Методы расчетного обоснования прочности и динамика конструкций реакторных установок для аэс с ввэр
На правах рукописи
ШАРЫЙ
Николай Васильевич
МЕТОДЫ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ И ДИНАМИКА
КОНСТРУКЦИЙ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ АЭС С ВВЭР
05.14.03 – ядерные энергетические установки, включая проектирование,
эксплуатацию и вывод из эксплуатации
01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Автор:
Подольск – 2008
Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии
Опытном Конструкторском Бюро «Гидропресс» (ФГУП ОКБ «Гидропресс»)
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор
Тутнов Александр Александрович
Доктор технических наук
Попов Александр Александрович
Доктор технических наук
Синицын Евгений Николаевич
Ведущая организация – Институт Машиноведения им. акад. А.А.Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)
Защита состоится "15" октября 2008 г. в 11 часов
на заседании диссертационного совета Д 418.001.01 ФГУП ОКБ «Гидропресс»
по адресу: 142103, г. Подольск Московской обл., ул. Орджоникидзе, 21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ОКБ «Гидропресс»
Автореферат разослан "10" сентября 2008 г.
Ваш отзыв на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенный и
скрепленный гербовой печатью организации, прошу направить по адресу
ФГУП ОКБ «Гидропресс»
И.о. ученого секретаря
диссертационного совета,
доктор технических наук В.М.Махин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В связи с планируемым существенным увеличением количества вводимых АЭС одним из главных вопросов становится обеспечение безопасности. Его решение применительно к АЭС с ВВЭР во многом определяется прочностью реакторной установки (РУ), содержащей три последовательных физических барьера на пути распространения радиоактивных веществ и излучений, а также основные системы безопасности. Прочность – одно из главных свойств любой конструкции, обеспечивающее ее нормальное функционирование и безопасность путем сохранения целостности, устойчивости и формы. От глубины и качества решения задачи обеспечения прочности оборудования и трубопроводов РУ напрямую зависят безопасность и надежность эксплуатации АЭС. Диссертационная работа посвящена решению важной и актуальной научно-технической проблемы – разработке и внедрению методов расчетного обоснования прочности, исследованию конструкций РУ ВВЭР в условиях действия эксплуатационных и аварийных нагрузок, а также нагрузок сейсмического типа, возникающих при землетрясениях, возможных внешних ударных волнах (ВУВ) и ударе самолета (УС) по защитной оболочке АЭС, т.е. обеспечению прочности РУ для АЭС с ВВЭР. Соответственно определяется и объект исследований – системы, оборудование и трубопроводы, входящие в состав РУ.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является решение ряда возникших из практической необходимости актуальных и сложных проблем расчетного обоснования прочности, выходящих за нормативные рамки и потребовавших разработки и внедрения в инженерную практику специальных методов и программных средств, а также исследование созданной системы обоснования прочности РУ ВВЭР, демонстрация достигнутого уровня, поиск направлений дальнейшего ее совершенствования.
Научная новизна работы.
1. Проанализированы место и роль прочности РУ в обеспечении безопасности АЭС. Раскрыта суть комплексного подхода при обосновании прочности, являющегося основой сложившейся системы и выражающегося в выполнении анализов прочности на многокритериальной основе, отражающей требования действующих норм и правил, с применением расчетных и экспериментальных методов, современных аттестованных в надзорном органе программных средств.
2. Исследованы современное состояние расчетного обоснования прочности РУ ВВЭР, выполняемого в соответствии с действующими нормативными документами, и роль расчетных методов в анализе и преодолении проблем, возникающих при эксплуатации РУ.
3. Разработаны и внедрены методики, необходимое программное обеспечение, критерии приемлемости результатов для ряда задач, решение которых выходит за рамки нормативных требований.
4. Исследованы динамические нагрузки, действующие на элементы РУ при нормальной эксплуатации (НЭ), при возможном возникновении нарушений и аварий, а также при экстремальных внешних динамических воздействиях на АЭС (землетрясение, УС, ВУВ).
5. Разработаны, реализованы в виде программных средств и применены для обоснования различных проектов РУ ВВЭР методы расчетов: динамических характеристик теплоносителя в системе охлаждения реактора; динамических характеристик конструкций, взаимодействующих с жидкостью; динамического отклика РУ на воздействия аварийных нагрузок, а также нагрузок сейсмического типа; движения трубопроводов, обусловленного гидродинамическими усилиями высокой интенсивности при их постулированных разрывах.
6. Выполнены расчетно-экспериментальные исследования, позволившие: обосновывать вибропрочность РУ для числа циклов изменения вибронапряжений на несколько порядков превышающих базовое число циклов при стандартных испытаниях материалов на выносливость; обосновывать сейсмостойкость приводов системы управления и защиты (СУЗ) ВВЭР-1000; верифицировать программные средства и расчетные модели для выполнения динамических расчетов РУ.
Практическая ценность. Анализ показал, что в результате практической деятельности по разработке и внедрению в атомную энергетику РУ ВВЭР в ОКБ «Гидропресс» сформировалась система комплексного обоснования прочности, доказавшая свою эффективность многолетней безопасной работой большого числа блоков АЭС как в нашей стране, так и за рубежом. Эта система будет и в дальнейшем определять высокое качество выполнения работ, обеспечивать преемственность опыта предшествующих поколений по обоснованию прочности, надежности и безопасности как действующих АЭС, так и находящихся в разработке или строительстве, т.е. в сфере ответственности современного поколения конструкторов и расчетчиков.
Полученные в работе результаты в виде разработанных методик, верифицированных и аттестованных в надзорном органе программ, внедрены в ОКБ «Гидропресс», уже использовались и могут продолжать использоваться для выполнения в составе проектов расчетов, обосновывающих прочность, сейсмостойкость, надежность и безопасность оборудования и трубопроводов РУ ВВЭР, а также при возникновении необходимости выполнения подобных расчетов на всех других этапах жизненного цикла АЭС.
Результаты исследований и решения проблем расчетного обоснования, изложенные в диссертации, могут применяться при совершенствовании действующих и разработке новых норм и правил для объектов использования атомной энергии.
Основные положения, выносимые на защиту. Автором диссертации представлено описание подходов к обоснованию прочности РУ для АЭС с ВВЭР с исследованием опыта выполнения соответствующих работ. Изложены методы анализа и обоснования стойкости оборудования и трубопроводов к динамическим воздействиям различного типа, представлены разработанные вычислительные коды. Приведены решения задач, связанных с необходимостью учета многофакторного влияния облучения на внутрикорпусные устройства (ВКУ) реактора, а также влияния конструктивных особенностей и эксплуатационных факторов на необратимое деформирование тепловыделяющих сборок (ТВС) активной зоны ВВЭР-1000. На защиту выносятся следующие положения:
– система комплексного обоснования прочности РУ для АЭС с ВВЭР, анализ сложившейся практики и опыта использования;
– методы, критерии и результаты исследований по таким проблемам расчетного обоснования как учет влияния облучения на прочность ВКУ реактора и формоизменение ТВС активной зоны;
– метод обоснования вибропрочности РУ и результаты его применения;
– результаты анализа динамических эксплуатационных и аварийных нагрузок на РУ, а также нагрузок сейсмического типа от внешних динамических воздействий на АЭС;
– методика и результаты расчетного анализа динамических характеристик теплоносителя в системе охлаждения реактора;
– методы, программное обеспечение и результаты расчета динамических характеристик и отклика ВКУ реактора, взаимодействующих с жидкостью, на действие аварийных нагрузок;
– методика расчета движения трубопроводов под действием гидродинамических сил, возникающих при их постулированных разрывах;
– результаты расчетно-экспериментальных исследований (программно-методические разработки, верификация, моделирование, экспериментальное обоснование натурных изделий), позволившие обосновать и обеспечить надлежащую сейсмозащиту РУ ВВЭР.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. При разработке расчетных методик и моделей, вычислительных программ, физических моделей использовались основополагающие гипотезы и методы теоретической механики, механики деформируемого твердого тела, гидромеханики, теории колебаний, широко известные численные методы. Верификация программ и расчетных моделей выполнялась путем сопоставления с результатами, полученными по другим программам, а также сравнением результатов расчета и эксперимента. Достоверность разработанных методик и программ подтверждена также процедурой аттестации в надзорном органе.
Личный вклад автора. Автором в результате более чем 35-летней работы в специализированном подразделении, выполняющим расчетное обоснование прочности в составе проектов РУ, внесен существенный вклад в становление и развитие системы комплексного обоснования прочности РУ ВВЭР. В особенности это относится к таким аспектам обоснования прочности как динамика конструкций, взаимодействующих с жидкостью, расчеты на сейсмические воздействия, обоснование вибропрочности, решение ряда других возникавших актуальных проблем расчетного обоснования, являющихся, по существу, научными исследованиями. Автор диссертации лично разрабатывал и принимал участие в постановке научных задач, включая экспериментальные и расчетно-экспериментальные исследования на стендах и непосредственно на АЭС, в разработке расчетных методик и программного обеспечения, руководил выполнением работ.
Реализация результатов. Главной особенностью диссертационной работы является то, что она выполнена по уже внедренным в практику обоснования прочности систем, оборудования и трубопроводов РУ результатам в виде методик, программных средств, расчетных моделей, критериев и рекомендаций. Практически все РУ действующих АЭС с ВВЭР обоснованы с применением результатов настоящей работы и успешно функционируют. Сформированная система комплексного обоснования прочности и накопленный опыт ее применения позволяют сегодня успешно разрабатывать проекты новых РУ, для которых характерны более высокие мощности, увеличенные сроки службы и повышенная безопасность.
Апробация работы. Сами разработки и результаты их использования многократно апробированы экспертизами большого числа проектов РУ ВВЭР на предприятиях отрасли, в надзорном органе и защитой проектов перед зарубежными заказчиками, обсуждены на различных конференциях, семинарах и опубликованы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: 1-й Всесоюзной конференции: «Опыт проектирования и эксплуатации АЭС», Кольская АЭС, Полярные Зори, 1974 г.; советско-канадском семинаре: «Исследование вибраций узлов ядерных энергетических установок (устройства внутри реактора и парогенератора)», Москва 9 – 12.09 1975 г., ИАЭ им. И.В.Курчатова; франко-советском семинаре: «Безопасность АЭС с реакторами типа ВВЭР», Париж, 10 – 17.01 1979 г.; японо-советском семинаре: «Расчетное и экспериментальное исследование сейсмостойкости, вибростойкости и безопасности реакторных установок», Токио, сентябрь, 1980 г.; советско-индийском семинаре: «Расчетное и экспериментальное проектирование сейсмостойкого оборудования реакторной установки; нормативные требования при проектировании АЭС», Москва, 16 – 23.11 1981 г.; совещании МАГАТЭ: «Учет землетрясений и сейсмостойкости в проектировании АЭС», Москва, 24 – 28.03 1986 г.; координационном совещании: «Проблемы прочности и сейсмостойкости энергетического оборудования», г. Фрунзе, 1 – 7.09 1989 г.; японо-советском семинаре: «Опыт проектирования реакторных установок типа ВВЭР, включая вопросы обоснования сейсмостойкости», Токио, 25.01 – 01.02 1990 г.; 5-й Межотраслевой конференции по реакторному материаловедению, г. Димитровград, 8 – 12.09 1997 г.; 1-й Российской конференции: «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность», г. Туапсе, 9 – 14.10 2000 г.; совместном заседании концерна «Росэнергоатом» и секции № 4 НТС № 1 Минатома России, март, 2001 г.; 7-й Международной конференции: «Материаловедческие проблемы при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», Санкт-Петербург, 17 – 21.06 2002 г.; 17-й Международной конференции: «Строительная механика в реакторной технологии (SMiRT)», Прага, 17 – 22.08 2003 г.; Международной конференции: «Проблемы надежности машин и конструкций», Минск, 24 – 26.09 2003 г.; 5-й Международной конференции: «Проблемы колебаний (ICOVP)», Москва, ИМАШ РАН, 8 – 10.10 2003 г.; 6-м Международном семинаре по горизонтальным парогенераторам, г. Подольск Московской обл., 22 – 24.03 2004 г.; семинаре по проблеме вероятностно-прочностных анализов оборудования, трубопроводов и сооружений АЭС, Москва, Атомэнергопроект, 30.11 – 01.12 2004 г.; 2-й, 3-й, и 4-й Международных конференциях: «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» г. Подольск Московской обл., 2001, 2003, и 2005 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 работы, в том числе в соавторстве 4 книги и один патент на изобретение. Список основных публикаций приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 202 наименований, изложена на 288 страницах машинописного текста, включающего 109 рисунков и 22 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и ее практическая ценность, сформулированы цели и задачи, основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о структуре диссертации и краткое содержание ее глав.
В первой главе дается анализ роли и места прочности РУ в обеспечении безопасности АЭС, показывается необходимость применения комплексного подхода при обосновании прочности оборудования и трубопроводов. Приводится краткий обзор решаемых при обосновании прочности РУ задач, используемых методов, критериев приемлемости результатов. Особое внимание уделяется характеристике актуальных проблем, возникших при обосновании прочности в разные периоды развития РУ ВВЭР, решению которых отводится в диссертации значительное место. Даются краткая характеристика применяемых программ и программных комплексов, собственной разработки и приобретенных у отечественных и зарубежных разработчиков, а также сведения об их верификации и аттестации. Применение иллюстрируется примерами типовых расчетных моделей оборудования, отдельных узлов и элементов.
Обоснование прочности разрабатываемой конструкции всегда являлось неотъемлемой частью проекта. Становление и развитие до сегодняшнего состояния системы комплексного обоснования прочности РУ для АЭС с ВВЭР шло параллельно развитию этих РУ. Опыт последних лет работы по обоснованию прочности РУ ВВЭР-1000 для АЭС «Бушер» в Иране, АЭС «Тяньвань» в Китае и АЭС «Куданкулам» в Индии показывает, что качество и глубина обоснования соответствуют мировому уровню, а сложившаяся система организации работ, нормативная база и программные средства обеспечивают успешное выполнение расчетного обоснования прочности.
Основная цель расчетного обоснования состоит в теоретическом доказательстве того факта, что конструкция сохраняет целостность, устойчивость и форму под действием всей системы нагрузок, реализующейся в процессе ее НЭ, а также при возможных нарушениях нормальной эксплуатации (ННЭ) и проектных авариях (ПА). Наряду с расчетами выполняется значительный объем экспериментально-исследовательских и расчетно-экспериментальных работ, в ряде которых автор принимал участие (идея и первоначальное задание на эксперимент, непосредственное участие в разработке и реализации программы эксперимента, выполнение расчетных анализов, интерпретация результатов). Их укрупненный перечень содержится в первой главе.
Роль и место работ по обоснованию прочности оборудования и трубопроводов РУ в обеспечении ее безопасности определяется необходимостью защиты и сохранения эффективности третьего физического барьера на пути распространения ионизирующего излучения и радиоактивных веществ в окружающую среду. Если учесть, что приоритет на первом и втором уровнях глубоко эшелонированной защиты отдается предотвращению неблагоприятных событий, то становится особенно важным обретение уверенности в сохранении целостности границ теплоносителя первого контура. Эта уверенность появляется из результатов поверочных расчетов на прочность и вероятностных анализов разрушения (ВАР).
Требования к объему обоснования в составе проекта велики и достаточно широко представлены в нормативных документах. Можно утверждать, что РУ ВВЭР с набором систем безопасности, предусматриваемых ОПБ – 88/97, прочность которой на стадии проектирования обоснована в соответствии с нормами расчета на прочность, оборудование которой изготовлено и смонтировано в соответствии с правилами конструирования и сварки, эксплуатация которой также отвечает требованиям действующих нормативных документов, является безопасной в соответствии с определением ОПБ – 88/97, надежной и имеет хорошие шансы в будущем на продление срока службы.
Обоснование прочности РУ ВВЭР является непрерывным процессом. Наиболее интенсивно работы ведутся на стадии разработки технического проекта. Именно в этой фазе наиболее характерна комплексность подхода к обоснованию прочности РУ. Можно говорить о двояком проявлении комплексности. С одной стороны, на конечный результат работают различные специализированные подразделения, в чьем ведении находятся исходные данные. С другой стороны, обоснование прочности является многосторонним как в смысле способов обоснования (теоретический или экспериментальный) и видов расчетов на прочность, так и в смысле используемых методов и критериев оценки результатов.
Основу системы комплексного обоснования прочности элементов РУ ВВЭР составляет технология, соответствующая нормативной процедуре расчетного обоснования. Выполнение работ обеспечивается специальными компьютерными программами и программными комплексами, которые постоянно совершенствуются по мере развития вычислительной техники и нормативно-методической базы.
Накопленный опыт подтверждает эффективность подходов к расчетному определению усилий, перемещений, деформаций и напряжений, а также приемлемость запасов прочности, содержащихся в действующих нормах. Однако все же остаются проблемы даже там, где уже длительное время решение всех важных вопросов регламентируется нормативными документами. На рис.1 схематически представлены некоторые актуальные проблемы расчетного обоснования прочности РУ ВВЭР, с различной подробностью затрагиваемые в диссертации. Эти проблемы можно разделить на две группы – относящиеся к сфере действия норм и выходящие за формальные рамки их действия. При этом перечень проблем в этой схеме ограничен в основном первым этапом жизненного цикла АЭС – проектированием. Представленный в данной главе обзор основных актуальных проблем расчетного обоснования прочности РУ ВВЭР свидетельствует о необходимости совершенствования нормативных документов и методических подходов.
Рис.1. Перечень актуальных проблем обоснования прочности РУ.
В рамках общего подхода к автоматизации расчетных работ в 80-е годы в ОКБ «Гидропресс» были разработаны технологические подсистемы СТАТ и СЕЙСМИКА. Дальнейшее развитие вычислительных программ проходило в рамках внедрения персональных компьютеров, возможности которых постоянно возрастали, что стимулировало модернизацию эксплуатирующихся программ, разработку и приобретение новых отечественных и зарубежных программ и програм-мных комплексов.
Можно выделить пять групп расчетов по назначению расчетной информации:
– определение динамических нагрузок;
– определение температурных полей;
– собственно расчет на прочность, включающий: определение напряженно-деформированного состояния (НДС), анализ статической и циклической прочности, расчет на статическую и динамическую прочность ВКУ, расчет на прочность и формоизменение ТВС, расчет на сопротивление хрупкому разрушению (СХР);
– обоснование применимости концепции течь перед разрушением (ТПР);
– вероятностные анализы разрушения (ВАР) и анализы надежности.
В настоящее время в расчетах на прочность активно используются около двух десятков программ, указанных на рис.2. Набор программ сложился на протяжении длительного периода и продолжает пополняться. Программные средства различаются по своему назначению. Часть из них универсальна и может быть применена для решения различных по физической природе задач. Программные средства, применяемые в обоснованиях безопасности и прочности ядерных установок, подвергаются процедуре аттестации в надзорном органе (лицензированию).
Рис.2. Программы, используемые для расчетов на прочность РУ.
В конце данной главы приводятся краткое описание некоторых из указанных на рис.2 программ и ряд моделей для расчета, например, узлов уплотнений (рис.3, 4) и узла соединения коллектора теплоносителя с корпусом парогенератора (ПГ) (рис.5, 6). Описание программ, в разработке которых автор принимал непосредственное участие, и примеры их применения даются в соответствующих разделах диссертации.
