Можно утверждать, что из всех отраслей машиностроения, где проектируются сосуды, трубопроводы, теплообменники и т.п., наиболее полный объем прочностных расчетов выполняется в атомном энергетическом машиностроении. В немалой степени этому способствовало появление «Норм расчета на прочность...», которые с течением времени развиваются и дополняются новыми разделами по мере накопления опыта эксплуатации, разработки новых методов, результатов исследований, достижений технологии.
Основой для выполнения расчетного обоснования в настоящее время являются «Нормы расчета на прочность...». На практике основные положения Норм используются и за пределами распространения их официального действия (например, при выполнении расчетов внутренних конструкций корпусного оборудования и т. д.). Расчет на прочность корпусного оборудования и трубопроводов выполняется в два этапа. На первом этапе, который реализуется на стадии разработки чертежей, выполняются расчеты по выбору основных размеров, позволяющие определиться с целым рядом важнейших составных частей и характеристик конструкции, таких как материалы и значения допускаемых напряжений, давление гидравлических испытаний, усилия затяга крепежа разъемных соединений, толщины стенок границ давления контуров, необходимость и параметры укрепления локальных зон конструкций. Выполнение требований Норм на этой стадии позволяет в значительной мере гарантировать выполнение критериев статической прочности, проверяемых на втором этапе при выполнении поверочных расчетов, которые гораздо более обширны и трудоемки. В поверочных расчетах находят отражение обоснования по таким направлениям как статическая и циклическая прочность, устойчивость, сопротивление хрупкому разрушению, вибропрочность, сейсмостойкость. Оценка прочности производится по допускаемым напряжениям, деформациям, нагрузкам, по накопленной повреждаемости, по коэффициентам интенсивности напряжений. Учитываются все действующие нагрузки и рассматриваются все проектные режимы эксплуатации (НУЭ, ННУЭ, ПА).
Основу комплексной системы обоснования прочности, долговечности и надежности элементов РУ ВВЭР составляет технологическая схема, представленная на рисунке. Выполнение работ по данной схеме обеспечивается специальными компьютерными программами и программными комплексами, которые постоянно совершенствуются по мере развития вычислительной техники и нормативно-методической базы. Указанная технологическая схема соответствует нормативной процедуре расчетного обоснования.
Вначале анализируется конструктивное исполнение узлов и элементов, сценарии протекания проектных режимов, результаты физических и теплогидравлических расчетов (данные по флюенсам нейтронов, по энерговыделениям, по изменению теплогидравлических параметров теплоносителя во всех проектных режимах), исходные данные по внешним динамическим воздействиям (поэтажные акселерограммы и спектры отклика для проектного и максимального расчетного землетрясения, падения самолета, внешней ударной волны).
Следующей является стадия определения силовых и температурных нагрузок для каждого элемента РУ во всех расчетных режимах. Под расчетным, в данном случае, понимается или любой из проектных режимов, для которого выполняется расчет НДС, или специально назначаемый условный режим, объединяющий (в том числе и по количеству) несколько проектных режимов, для которых применительно к рассчитываемому узлу отличия по величине и скорости изменения параметров теплоносителя незначительны. Особое значение на данной стадии имеют правильный выбор расчетных моделей, а также наличие вспомогательных (сервисных) программ, позволяющих анализировать большие массивы информации и передавать выбранную информацию для использования в других программных средствах для расчетов НДС в выбранные в результате этого анализа расчетные моменты времени для каждого расчетного режима.
Итогом следующего этапа являются поля напряжений и деформаций рассчитываемого узла, которые подлежат специальной обработке для формирования различных критериев для всесторонней оценки прочности. Так, для проверки статических критериев необходимо выполнить осреднение напряжений от механических нагрузок по сечению, выделить линейную составляющую, вычислить приведенные напряжения соответствующих категорий и провести сравнение с допускаемыми значениями.
Для проверки циклической прочности используются значения напряжений суммарно от всех видов нагрузок с учетом возможной концентрации. При этом, для каждого узла конструкции, как правило, проверяются несколько «опасных» точек. При работе РУ проектные режимы реализуются в определенной последовательности так, что переход из одного стационарного режима в другой может происходить через один или несколько нестационарных режимов. Это является основой для построения диаграммы расчетных режимов, используемой при определении размахов приведенных напряжений, количества и параметров циклов изменения напряжений, необходимых для вычислений допускаемого числа каждого из циклов и накопленной повреждаемости для сравнения с допускаемой величиной.
Для проверки выполнения условий СХР выполняются вычисления параметров механики разрушения (в основном используется коэффициент интенсивности напряжений), которые затем сравниваются с их допускаемыми значениями.
Технологическая схема расчетного обоснования прочности, долговечности и надежности оборудования и трубопроводов РУ ВВЭР
Расчеты на СХР выполняются с учетом возможного изменения свойств материалов в процессе эксплуатации для всех проектных режимов.
Проверка элементов конструкции на устойчивость выполняется путем сравнения действующих сжимающих напряжений, усилий или наружного давления с допускаемыми значениями, которые вычисляются в соответствии с рекомендациями Норм.
В случае совместного действия наружного давления и осевой сжимающей силы проверяется выполнение комбинированного критерия устойчивости.
Накопленный к настоящему времени опыт подтвердил удовлетворительность подходов к расчетному определению усилий, перемещений, деформаций и напряжений, а также приемлемость запасов прочности, содержащихся в действующих Нормах прочности.
В последние годы активно развиваются новые направления обоснования оборудования и трубопроводов, не нашедшие отражения в Нормах[3], но занимающие важное место при оценке качества проекта с позиций безопасности и надежности. К таким направлениям можно отнести:
- вероятностные анализы разрушения оборудования и трубопроводов;
- анализы возможных последствий различных аварий;
- обоснование применимости концепции безопасности «течь перед разрушением» к трубопроводам РУ.
Перечисленные направления примыкают к обоснованию прочности, дополняя и углубляя его со своих позиций, и в настоящее время уже играют весьма заметную роль в общем объеме работ, а также оказывают существенное влияние на облик проекта.
Вероятностные анализы разрушения преследуют решение двух основных задач. Во-первых, для доказательства выполнения критерия из ОПБ-88/97 о том, что вероятность разрушения корпуса реактора не превышает 107 на реактор в год. Выполнение данного критерия позволяет при анализе безопасности не учитывать в качестве исходного события разрушение корпуса реактора. Во-вторых, результаты вероятностных анализов разрушения в виде рассчитанных значимых вероятностей течей того или иного масштаба из оборудования и трубопроводов РУ используются в вероятностном анализе безопасности в качестве вероятностей возникновения соответствующего исходного события при проверке выполнения вероятностных критериев по тяжелому повреждению активной зоны и по предельному аварийному выбросу. Эти значения позволяют судить о качестве проекта в целом. Для выполнения вероятностных анализов разрушения используется математический аппарат и модели статистической механики разрушения; статистические базы данных по дефектности оборудования и трубопроводов, по механическим свойствам применяемых материалов и сварных соединений; данные по частоте реализации проектных режимов; результаты расчета напряжений. На основе вероятностных анализов разрушения также выполняются анализы надежности оборудования и трубопроводов РУ; определяются необходимая чувствительность систем контроля металла, допустимые размеры дефектов и их допустимое количество; проводится оптимизация эксплуатационного контроля состояния металла в части определения минимальнодопустимой периодичности проведения контроля различными методами и определения минимально допустимой величины давления при гидроиспытаниях первого контура; оценивается ресурс рассматриваемого оборудования или трубопровода.
Анализы возможных последствий аварий выполняются за пределами применимости Норм расчета на прочность и касаются проектных и запроектных аварий. В качестве примеров можно указать на следующие три:
- анализ возможных последствий гипотетического обрыва шахты реактора;
- анализ возможных последствий падения тяжелых предметов в бассейн выдержки;
- анализ термомеханического поведения корпуса реактора при взаимодействии его с кориумом при плавлении активной зоны. Выполнение такого рода анализов дает возможность получить
более четкое представление о наиболее вероятных путях развития аварий и, соответственно, оптимизировать управление такими авариями, а также дать прогнозную информацию о конечном состоянии конструкции для использования в соответствующих теплогидравлических и физических расчетах.
Проверка применимости концепции безопасности ТПР производится в соответствии с нормативными методикой и руководством, содержащих необходимые предпосылки, основные положения, критерии и методические указания для обоснования данной концепции применительно к трубопроводам. Используются различные процедуры, базирующиеся на методах механики разрушения и термогидравлическом анализе. Одним из главных требований является наличие для рассматриваемого трубопровода обоснования прочности, выполненного в соответствии с Нормами и учитывающего (при их наличии в эксплуатационных условиях) такие специфические воздействия, как вибрации, гидроудары, температурная стратификация теплоносителя, термопульсации, впрыски холодной воды (термошоки). Для окончательного подтверждения результатов расчетов в период освоения мощности предусматриваются контрольные измерения перемещений, вибраций, деформаций, циклических нагрузок в критических зонах.
Применимость концепции ТПР для конкретного трубопровода АЭС означает, что имеется реально доказанная возможность своевременно обнаружить дефектное сечение трубы, безопасно остановить реактор, провести ремонт или замену трубы и, тем самым, исключить внезапный разрыв трубопровода.
Для решения сложных комплексных проблем выполняются расчетно-экспериментальные исследования, включающие, наряду с разработкой теоретической модели, исследования на масштабных моделях с последующей проверкой на натурном макете или непосредственно на АЭС.
Перспективы и направления развития обоснования прочности
Изложенное в предыдущих разделах дает общее представление о состоянии дел с обоснованием прочности и долговечности РУ ВВЭР, о направлениях совершенствования этого обоснования, о роли и месте прочности в обеспечении безопасности. Необходимость развития и усовершенствования действующих Норм прочности связана с непрерывным прогрессом в области механики деформирования и разрушения как основы определения прочности и ресурса, с повышением рабочих параметров и разработкой новых типов установок. Кроме того, на основании имеющегося опыта можно сформулировать два принципиальных тезиса, которые определяют главные перспективы и направления развития прочностного обоснования.
Во-первых, создание расчетной модели есть неизбежный процесс аппроксимации (упрощения) рассматриваемой реальной конструкции до вида, поддающегося расчету имеющимися в данный момент в распоряжении инженера методами и средствами.
Из данного тезиса вытекает необходимость:
- обеспечения преемственности накопленного предыдущего опыта и формирование у специалистов культуры безопасности;
- постоянной работы над совершенствованием расчетных моделей, методов и программных средств;
- оснащения расчетных подразделений современной вычислительной техникой.
Во-вторых, даже самый тщательный учет при проектировании и обосновании РУ всех выявленных и исследованных на данный момент факторов, явлений и процессов не может полностью гарантировать от появления в будущем новых проблем, о существовании которых ни опыт эксплуатации, ни опыт конструирования, ни современная наука пока не указывают. Это неизбежно и характерно для любой технической сферы деятельности, а тем более в тех областях техники, где срок службы конструкции сопоставим с длительностью человеческой жизни.
Этот тезис требует всестороннего развития теоретических и экспериментальных исследований в областях науки и техники, определяющих уровень конструкторских разработок, а также пограничных с ними. Применительно к обоснованию прочности и долговечности это исследования в областях:
- радиационного материаловедения;
- конструкционной прочности;
- механики разрушения;
- гидродинамики и гидроупругости;
- термомеханики;
- динамики и сейсмостойкости конструкций;
- моделирования процессов и конструкций.
Основным же здесь следует считать наличие в конструкторских организациях специалистов должной квалификации и опыта, способных воспринимать достижения современной науки, способных ставить и решать соответствующие прикладные задачи, а также способных привнести в практику обоснования прочности и долговечности РУ достижения перечисленных выше прикладных дисциплин.
Главным инструментом, обеспечивающим качество прочностного обоснования, являются программные средства, находящиеся в распоряжении расчетчика. Здесь, наряду с постоянно проводимой модернизацией имеющихся программных средств, ведутся новые разработки. При этом, в центре внимания на ближайшие годы должны находиться следующие вопросы:
- верификация и лицензирование программных средств в надзорных органах;
- разумная отраслевая унификация программных средств;
- создание отраслевой системы обучения и сертификации пользователей программных средств;
- создание в специализированных подразделениях предприятий баз данных и знаний, аккумулирующих опыт и результаты различных обоснований и позволяющих их оперативное использование в различных целях;
- развитие сервисных программных средств, позволяющих автоматизировать подготовку и задание данных, контролировать ход решения задачи, обрабатывать и представлять результаты в удобном для дальнейшего использования виде, передачу результатов потребителям.
В области совершенствования расчетных моделей оборудования и трубопроводов следует указать, прежде всего, на следующие направления:
- разработка комплексных моделей, адекватно описывающих различные физические процессы или связанные процессы, например, термоупругость, термопластичность, гидроупругость;
- учет различных нелинейных эффектов (большие перемещения, различные виды физической нелинейности, конструкционные нелинейности, гистерезисные явления);
- учет динамического характера некоторых нагрузок;
- разработка расчетных моделей узлов с привлечением результатов экспериментальных исследований, например, разъемные соединения, тройниковые соединения и штуцера в трубопроводах;
- унификация расчетных моделей узлов близкого конструктивного исполнения для различного оборудования.
Соответствующие работы предусматриваются и проводятся в рамках планируемых научно-исследовательских работ и в процессе текущей работы над конкретными проектами.
Несмотря на то, что действующие Нормы расчета на прочность обеспечивают надлежащее качество обоснования прочности и долговечности РУ, в будущем особая роль должна отводиться совершенствованию нормативной базы. Именно в Нормах расчета на прочность концентрируются последние достижения в области науки о прочности, апробированные в приложении к ядерной технике, и предыдущий опыт. Именно в них реализуется разумный консерватизм, позволяющий избегать серьезных ошибок и их последствий из-за неучета или недооценки влияния тех или иных факторов. Важнейшими направлениями совершенствования Норм расчета на прочность [3] с позиций опыта их применения для РУ ВВЭР являются:
- дополнение Норм новыми разделами, отражающими специфику расчетов и оценки прочности различного оборудования, такого, как ВКУ реактора, привода СУЗ, опорные конструкции оборудования и трубопроводов;
- переработка разделов Норм, связанных с определением и обработкой полей напряжений, в которых должны учитываться современные методы расчета НДС, ориентированные на использование вычислительной техники и работу с большими массивами информации;
- переработка с учетом современных достижений основных разделов Норм: расчет на устойчивость, расчет на циклическую прочность, расчет на СХР, расчет на сейсмические воздействия, расчет на вибропрочность;
- изъятие из Норм и издание в виде отдельного справочника всех приложений и разделов рекомендательного характера;
- издание в виде отдельной книги материалов (комментариев), содержащих с необходимыми ссылками научные, методологические и исторические основы создания Норм расчета на прочность, позволяющих новым поколениям специалистов в области расчетов на прочность глубже разобраться в них и осознанно руководствоваться ими в своей работе;
- издание в виде отдельной книги материалов по сопоставлению российских Норм расчета на прочность с соответствующими нормативными документами других стран с развитой ядерной энергетикой (США, Франция, Германия, Япония).
Реализация изложенных в данном разделе предложений требует координированных усилий всей отрасли, привлечения соответствующих средств, а также участия других отраслей и научных учреждений; их выполнение позволит повысить уровень обоснования и безопасности АЭС.
