av systemet vars komponenter valts att ha som fokus under arbetet. Figur 24 visar värmefördelningen i sin helhet. På värmebilden ser man tydligt att det är som mest varmt vid axelkopplingens ändar. Även här ser man att värmekameran fångar upp värmeutvecklingen som man på sikt kan följa som tekniker för att undvika potentiella avvikelser.
26
5.1
Exempel på avvikelser som kan visas med termografering
Figur 26
Figur 26 är en bild på ett elskåp där på vänster sida visas värmebilden som indikerar att under normaltillstånd ska SP 1 ska ligga kring 31.0 C och SP 2 kring 30.1 C.
Exempel på avvikelse 1:
Figur 27 visar en tydlig övertemperatur i SP 1 på 40.5 C, den förhöjda temperaturen har resulterat i värmespridning även i SP 2. Möjlig orsak till temperaturökning kan bero på dåligt dragen anslutning.
Figur 27
Exempel på avvikelse 2:
Denna bild visar en tydlig avvikelse på säkringen. Då i SP 1 är det en stor
temperaturökning på 49.6C medan SP 2 som inte påverkats av värmeökningen visar en normaltemperatur 25.3C. Möjlig orsak till denna avvikelse tros vara dålig bottenkontakt, dåligt dragen anslutning eller snedbelastning.
Figur 28
27
28
6 Slutsats
I följande avsnitt presenteras projektets slutsats som baserats utifrån resultat samt analys. I slutsatsen nämns även de hinder som stöts på under projektets gång samt har förbättringsförslag för rekommenderat fortsatt arbete framförts.
Målet med detta examensarbete var att undersöka ifall termografering är värt att
investera på för att ytterligare höja säkerheten för driftklarhetsverifiering. Alternativt se ifall det kan tillämpas tillsammans med andra mätmetoder som exempelvis
vibrationsmätning. Då projektet grundar sig i en ”vision” om att använda
termografering som en potentiell driftklarhetsverifierings verktyg. Har det behövts skalats ner då ämnet omfattar ett brett område med flertal riktlinjer och istället sätter detta projekt möjligheten till att vidareutveckla visionen.
Under projektets gång visade det sig att grundläggande mätdata gällande termografering saknades då det mest används inom elektiska området samt att termografering inom det mekaniska området inte används lika frekvent. Med det begränsade tidsspannet framtogs potentiella förbättringsförslag och sätt man kan använda termografering alternativ tillämpning vid användning av andra mätmetoder.
Utifrån resultatet av genomförandet har det visat sig att det både finns för- och
nackdelar gällande termografering. Fördelarna med användning av termografering är att man snabbt hittar temperaturökningar på kritiska områden som annars är svår åtkomliga vid vibrationsmätning. Exempelvis under axelkopplingens hölje då det är en roterande komponent. Det ger även en hint på potentiell avvikelse med hjälp av ”hot- spots” i form av kontroll av motorer (varma lager, kopplingar och växellådor) och för att påvisa läckage och kondensproblem i värme och ångsystem (se avsnitt 4.1). Nackdel med termografering i detta fall är att det inte finns förstudier som verifierar vad mindre temperaturskillnader innebär för både en enskild komponent samt hela systemet.
Kollar man på de värmebilder som togs under genomförandet ser man att temperaturen kring de markerade områdena skiljer sig några grader (se avsnitt 4, figur 12–15). Dock ger bristen på underlag en nackdel då man inte vet hur temperaturs skillnaden påverkar komponenten, det vill säga ifall det tyder på en potentiell avvikelse eller om det är normaltillstånd. För att kunna avgöra ifall temperaturskillnaden påverkar
komponenterna negativt. Krävs det att man testar systemet exempelvis iform av simuleringar där dessa komponenter utsätts för haverimiljö eller liknanden. För att på
29
så sätt få en bättre uppfattning om vilka gränser man ska sätta vid kontroll med värmekameran samt snabbare upptäcka avvikelser eller potentiella avvikelser.
Alltså kan temperatursavvikelserna baseras utifrån fakta och inte av erfarenhet som det görs nu, exempelvis inom el-området.
Utifrån faktainsamlingen tas slutsatsen att enbart använda termografering som en driftklarhetsverifierings metod inte är optimalt. Då det är en relativt ny metod inom det mekaniska området saknas en del underlag för att kunna rättfärdiga om det är en bra metod eller inte. Samt att nuvarande mätmetoder som exempelvis vibrationsmätning redan kan prediktera underhållsbehovet. På grund av detta anses termografering kunna användas i samband med vibrationsmätning som en komplettering vid svåråtkomliga områden samt vid de bestämda mätpunkterna (se avsnitt 3.10 figur 8)
6.1
Rekommenderat fortsatt arbete
Då termografering visat sig vara gynnsam inom det elektiska området som kontroll för att detektera avvikelser vid bland annat ställverk, transformatorer samt walkdowns (se avsnitt 3.10). Tyder det på möjligheten att implementera detta inom det mekaniska området och vara en gynnande investering för företaget. Ett utav projektets
förbättringsförslag är att man sätter upp ett system där man med jämna mellanrum utför termobesiktningar. Dels för att samla in underlag för framtida bruk för att jämföra och analysera olika mätvärden samt möjligheten att detektera potentiella avvikelser.
”Man upptäcker det man inte söker efter” det vill säga att man kan upptäcka fel i områden där man inte aktivt söker efter avvikelser.
Vid projekts gång skedde en diskussion med personal från Forsmarks kärnkraftverk om hur de använder sig utav termografering. Deras anläggning använder termografering i form av inspektion, för att hitta avvikelser i den lokala driftmiljö för utrustning vilket genomförs med hjälp av programmerings programmet Mathlab. Dessa undersökningar utförs på röranslutningar, komponenter och eventuella områden som kan läcka värme.
Operatörer mäter alla komponenter på turbinområdet med ett avstånd på 3 meter som anses ge tydliga mätdata. I dagsläget utförs detta var fjärde vecka då man matar in mätvärdena som tagits av värmekameror in i Mathlab som sedan visar felanmälan som output. Denna diskussion gav en idé/förbättringsförslag om möjligheten till att
vidareutveckla Forsmark metod. Genom att utföra regelbundna mätningar med
30
termografering i samband med mätdata från vibrationsmätare. Som sedan matas in i ett programmerings program som exempelvis Mathlab. Där programmet själv finner
samband mellan avvikelser för att prediktera underhållsbehov.
Forsmark metod brister i att de endast tittar på felanmälan som sker i nutid och inte använder den insamlade data på sikt. Vilket innebär att potentiella
temperatursavvikelser försummas. Forsmark har även inte kunnat sammanställa mätdata för trendning. Då de saknar en vettig rumsdatabas där värmebilder och liknande kan registreras samt omvandlas till siffror som sedan matas in Mathlab systemet. Ringhals ta vara på erfarenheter från Forsmark och tillämpa denna förbättring för att ligga i framkant.
För sprinkelsystem som system 322 kommer det behövas fler provkörningar. Eftersom i dagsläget sker provkörningar varje kvartal vilket inte bidrar till tillräckligt med
underlag. Samt att provkörningarna inte utförs genom hela flödet utan i mindre flöden och kortare tidsspann. Därav är ett förslag att termografering kan komma till
användning under provkörningarna för att ge en tydligare bild på värmefördelningen.
Genom att använda insamlade mätvärden som nämnts tidigare från liknade system blir det lättare att tolka värmebilder för att hitta potentiella avvikelser. Då sprinkelsystemet inte är aktivt utan endast är i drift vid haveri i reaktorinneslutningen kan man använda fasta temperatursensorer som är på plats kontinuerligt under 180 dagars spannet. Vilket även gör det möjligt för underhållstekniker att följa värmeutvecklingen och ingripa i god tid om det skulle behövas. Som tidigare nämnts kan exempelvis
programmeringsverktyget Mathlab användas för att prediktera avvikelser. Tillsammans med de underlag som samlas från de korta provkörningar som utförs i normala
förhållanden kan mer underlag fås för framtida bruk.
Att tillämpa och utveckla användningen av termografering kommer att vara kostsamt.
Eftersom värmekameror med bra kvalitet är dyra samt att det kommer att krävas utbildning för personal om hur värmebilderna ska tolkas. Operatörer kommer även att behöva ta till sig mer ansvar genom att utföra ronder och samla underlag i form av trender. Om Ringhals vill utveckla Forsmarks nuvarande metod kommer det även att krävas resurser i form av kompetent personal. Eftersom det handlar om att utforma ett avancerat program som kan tolka och analysera data från olika mätvärden och finna samband mellan dessa. Trots att det kan bli kostsamt har termografering stor
31
utvecklingsmöjlighet. Där man i framtiden kan kombinera detta med artificiellt intelligent (AI) det vill säga att datorer analyserar data från exempelvis ronder och matar in samt tolkar mätvärdena.
Detta projekt har redovisats för Vattenfall AB i Ringhals där de anser att detta är en bra investering och att de kommer fortsätta att utveckla de förbättringsförslag som
framtagits under projektet.
32
7 Källhänvisning
[1] Kärnkraft (u, å) Vattenfall.com
https://group.vattenfall.com/se/var-verksamhet/vara-energislag/karnkraft (Hämtad 2021-07-12)
[2] Tjernobylolyckan - Uppslagsverk - NE.se (u, å) Www.ne.se.
https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/tjernobylolyckan (Hämtad 2021-07-12)
[3] Fukushimaolyckan - Uppslagsverk - NE.se (u, å) Www.ne.se
https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/fukushimaolyckan (Hämtad 2021-07-12)
[4] Rapport: Infrared Thermography Guide 2018 (Hämtad 2021-05-12)
[5] Intern dokument: Förbättrat utnyttjande av termografering i Ringhals, Darwin:
1921661, (2006), hämtad (2021-07-26).
[6] Vad är en vibrationsmätare, (u, å), netinbag.com
https://www.netinbag.com/sv/technology/what-is-a-vibration-meter.html (Hämtad 2021-10-01)
[7] Tillståndskontroll av maskin, J. Stenkvist, sida 7–8, (2011), diva-portal.org http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:511670/FULLTEXT01.pdf (Hämtad 2021-10-01)
[8] Intern rapport, R34-AK-PWR-Reaktorsystem-Reaktorns kylsystem-sprinklersystem.
(Hämtad 2021-05-17)
[9] Kim, S.-H. (2017) Electric motor control: DC, AC, and BLDC motors. Philadelphia, PA: Elsevier Science Publishing. (Hämtad 2021-07-26)
[10] Allmänt om Pumptyper - Pump Portalen (2015) Pumpportalen.se
https://www.pumpportalen.se/pumphandboken/allmant-om-pumptyper/ (Hämtad 2021-07-19)
[11] Intern dokument: R3-R4 strategisk underhållsplan säkerhetsrelaterade enstegs radialpumpar, Darwin 2213258, (2020), hämtad (2021-10-22)
33
[12] Axelkopplingar för pumpar – Pump Portalen (2015) Pumpportalen.se.
https://www.pumpportalen.se/pumphandboken/6-axelkopplingar-pumpar/ (2021-07- 22)
[13] Intern dokument: R3 periodiskt STF-prov av SP-322, Darwin 1892424, (2020), hämtad (2021-10-26)
[14] Intern dokument: Periodisk provning av pumpar, utdrag ur STF (säkerhetstekniska driftförutsättningar), Darwin 1734864, (u.å), hämtad (2021-10-26)
