4.2 ВИДЫ СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБОРУДОВАНИЕ ПРИ РАЗРЫВАХ ТРУБОПРОВОДОВ
Типичный набор возникающих гидродинамических воздействий на оборудование и конструкции при разрывах трубопроводов представлен ниже. При анализе конкретного оборудования рассмотрению подлежит либо их полный набор, либо часть из указанных воздействий:
- динамические воздействия от вскипающего теплоносителя на наружную поверхность корпусов реактора, парогенератора, компенсатора давления и другого основного оборудования, а также их опорные конструкции;
- динамические нагрузки от ударных волн на оборудование, системы безопасности и другие конструкции;
- повышение общего давления в помещениях АЭС, в которых располагаются системы, важные для безопасности РУ;
- реактивные нестационарные и стационарные силы, действующие на корпуса и трубопроводы, в том числе на гибы трубопроводов;
- динамические нагрузки на внутрикорпусные устройства реактора при разрывах трубопроводов системы первого контура;
- динамические нагрузки на тепловыделяющие сборки активной зоны реактора при разрывах трубопроводов системы первого контура;
- динамические нагрузки на ВКУ парогенератора при разрыве паропровода или трубопровода питательной воды;
- динамические нагрузки от струй теплоносителя на оборудование систем безопасности и другие конструкции (теплоизоляция, строительные конструкции и др.);
- динамические нагрузки от «летящих предметов» на оборудование систем безопасности и другое оборудование;
- «хлыстовые» движения и удары концов трубопровода по находящемуся вблизи оборудованию;
- гидравлические удары в первом контуре.
Рассмотрим указанные воздействующие факторы подробнее. На основе приведенных ниже описаний процессов строятся расчетные физико-математические модели и компьютерные программы.
Динамические нагрузки на наружную поверхность корпуса оборудования (реактора, парогенератора, компенсатора давления и др.) возникают при вскипании истекающего из разрыва трубопровода теплоносителя вблизи корпуса. Они являются следствием нестационарного неравномерного поля давления среды, образующегося вокруг корпуса. Силы давления имеют колебательный характер, обусловленный упругостью паровоздушной среды. Амплитуда равнодействующей силы, действующей, например, на корпус реактора ВВЭР или парогенератора, может достигать более десяти меганьютонов, а период колебаний составляет от единиц до десятков миллисекунд. В начальной фазе процесса скорость распространения вскипающего теплоносителя может превышать скорость звука в окружающем воздухе, затем при расширении этой зоны повышенного давления скорость ее фронта уменьшается. При этом от зоны сжатия среды отделяется ударная волна (см. ниже), которая распространяется в пространстве. По истечении некоторого времени, по мере распространения энергии сжатой среды в окружающее пространство, колебательный процесс постепенно затухает. Распределенные силы давления на наружную поверхность корпуса представляют определенную опасность для опор реактора и учитываются в расчетах формоизменения и прочности. Указанные характеристики процесса соответствуют представлению его при мгновенном разрыве трубопровода. Такое предположение часто используется в практических расчетных анализах, что удовлетворяет российским нормативным требованиям (применение принципа консерватизма). При неудовлетворительных результатах расчета с точки зрения соответствия критериям безопасности принимается время раскрытия сечения разрыва трубопровода, отличное от нуля. Это приводит к более умеренным нагрузкам, но требует обоснования данной временной характеристики. Характер изменения усилия на корпус реактора показан на рис. 4.1 и на корпус парогенератора- на рис. 4.2.
Рис. 4.1. Усилие на наружную поверхность корпуса реактора при разрыве ГЦТ
Рис. 4.2. Усилие на корпус парогенератора при разрыве паропровода
Динамические нагрузки от ударных волн представляют собой импульсные усилия, воздействующие в данном случае на различное оборудование, системы безопасности и другие конструкции (теплоизоляция, строительные конструкции и др.). Ударная волна при разрыве трубопровода образуется в некоторый момент времени при расширении вскипающего теплоносителя в пространстве, когда скорость движения фронта зоны повышенного давления (зона возмущения) снижается до значения, равного скорости звука в воздухе. При дальнейшем замедлении фронта зоны возмущения от него отделяется фронт давления сжатого воздуха, который распространяется дальше со скоростью звука в невозмущенном воздухе и воздействует на встречающиеся на его пути преграды (оборудование, трубопроводы, стены помещений - боксов и др.). На пути распространения ударная волна может повредить оборудование и строительные конструкции и даже вызвать их значительные разрушения. Например, в случае такого катастрофического (гипотетически) разрыва, как мгновенный разрыв главного циркуляционного трубопровода, интенсивность ударной волны может достигать нескольких сотен килопаскалей, в результате чего могут разрушиться стены боксов и усугубиться авария на АЭС.
Рис. 4.3. Изменение давления в ударной волне
1 - давление на границе раздела сред; 2 - давление на гребне ударной волны в воздухе
Расчетная интенсивность ударной волны сильно зависит от указанного выше временного фактора разрыва трубопровода, от исходных параметров теплоносителя и от других факторов. Их уточнение для снижения расчетного значения мощности ударной волны, ввиду неопределенностей, связано со значительными трудностями, так что приходится использовать принцип консерватизма, а если при этом воздействие ударной волны на рассматриваемый объект превышает установленные критерии, проектировщиками АЭС принимаются специальные меры. Изменение давления в ударной волне показано на рис. 4.3.
Повышение общего давления в помещениях АЭС при разрыве трубопроводов также является предметом рассмотрения в проектах АЭС с точки зрения его воздействия на системы, важные для безопасности, и строительные конструкции АЭС. Особо ответственной задачей в этом смысле является обоснование целостности (прочности и плотности) защитной оболочки РУ - контейнмента как последнего барьера на пути возможного распространения радиоактивных веществ в случае их выхода из РУ при аварии, связанной с повреждением тепловыделяющих элементов. В проектах для обоснования безопасности АЭС в таких ситуациях также специально моделируются теплогидравлические и другие связанные с ними процессы с помощью соответствующих компьютерных программ. Данный аспект расчетного анализа является прерогативой Генерального проектировщика АЭС и в данной главе не обсуждается.
Следующим силовым фактором, рассматриваемым в проектах РУ, являются реактивные силы, действующие на корпуса и трубопроводы, в том числе на гибы трубопроводов. Реактивные силы, возникающие при разрыве высокоэнергетического трубопровода РУ, содержащего воду или водяной пар при большом давлении и температуре, могут достигать весьма высоких значений. В зависимости от диаметра трубопровода, параметров теплоносителя и некоторых других факторов их величина может быть от сотен килоньютонов до нескольких меганьютонов. В процессах, связанных с разрывами трубопроводов, они имеют, как правило, нестационарный характер. Применительно к условиям в РУ ВВЭР нестационарную реактивную силу можно представить как сумму двух составляющих: волновой и расходной, проявляющихся на различных стадиях нестационарного процесса.
Изменение во времени коэффициента реактивной силы (отношение реактивной силы к произведению давления в сосуде и площади канала истечения) показано на рис. 4.4.
Далее рассмотрим динамические нагрузки на внутрикорпусные устройства (ВКУ) и тепловыделяющие сборки (ТВС) реактора при разрывах трубопроводов системы первого контура.
Рис. 4.4. Изменение во времени коэффициентов реактивной силы
1 - коэффициент полной реактивной силы; 2- коэффициент расходной реактивной силы; 3 - коэффициент волновой реактивной силы
При разрыве какого-либо трубопровода системы первого контура: ГЦТ или соединенного с ним трубопровода, в трубопроводе (или при разрыве чехла СУЗ под крышкой реактора) возникает волна "разрежения" (резкое падение давления), которая распространяется со скоростью звука в среде по всему контуру циркуляции теплоносителя. Возмущение проникает в реактор и распространяется по его объемам, создавая неравномерное нестационарное поле давлений среды на ВКУ реактора: на несущей активную зону шахте реактора, на выгородке, опорных решетках ТВС, элементах механизмов СУЗ, разделителе потока теплоносителя и других элементах, а также на внутренней поверхности корпуса реактора. Неравномерность поля давлений создается за счет неодновременного достижения волной возмущения разных точек пространства по всем направлениям - аксиальному, радиальному и азимутальному. В результате на перечисленные ВКУ воздействуют значительные нестационарные динамические нагрузки с периодом колебаний от нескольких единиц до десятков и сотен миллисекунд. Амплитуда этих нагрузок имеет порядок от десятков до нескольких тысяч тонн. Особенно большие усилия возникают на ВКУ и передаются на их опорные узлы при разрыве ГЦТ в местах присоединения ГЦТ к патрубкам реактора. Так, мгновенные значения равнодействующей сил давления на цилиндрическую поверхность шахты реактора могут достигать нескольких десятков меганьютонов. Эти усилия могут вызывать большие механические напряжения и деформации в элементах конструкций, что учитывается в проектах РУ, например, путем усиления опорных кронштейнов шахты реактора.
Боковое усилие, действующее на шахту реактора после разрыва ГЦТ, приведено на рис. 4.5.
При разрыве трубопровода первого контура волна разрежения проникает в активную зону реактора, создавая неравномерное поле давлений на твэлах и других элементах. Это обусловлено несимметричным азимутальным возмущением давления теплоносителя на входе в реактор или выходе из него в зависимости от расположения разорвавшегося трубопровода.
Рис. 4.5. Боковое усилие, действующее на шахту реактора при разрыве ГЦТ
В результате на твэлы и ТВС воздействуют нестационарные неравномерные силы давлений, которые вызывают колебания ТВС и твэлов, дополнительные напряжения в их конструкциях и могут привести к остаточным, опасным с точки зрения правил безопасности деформациям последних. В проектах РУ эти явления также рассматриваются в расчетных анализах.
Что касается неуравновешенных сил давления теплоносителя, действующих на внутреннюю поверхность корпуса реактора, то они учитываются в расчетных анализах прочности опор реактора в виде реактивной силы, действующей на реактор, упомянутой выше.
Во внутреннем пространстве корпуса парогенератора при разрыве паропровода или трубопровода питательной воды также возникают аналогичные неравномерные нестационарные поля давлений теплоносителя, которые создают значительные усилия на ВКУ: теплообменные трубы, дырчатый лист (элемент для равномерного распределения пара по зеркалу воды второго контура), жалюзи и др. Кроме того, на разорвавшийся внутри корпуса парогенератора трубопровод действуют реактивные силы, которые также учитываются в анализах нагрузок прочности конструкций.
Струя теплоносителя, истекающего из разрыва трубопровода под давлением, также может вызвать опасные последствия для технологического оборудования или какой-либо системы безопасности в случае, если они окажутся в зоне воздействия струи. Например, попадание струи на трубопровод, подающий охлаждающую воду в реактор в проектной аварии с разрывом трубопровода первого контура, может разрушить теплоизоляцию трубопровода и заблокировать охлаждение реактора вследствие попадания фрагментов теплоизоляции в приямок на всасе насоса системы аварийного охлаждения реактора. Динамическое воздействие струи в значительной степени зависит от параметров теплоносителя в трубопроводе, поперечных размеров струи, ориентации поверхности воздействия (преграды) к направлению струи, структуры этой поверхности и расстояния от места разрыва до преграды. На некотором предельном расстоянии от места разрыва, вследствие вскипания теплоносителя и потери его энергии в пространстве, воздействие струи на преграду становится пренебрежимо малым.
На практике рассматривается множество гипотетических ситуаций с воздействием струй на различное оборудование, и в необходимых случаях принимаются меры по защите оборудования от действия струй.
В проектных обоснованиях по воздействию гидродинамических нагрузок на оборудование и строительные конструкции при разрывах трубопроводов рассматриваются и сопутствующие им другие нагрузки, такие как механические воздействия так называемых летящих предметов (ЯП), т.е. узлов и деталей оборудования, которые могут оторваться под действием сил давления среды от какого-либо оборудования (фланцы, крепежные детали, штуцеры и др.) и повредить другое оборудование, находящееся в зоне действия ЯП. Интенсивность и последствия воздействия от летящего предмета зависят от его кинетической энергии в момент соударения с преградой, которая, в свою очередь, зависит от массы и скорости ЯП, конфигурации ЯП и ориентации к нему поверхности преграды, а также от траектории движения ЯП. Определение всех этих факторов представляет собой задачу, которая может решаться в вероятностной постановке. В связи с неопределенностью некоторых характеристик движения ЯП на практике обычно применяется инженерный подход в приближенной постановке с использованием принципа консерватизма.
К воздействиям на оборудование АЭС в рамках рассматриваемых здесь явлений нужно отнести также динамику так называемых «хлыстовых» движений концов трубопровода в случае кольцевого разрыва последнего с раздвижением его концов и ударное воздействие концов трубопровода на находящееся вблизи оборудование, если опорные конструкции допускают такие движения. В такой аварии концы трубопровода в случае возможности перемещения в поперечном направлении могут совершать под действием реактивных сил истекающего в разрыв теплоносителя, упругих сил трубопровода и реакции опор сложные, в том числе колебательные, движения. В случае попадания на пути движения трубопровода какого-либо оборудования могут происходить их многократные соударения. Энергия ударов может оказаться достаточной для повреждения или даже разрушения оборудования. Поэтому рассмотрение данных явлений в проектах АЭС и организация мер по защите от них являются важной и часто встречающейся задачей.
Кроме перечисленных явлений в рамках темы данной главы, в некоторых случаях возникает необходимость рассмотрения гидравлических ударов, связанных с резким торможением потока теплоносителя либо с конденсацией пара при контакте с относительно охлажденной водой. При воздействии гидроударов динамические нагрузки на оборудование могут быть весьма большими. Значения давлений среды в зоне гидроудара могут достигать десятков мегапаскалей, что может привести к разрушению некоторых элементов оборудования.
Гидроудары, связанные с торможением потока теплоносителя, проявляются в случаях, когда на пути текущего теплоносителя возникает жесткая преграда, например, очень быстро закрывается клапан. Условиями возникновения гидроударов являются большие скорость и плотность текущей среды (воды), а также быстрое перекрытие сечения тракта среды, время которого меньше или соизмеримо со временем прохождения волны возмущения, движущейся со скоростью звука в среде, от преграды и обратно от конца тракта (трубопровода или другого канала). Гидроудары данного вида рассчитываются по соответствующим уравнениям Н.Е. Жуковского.
Другой разновидностью гидроударов являются ударные процессы, вызываемые быстрой конденсацией паровой фазы при соприкосновении с более холодной водой и заполнением водой образующейся области низкого давления среды. В результате возникает гидроудар. Такой вид гидроудара называется конденсационным. Конденсационный гидроудар может возникнуть, например, в парогенераторе в случае неправильной организации раздачи питательной воды в водяном объеме при наличии в нем паровой фазы. Похожее явление может иметь место в некотором объеме первого контура РУ при аварии с потерей теплоносителя, когда в нем может образовываться паровая фаза и конденсироваться от контакта с более холодной водой из системы охлаждения реактора. Конденсационные гидроудары и условия их возникновения изучены недостаточно.
