Исследование напряжений в оборудовании реакторных установок
Знание напряженно-деформированного состояния (НДС) оборудования реакторных установок является одним из ключевых моментов для обоснования ресурса. ОКБ «Гидропресс» проводит комплексное исследование напряженно-деформированного состояния оборудования, включая:
- детальное исследование напряженного состояния наиболее напряженных узлов экспериментальными методами: тензометрии, фотоупругости, голографии;
- оптимизацию геометрических форм конструкции на моделях с целью снижения уровня напряжений в зонах концентрации;
- моделирование термомеханических нестационарных процессов в оборудовании реакторных установок на моделях и натурных узлах с целью обоснования прочности;
- исследование технологических напряжений в оборудовании в процессе производства с использованием методов тензометрии и голографии;
- исследование напряжений и деформаций в оборудовании реакторных установок при монтаже и эксплуатации.
Большинство режимов работы реакторных установок ВВЭР сопровождается высокой нагруженностью оборудования, в том числе значительными градиентами и пространственными распределениями температурных напряжений, сравнительно быстро изменяющимися во времени. Расчетное определение напряжений в зонах конструктивной неоднородности и несимметрии является сложным и содержит ряд допущений, снижающих точность результатов расчета. В связи с этим, данные о распределениях температур и напряжений в оборудовании ВВЭР при различных режимах эксплуатации получены экспериментальными методами.
Наряду с проводимыми исследованиями на натуре и металлических моделях разработана методика определения температурных напряжений на пластмассовых моделях. Эта методика позволяет на сравнительно недорогих моделях конструкций сложной формы, выполненных из полимерных материалов, получить данные по напряжениям в нестационарных режимах с использованием методов тензометрии.
Полученная экспериментальная информация используется для оптимизации проектных режимов, позволяет отработать оптимальный регламент эксплуатации оборудования, а также может быть использована для верификации расчетных методик, применяемых при обосновании прочности и ресурса оборудования реакторной установки.
Опыт эксплуатации объектов атомной энергетики указывает на актуальность контроля напряженно-деформированного состояния конструкций в процессе всего их жизненного цикла. При этом уже на до эксплуатационных стадиях (изготовление и монтаж) в оборудовании образуются поля технологических напряжений и деформаций, с которыми неразрывно связаны эксплуатационная прочность и ресурс конструкций. Классическим примером является возникновение в коллекторах парогенераторов ПГВ-1000 остаточных напряжений, которые, как показала практика, могут служить первопричиной отказов в эксплуатации.
Величина и распределение технологических напряжений являются исходными данными в расчетах на прочность корпусов оборудования и трубопроводов РУ ВВЭР, включая поверочные расчеты на циклическую прочность и на сопротивление хрупкому разрушению. Ввиду сложности и многообразия технологических операций, совершаемых при изготовлении и монтаже, теоретическое описание происходящих в металле физических процессов и, соответственно, определение напряжений расчетными методами вызывают, как правило, значительные трудности. В связи с этим основными средствами изучения технологических напряжений и деформаций в реальном оборудовании являются экспериментальные методы.
В ОКБ «Гидропресс» создан и используется комплекс измерительных систем и методик на базе голографической интерферометрии, тензометрии и фотоупругости, позволяющих решать следующий круг задач:
- определение остаточных напряжений и деформаций в элементах оборудования в процессе изготовления и монтажа на заводах- изготовителях (пооперационно, а также по всей совокупности применяемых технологических операций);
- определение остаточных напряжений на опытных образцах в заводских или в лабораторных условиях с оптимизацией технологических операций и процессов, совершаемых при изготовлении, по напряженному состоянию;
- определение технологических напряжений и деформации в оборудовании в процессе монтажа (демонтажа, перемонтажа) на заводах-изготовителях и на объектах эксплуатации;
- моделирование поверхностных и подповерхностных технологических дефектов (объемных и трещиноподобных) и определение локальных параметров состояния и развития дефектов в условиях технологических и эксплуатационных воздействий.
Наиболее полные исследования технологических напряжений проводились на опытном образце парогенератора в процессе его изготовления до и после внедрения мероприятий по оптимизации технологии изготовления.
Проведенные исследования напряженно-деформированного состояния коллекторов в процессе изготовления парогенератора показали, что технология изготовления оказывает доминирующее влияние на НДС коллектора и позволили отработать технологию запрессовки теплообменных труб, которая существенно снижает уровень остаточных деформаций и напряжений.
Оптимизация выполнения технологических операций обеспечила увеличение ресурса коллекторов парогенератора в ~ 30 раз.
Для исследования напряженно-деформированного состояния оборудования на этапах монтажа, пусконаладки и освоения мощности реакторной установки до 100% наибольшее распространение получили тензометрические методы. Натурное тензометрирование конструкций позволяет оценить эксплуатационные режимы, провести контроль НДС в наиболее нагруженных зонах и с использованием этих данных выполнить оценку прочности и ресурса работы оборудования. Для этой цели разработана специальная система пусконаладочных измерений, которая введена в состав проектов установок ВВЭР-1000 и обязательна при проведении пусконаладочных работ. В пусконаладочных измерениях выявляются непроектные состояния реакторной установки, отрабатывается регламент работы реакторной установки, повышающий ее эксплуатационную надежность, определяется НДС в наиболее нагруженных зонах.
В процессе пусконаладочных измерений исследуется температурное и напряженно-деформированное состояние оборудования практически во всех режимах эксплуатации.
Отдельные системы применяются при измерениях НДС оборудования реакторных установок в процессе эксплуатации. При возникновении непроектных ситуаций натурные измерения могут дополняться исследованиями в стендовых и лабораторных условиях на натурных фрагментах и на моделях, в зависимости от конкретных задач.
Полученные данные свидетельствуют о справедливости деформационных критериев на малоциклового разрушения, правомерность принятых нормативных методов оценки работоспособности для крупногабаритных конструкций по критериям инициирования усталостного разрушения.
Другим предельным состоянием при оценке ресурса оборудования РУ ВВЭР является обеспечение сопротивления хрупкому разрушению конструкции. Применяемые методы расчета прочности также нуждались в экспериментальной проверке при испытании моделей до разрушения. В США было испытано однократным гидравлическим давлением более 10 моделей сосудов и во всех случаях были получены достаточные запасы прочности по разрушающему давлению по сравнению с расчетными оценками по линейной механике разрушения. Кроме того были проведены испытания по режимам, имитирующим аварийную ситуацию. В частности, испытаны до разрушения на термоудар корпуса сосудов с толщиной стенки 90 и 152мм при термическом нагружении без давления и с постоянным внутренним давлением.
В ЦНИИ КМ «Прометей» по совместной с ОКБ «Гидропресс» программе были выполнены экспериментальные исследования на моделях двух наиболее характерных узлов реакторов ВВЭР: патрубковая зона корпуса реактора ВВЭР-1000 (узел приварки трубопровода Ду 850 к патрубку корпуса) и обечайка активной зоны корпуса реактора ВВЭР-440.
Первая модель соответствовала пластичному состоянию металла, вторая — хрупкому за счет термического воздействия на металл специальными режимами термической обработки (имитация состояния металла в конце срока эксплуатации).
Программа испытаний каждой модели включала гидроциклическое нагружение внутренним давлением по режиму, соответствующему уровню действующих напряжений в гладкой части корпуса реактора ВВЭР-1000 при гидроопрессовке, и гидравлическое нагружение внутренним давлением до разрушения. Количество циклов нагружения составляло 104, т. е. на порядок больше, чем количество проектных гидроопрессовок.
Детальная информация по условиям и результатам испытаний представлена в работе [17]. Полученные результаты свидетельствуют о приемлемости критериев разрушения для анализа прочности сосудов высокого давления из теплоустойчивых сталей, предназначенных для изготовления энергетического оборудования, при наличии дефектов глубиной 0,3-0,6 толщины стенки.
