Structural lifetime, reliability and risk analysis approaches for power plant components and systems
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Licentiate thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2011
Department
Major/Subject
Rakenteiden mekaniikka
Mcode
Rak-54
Degree programme
Language
en
Pages
193
Series
Abstract
Lifetime, reliability and risk analysis methods and applications for structural systems and components of power plants are discussed in this thesis. These analyses involve many fields of science, such as structural mechanics, fracture mechanics, probability mathematics, material science and fluid mechanics. An overview of power plant environments and a description of the various degradation mechanisms damaging the power plant systems and components are presented first. This is followed with a description of deterministic structural analysis methods, covering e.g. structural mechanics and fracture mechanics based analysis methods as well as the disadvantages of the deterministic analysis approach. Often, physical probabilistic methods are based on deterministic analysis methods with the modification that one or more of the model parameters are considered as probabilistically distributed. Several probabilistic analysis procedures are presented, e.g. Monte Carlo Simulation (MCS) and importance sampling. Description of probabilistic analysis methods covers both physical and statistical approaches. When the system/component failure probabilities are combined with knowledge of failure consequences, it is possible to assess system/component risks. Several risk analysis methods are presented as well as some limitations and shortcomings concerning to them. Modelling methods for various degradation (or ageing) mechanisms are presented. These methods are needed in the lifetime analyses of structural systems and components of power plants. In general, the lifetime analyses in question necessitate a thorough knowledge of structural properties, loads, the relevant degradation mechanisms and prevailing environmental conditions. The nature of degradation models of structural systems/components can be deterministic, probabilistic or a combination of these two types. Degradation models of all these kinds are presented here. Some important risk analysis applications are described. These include probabilistic risk/safety assessment (PRA/PSA) and risk informed in-service inspections (RI-ISI). In practise, lifetime and risk analyses are usually performed with a suitable analysis tool, i.e. with analysis software. A selection of probabilistic system/component degradation and risk analysis software tools is presented in the latter part of this thesis. Computational application of probabilistic failure and lifetime analyses to a representative set of NPP piping components with probabilistic codes VTTBESIT and PIFRAP are presented after that. The thesis ends with a summary and suggestions for future research.Tämän lisensiaattityön aiheina ovat voimalaitosten rakennejärjestelmien ja -komponenttien käyttöiän, luotettavuuden ja riskitarkastelujen analyysimenetelmät ja sovellukset. Näihin analyysimenetelmiin liittyy usea tieteenala, kuten lujuusoppi, murtumismekaniikka, todennäköisyysmatematiikka, materiaalitiede ja virtausmekaniikka. Ensin esitetään yleiskatsaus voimalaitosympäristöstä sekä kuvaukset erilaisista voimalaitosten rakennejärjestelmiä ja -komponentteja koskevista vaurioitumismekanismeista. Sitten käsitellään deterministiset rakenneanalyysimenetelmät, kuten lujuusopin ja murtumismekaniikan menetelmät, sekä eritellään deterministisen lähestymistavan puutteita. Usein fysikaaliset probabilistiset menetelmät perustuvat deterministisiin vastaaviin silla muunnelmalla, että yksi tai useampi malliparametri on asetettu probabilistisesti jakaantuneeksi. Työssä esitetään useita probabilistisia analyysimenetelmiä, kuten Monte Carlo -simulaatio ja tärkeysperusteinen otanta. Todennäköisyysperusteisia analyysimenetelmiä koskeva kuvaus kattaa sekä fysikaaliset että tilastolliset lähestymistavat. Kun rakennejärjestelmien/-komponenttien todennäköisyydet yhdistetään tietämykseen seurausvaikutuksista, voidaan arvioida vastaavat riskit. Työssä käsitellään useita riskianalyysimenetelmiä, sekä eräitä niitä koskevia rajoituksia ja puutteellisuuksia. Työssä esitetään valikoima erilaisia vaurioitumismekanismeja koskevia mallinnusmenetelmiä. Näitä menetelmiä tarvitaan rakennejärjestelmien ja -komponenttien käyttöikäanalyyseissa. Yleisesti ottaen kyseiset käyttöikäanalyysit edellyttävät perusteellisia tietoja rakenteellisista ominaisuuksista, kuormista, merkittävistä vaurioitumismekanismeista sekä vallitsevista olosuhteista. Rakennejärjestelmien/-komponenttien vaurioitumista kuvaavat mallit voivat olla tyypiltään deterministisiä, probabilistisia tai näiden yhdistelmä. Työssä esitetään kaikkiin näihin tyyppeihin lukeutuvia vaurioitumismalleja. Työssä esitetään myös muutamia merkittäviä riskianalyysin lähestymistapoja. Näihin lukeutuvat todennäköisyyspohjaiset turvallisuus-/riskianalyysit (PSA/PRA) sekä riskitietoiset tarkastusohjelmat (Rl-lSI). Käytännössä käyttöikä- ja riskianalyysit tehdään yleensä jollakin sopivalla analyysityökalulla, eli sovellusohjelmalla. Työn jälkipuoliskolla esitetään valikoima rakennejärjestelmien/-komponenttien vaurioitumisen ja riskien analyysisovelluksia. Sen jälkeen edustavalle valikoimalle ydinvoimalan utkistokomponentteja esitetään analyysiohjelmilla VTTBESIT ja PIFRAP tehdyt todennäköisyysperusteiset vikaantumis- ja käyttöikäanalyysit. Työn lopuksi esitetään yhteenveto sekä jatkotutkimusaiheita koskevia ehdotuksia.Description
Supervisor
Paavola, JuhaThesis advisor
Simola, KaisaPaavola, Juha
Keywords
structural mechanics, rakenteiden mekaniikka, fracture mechanics, murtumismekaniikka, risk analysis, riskianalyysi, reliability, luotettavuus, PFM, RI-ISI