Une technologie de pointe et des solutions innovantes améliorent les opérations et la maintenance nucléaires

L’intégration de nouvelles technologies et solutions utilisées par d’autres pourrait aider le personnel des centrales nucléaires à améliorer les pratiques d’exploitation et d’entretien.

Les centrales nucléaires sont confrontées à de nombreux défis. Surveiller les échangeurs de chaleur à la recherche de signes de panne, améliorer les roulements de pompe pour minimiser le risque de défaillance et améliorer les performances humaines ne sont que quelques exemples d’actions qui pourraient améliorer les opérations et la maintenance (E&M) des installations nucléaires.

Les tests de courants de Foucault évoluent

Un composant de la centrale nucléaire qui a exigé beaucoup d’attention au fil des ans est le générateur de vapeur dans les unités de réacteur à eau sous pression (REP). Les générateurs de vapeur séparent le circuit d’eau primaire du circuit d’eau secondaire. Dans les REP, de l’eau primaire sous pression, qui est radioactive, est pompée à travers le réacteur pour évacuer la chaleur générée par la fission de l’uranium combustible dans le cœur. La chaleur est transférée au système d’eau secondaire non radioactif à travers des milliers de tubes dans le générateur de vapeur, produisant la vapeur utilisée pour entraîner les générateurs à turbine afin de produire de l’électricité.

Les générateurs de vapeur peuvent mesurer jusqu’à 70 pieds de haut et avoir jusqu’à 16 000 tubes de trois quarts de pouce de diamètre. Le problème avec de nombreuses conceptions originales était que les tubes n’étaient pas assez robustes pour résister aux conditions difficiles qu’ils rencontraient. La plupart des générateurs de vapeur américains étaient fabriqués avec un tube en alliage 600, un alliage nickel-chrome-acier qui s’est avéré sensible à l’amincissement dans le cadre de certains programmes de chimie de l’eau.

Le bosselage des tubes est également devenu une préoccupation au fil du temps. Le bosselage est causé par la corrosion des plaques de support en acier au carbone dans les générateurs et dans les crevasses entre les tubes et les plaques de support des tubes. Il y avait également d’autres causes de fissures, de fuites et de ruptures de tubes dans les usines de REP avec des tubes en alliage 600 recuits en usine.

Un moyen courant de surveiller l’état du tube du générateur de vapeur consiste à tester les courants de Foucault. La technologie des courants de Foucault offre une solution rapide et efficace pour détecter les anomalies proches de la surface dans les matériaux conducteurs. Un champ magnétique d’une bobine est induit dans le matériau du tube. Les anomalies dans le matériau créent des changements dans les courants de Foucault qui sont détectés par une instrumentation spécialisée, puis évalués par des experts bien formés.

La technologie a été développée pour la première fois dans les années 1930, mais a beaucoup évolué depuis. Zetec, un fournisseur mondial de technologie de test non destructif (CND), fournit des instruments de test de courants de Foucault, des sondes, des logiciels et des services depuis plus de 50 ans. «La méthodologie et la science actuelle, et la physique, bien sûr, n’ont pas changé, mais les systèmes de livraison et d’analyse se sont considérablement améliorés», a déclaré Kevin Newell, directeur du groupe RevospECT de Zetec. Newell a noté que la vitesse des opérations par courants de Foucault a été multipliée par dix depuis qu’il a commencé à travailler sur le terrain en 1983.

L’analyse des données a également évolué depuis les débuts de Newell. Certaines tâches qui nécessitaient autrefois un technicien qualifié peuvent désormais être effectuées à l’aide de programmes informatiques. « Vous avez essentiellement mis en place une routine pour que l’ordinateur passe et examine toutes ces signatures, et vous l’entraînez à reconnaître ce que sont des signatures normales et ce qui sont des signatures anormales », a déclaré Newell. L’analyse finale est confirmée par un expert, mais le filtrage des données effectué par le système automatisé est inestimable.

«Nous commençons simplement à ajouter maintenant des attributs d’apprentissage automatique très ciblés», a déclaré Newell. Il a noté que les ordinateurs identifient souvent des «faux positifs», c’est-à-dire des anomalies qui ressemblent à des problèmes potentiels, mais qui ne sont pas réellement des problèmes. «Cela doit être passé au crible», a-t-il déclaré. «L’apprentissage automatique permet d’éliminer ces faux positifs.»

Bien sûr, toutes les données sont en fin de compte importantes à des fins de tendance. «Nous avons littéralement des décennies d’informations maintenant, si une usine fonctionne toujours, où nous avons cette inspection initiale, et nous pouvons voir comment les tubes ont changé au fil du temps. Et c’est là que notre programme de comparaison des données historiques entre en jeu », a déclaré Newell.

De nombreux générateurs de vapeur d’origine ont été remplacés aujourd’hui. La plupart ont été mis à niveau vers un tube en alliage 690 traité thermiquement, qui résiste mieux à la corrosion et n’a pas démontré la même propension à la fissuration que l’alliage 600. Newell a déclaré que cela a provoqué un changement d’orientation de Zetec.

«Maintenant, tout d’un coup, du point de vue des générateurs de vapeur, ces équipes ont rétréci, parce qu’elles n’ont tout simplement pas ces problèmes comme avant», a-t-il déclaré. De nos jours, les composants de l’équilibre de l’installation sont devenus une priorité, c’est-à-dire les chauffe-eau d’alimentation, les refroidisseurs d’huile de lubrification, les condenseurs principaux et auxiliaires et d’autres échangeurs de chaleur. «Cet objectif a changé, et ce sont maintenant des inspections assez importantes, avec beaucoup de personnel, c’est donc là que nous avons fait la transition de notre technologie de générateur de vapeur vers les opérations d’équilibre de l’usine», a déclaré Newell.

Meilleurs roulements de pompe de liquide de refroidissement Reactor

Les roulements des pompes de liquide de refroidissement des réacteurs ne sont pas aussi sujets aux pannes que les tubes des générateurs de vapeur, mais lorsqu’une panne de courant se produit et que les pompes tombent en panne sans électricité, cela peut poser des défis importants pour ces roulements hydrodynamiques. Michell Bearings, un concepteur et fabricant de roulements basé au Royaume-Uni, a récemment terminé avec succès des tests SBO sur un roulement de butée pour une nouvelle centrale nucléaire. Dans ce que la société prétend être l’un des premiers tests de roulements réussis au monde sans l’utilisation de systèmes auxiliaires à alimentation externe, le roulement innovant a pu survivre à la condition SBO.

«Le défi pour nous était de pouvoir concevoir le roulement de manière à ce qu’il puisse descendre en toute sécurité de la pleine vitesse au repos tout en supportant des charges assez difficiles, puis redémarrer sans subir de dommages dans le processus», a expliqué Geoff Humble, directeur commercial et marketing chez Michell Bearings.

La société a effectué les tests sur deux projets distincts impliquant des pompes à eau de refroidissement verticales. Un test impliquait des roulements positionnés dans le moteur de la pompe. Dans ce cas, il y avait un palier de butée sur le dessus de la machine et un palier radial sur le bas de la machine. L’autre test impliquait un palier de butée positionné dans la pompe (Figure 1). «Peu nous importe où se trouve le roulement. C’est une décision que prend le constructeur de la machine », a déclaré Humble.

1. Michell Bearings, basée au Royaume-Uni, conçoit et fabrique des roulements pour les pompes de refroidissement du réacteur et d’autres machines. Le palier vertical illustré ici est représentatif du type utilisé dans certaines applications nucléaires. Gracieuseté: Michell Bearings

Lors des essais, le palier de butée segmenté à patins basculants était le composant critique. «C’est le roulement qui supporte les charges axiales dans les deux sens, vers le haut et vers le bas», a-t-il déclaré. Au repos, le poids de la machine applique une force descendante sur le roulement. Pendant le fonctionnement, la poussée prédominante est vers le haut; par conséquent, la charge nette enlève le poids des patins de poussée inférieurs et applique une force beaucoup plus grande aux patins de poussée supérieurs.

«Dans le mode de fonctionnement normal, nous avons une source d’huile haute pression à alimentation externe, qui est utilisée pour séparer les surfaces de roulement en forçant physiquement l’arbre des plaquettes», a expliqué Humble. «De toute évidence, lors d’une panne de courant de la station, le système de moteur de pompe externe qui fournit cette huile haute pression est alimenté électriquement et ne peut donc pas fonctionner.»

Les ingénieurs ont commencé avec le palier de butée conventionnel de Michell Bearings et ont effectué des essais pilotes sur des modèles à l’échelle du laboratoire pour affiner la conception, qui a ensuite été étendue à une machine pleine grandeur pour des tests ultérieurs. Enfin, ils ont prouvé la conception en utilisant à la fois un banc d’essai interne et le centre de test du client européen. Dans les deux cas, l’entreprise a pu satisfaire les exigences SBO grâce à de multiples démarrages et arrêts.

Les roulements peuvent être utilisés dans les applications de nouvelle construction et de modernisation. En fait, Humble a déclaré que la société avait déjà fourni des pièces à au moins un client européen pour une utilisation dans une pompe de liquide de refroidissement de réacteur existante, et Michell Bearings développe son propre roulement complet pour les futures machines.

Améliorer la performance humaine

Bien entendu, tous les problèmes d’exploitation et de maintenance ne sont pas liés à l’équipement. Il y a beaucoup de problèmes de centrales nucléaires qui résultent d’erreurs de performance humaine, donc amener les gens à se concentrer sur des pratiques de travail sûres et saines peut grandement contribuer à améliorer les opérations.

«Nous sommes dans le domaine des personnes», a déclaré Bill Hickman, vice-président des opérations nucléaires chez Day & Zimmermann (D&Z), une entreprise familiale spécialisée dans les solutions de construction et d’ingénierie, d’exploitation et de maintenance, de dotation en personnel, de sécurité et de défense. . Hickman a expliqué que D&Z fournit des ressources qualifiées pour aider à la maintenance et aux modifications de plus de la moitié des unités nucléaires aux États-Unis.

«Nos clients s’attendent à ce que nous marquions chaque fois que nous prenons le terrain», a déclaré Hickman, utilisant une analogie avec le sport pour faire comprendre que les clients de D&Z exigent des résultats de haute qualité. Pour les sites qui utilisent la main-d’œuvre syndiquée, D&Z travaille en étroite collaboration avec les métiers du bâtiment locaux pour trouver des travailleurs pour des emplois. «Les halls utilisent des programmes d’apprentissage pour former leur métier et fournir beaucoup de bons talents», a déclaré Hickman. «Mais même les artisans les plus talentueux peuvent utiliser le recyclage occasionnel, nous avons donc examiné comment nous pourrions fournir une formation supplémentaire et continue pour aider à maintenir les compétences de l’artisanat à jour et continuer à répondre aux attentes de nos clients.»

Après avoir évalué diverses options, l’idée d’une bande-annonce COBRA (Craft On-Boarding Ranking Assessment) est née (Figure 2). «Notre processus d’évaluation nous aide à comprendre ce que chaque travailleur est capable de faire et à identifier les lacunes que nous pourrions combler», a déclaré Hickman. «Et donc, nous avons construit trois de ces remorques.»

2. Les remorques COBRA (Craft On-Boarding Ranking Assessment) permettent des expériences pratiques dans un environnement simulé où les travailleurs peuvent être formés et évalués sur une variété de tâches. Gracieuseté: Day & Zimmermann

Les tâches intégrées dans les évaluations des remorques COBRA sont basées sur les commentaires des superviseurs de travail. Hickman a demandé aux superviseurs où ils avaient le plus de problèmes, puis a créé des activités de formation et d’évaluation pour résoudre les problèmes. Parmi les emplois inclus, il y a le levage et l’atterrissage de câbles électriques, le colmatage des tubes de condenseur, le serrage des brides, le travail sur l’équipement d’instrumentation et la réparation des vannes. Hickman a noté que les remorques sont flexibles et que les éléments peuvent être échangés à mesure que les faiblesses deviennent des forces et que de nouveaux problèmes sont identifiés.

«Nous pensons que les remorques nous ont vraiment aidés, car notre qualité s’est améliorée et il y a moins d’erreurs sur le terrain», a-t-il déclaré. «Maintenant, il est ralenti à un point tel que notre retouche est peu ou rien.»

Selon Jason Dunaway, président des opérations syndicales chez D&Z, la capacité de l’entreprise à partager les leçons apprises avec l’ensemble du parc d’usines avec lesquelles elle travaille est également inestimable. «Nous conservons des données – nous gardons des renseignements – que nous partageons avec chacun de nos clients individuels», a déclaré Dunaway. «Mais nous pouvons utiliser l’intelligence des données que nous apprenons sur l’ensemble de notre flotte et l’appliquer à certains domaines. Si quelqu’un fonctionne mieux dans une partie du pays, nous pouvons tirer parti de cet apprentissage et communiquer cette nouvelle à un autre service public ou à un autre client. »

Dunaway a déclaré que D&Z était impliqué dans près de 80 arrêts planifiés en 2020, ainsi que dans des arrêts forcés supplémentaires et d’autres projets de maintenance, de sorte qu’il traite de nombreuses procédures et processus différents. Il sait ce qui fonctionne bien et ce qui ne fonctionne pas. «Tout le monde ne va pas traiter les choses exactement de la même manière. Il y a des défis spécifiques au site qui doivent être relevés, et certains services publics abordent les choses un peu différemment, mais nous partageons toutes les meilleures pratiques tout en préservant la confidentialité de nos clients », a déclaré Dunaway. En fin de compte, apprendre des erreurs des autres n’est jamais une mauvaise chose. ■

–Aaron Larson est le rédacteur en chef de POWER.