Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)2236210.22363/1815-5235-2019-15-5-384-391Dynamics of structures and buildingsДинамика конструкций и сооруженийResearch ArticleThe research of the stress-strain state with local thinning in pipelines and determination of allowable values of concentration stress and strainИсследование закономерностей напряженно-деформированного состояния при локальном утонении в прямолинейных участках трубопроводовKuzminDmitry A.КузьминДмитрий Александрович

PhD, head of NPP Reliability Division

кандидат технических наук, начальник отдела надежности

Andreenkova26@list.ruAndreenkovaAnastasia V.АндреенковаАнастасия Валерьевна

master's degree, engineer of 1 category

магистр, инженер 1 категории

Andreenkova26@list.ruAll-Russian Research Institute for Nuclear Power Plants OperationАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций»15122019155VOL 15, NO5 (2019)ТОМ 15, №5 (2019)38439104122019Copyright ©; 2019, Kuzmin D.A., Andreenkova A.V.Copyright ©; 2019, Кузьмин Д.А., Андреенкова А.В.2019Kuzmin D.A., Andreenkova A.V.Кузьмин Д.А., Андреенкова А.В.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/22362

Relevance. The nuclear power plant contains a large number of equipment and pipelines subject to flow acceleration corrosion. As a result of a combination of various parameters - sizes (diameters, wall thickness), operational parameters (internal pressure, temperature), steels and elements types - the number of design cases is tens of thousands, without counting the possible forms of thinning. The process of maintenance and repair at the stations are doing an assessment of the accordance of actual and allowable values of wall thicknesses. The ensuring safe operations of equipment and pipelines have been introduced correction functions for regulatory functions, taking into account the forms of thinning, to determine the permissible thinning. The aim of the work. The task is to determine the influence of the forms and types of thinning on the stress-strain state and to determine the most critical thinning for straight sections of pipelines subject to flow acceleration corrosion taking into account emergency conditions. Methods. The allowable values of stress concentration factors (deformations) of pipelines subject without flow acceleration corrosion was determined taking into account allowable values, the requirements of the federal norms and rules for emergency operating conditions. For researches of the stress concentration coefficients were used the finite element method and analytical methods for various shapes, sizes and depths of thinning. Results. A method has been developed, that allows getting the maximum allowable values of stress concentration factors (deformations) for emergency operation, which afford to determine the maximum allowable depth of thinning in emergency conditions - an above criterion. The researches have been carried out definition of the stress concentration factors for local thinning with various types of these thinning. The functions of concentration coefficients depending on the geometric parameters of local thinning wall thickness were determined for a straight section of the pipeline. As a result of the research, the dependences of the sizes of thinning on the concentration coefficients for straight pipelines were created and a master-curve was obtained. The researches were carried out take into account the load from internal pressure and bending moment.

Актуальность. На АЭС содержится большое количество оборудования и трубопроводов, подверженных эрозионно-коррозионному износу. В результате сочетания различных параметров - типоразмеров (диаметры, толщина стенок), эксплуатационных параметров (внутреннее давление, температура), марок сталей и типов элементов - количество расчетных случаев составляет десятки тысяч, не считая возможных форм утонений. В процессе технического обслуживания и ремонта на станциях проводят оценку соответствия фактических и допускаемых значений толщины стенок. Для обеспечения безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов введены поправочные функции к нормативным зависимостям, учитывающие форму утонения, для определения допустимых утонений. Цель. Поставлена задача определить влияние форм локальных утонений на напряженно-деформированное состояние и критическое утонение для прямолинейных участков трубопроводов, подверженных механизму эрозионнокоррозионного износа с учетом аварийных режимов. Методы. Для определения допускаемых значений коэффициентов концентрации напряжений трубопроводов, подверженных эрозионно-коррозионному износу, были использованы требования федеральных норм и правил с учетом аварийных режимов эксплуатации. Для исследования коэффициентов концентрации напряжений использовался метод конечных элементов и аналитические методы для различных форм, размеров и глубин утонений. Результаты. Разработан метод, который позволяет получить допускаемые значения коэффициентов концентрации напряжений для аварийных режимов эксплуатации, что позволяет определить допускаемую глубину утонения в аварийных режимах - критерий сверху. Проведены исследования по определению коэффициентов концентрации напряжений при локальном утонении для различных форм этих утонений. Определены зависимости коэффициентов концентрации от геометрических параметров локального утонения при заданной толщине стенки для прямолинейного участка трубопровода. В результате исследований построены зависимости глубины утонений от коэффициентов концентраций для прямолинейных участков трубопроводов, получена мастер-кривая. Проведенные исследования учитывают нагрузку от внутреннего давления и изгибающего момента.

pipelinesflow acceleration corrosionvolume thinning, stress concentration coefficientstrengthтрубопроводыэрозионно-коррозионный износобъемное утонениекоэффициент концентрации напряженийпрочностьPovarov O.A., Tomarov G.V., Zharov V.N. (1990). Eroziya-korroziya elementov turbinnyh ustanovok nasyshchennogo para [Erosion-corrosion of elements of turbine units of saturated steam]. Teploenergetika [Thermal Engineering], (12), 21–32. (In Russ.)Поваров О.А., Томаров Г.В., Жаров В.Н. Эрозиякоррозия элементов турбинных установок насыщенного пара // Теплоэнергетика. 1990. № 12. С. 21-32.Stepanov I.A. (1994). Monitoring ostatochnogo resursa oborudovaniya AES po pokazatelyam korrozionnomekhanicheskogo iznosa konstrukcionnyh materialov [Monitoring the residual life of NPP equipment by indicators of corrosion-mechanical wear of structural materials]. Teploenergetika [Thermal Engineering], (5), 36–39. (In Russ.)Степанов И.А. Мониторинг остаточного ресурса оборудования АЭС по показателям коррозионномеханического износа конструкционных материалов // Теплоэнергетика. 1994. № 5. С. 36-39.Fillips M. (1969). Vliyanie himicheskoj obrabotki vody i osobennostej konstrukcii na korroziyu trubchatyh podogrevatelej pitatel'noj vody iz uglerodistoj stali [The effect of chemical water treatment and structural features on the corrosion of tubular carbon steel feed water heaters]. Energeticheskie mashiny i ustanovki [Power machines and installations], (2), 42–50. (In Russ.)Филлипс М. Влияние химической обработки воды и особенностей конструкции на коррозию трубчатых подогревателей питательной воды из углеродистой стали // Энергетические машины и установки. 1969. № 2. С. 42-50.Tokohash S., Horinuti T. (1974). Gidrodinamicheskie sily, vyzyvayushchie udarnuyu korroziyu vhodnyh koncov trubok iz uglerodistoj stali v podogrevatelyah vysokogo davleniya [Hydrodynamic forces causing shock corrosion of carbon steel inlet ends in high pressure heaters]. Novosti zarubezhnoj tekhniki [News of foreign technology], (95), 5–25. (In Russ.)Токохаш С., Хоринути Т. Гидродинамические силы, вызывающие ударную коррозию входных концов трубок из углеродистой стали в подогревателях высокого давления // Новости зарубежной техники. Вып. 95. Л., 1974. С. 5-25.Wu P.C.S. (1990). Pipe wall thinning in US light water reactors. IAEA Vienna: Proceedings of Specialists Meeting Organized by the Inter. Atom. Energy Agency (Vienna, 12–14 September 1988) (pp. 41–42).Wu P.C.S. Pipe wall thinning in US light water reactors // IAEA Vienna: Proceedings of Specialists Meeting Organized by the Inter. Atom. Energy Agency (Vienna, 12-14 September, 1988). 1990. Pp. 41-42.Vivekanand Kain. (2014). Flow Accelerated Corrosion: Forms, Mechanisms and Case Studies. Procedia Engineering, (86), 576–588. DOI: 10.1016/j.proeng.2014. 11.083Vivekanand Kain. Flow Accelerated Corrosion: Forms, Mechanisms and Case Studies // Procedia Engineering. 2014. No. 86. Pp. 576-588. DOI: 10.1016/j.proeng. 2014.11.083Kuz'min D.A. (2016). Investigation of the conditions of safety ensure of the main circulating pipeline on the basis of the LBB concept. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, (5), 16–23. (In Russ.)Кузьмин Д.А. Исследование условий обеспечения безопасности главного циркуляционного трубопровода на основе концепции ТПР // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2016. № 5. С. 16-23.Xiaohui Chen, Shuang Fang, Haofeng Chen. (2019). Stress concentration factor and fatigue analysis of a lateral nozzle with local wall thinning. Engineering Failure Analysis, 105. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.07.004Xiaohui Chen, Shuang Fang, Haofeng Chen. Stress concentration factor and fatigue analysis of a lateral nozzle with local wall thinning // Engineering Failure Analysis. July 2019. Vol. 105. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019. 07.004Fratila Marcu. (2012). Considerations on the stresses concentration factor. Journal of Engineering Studies and Research, 18(4). DOI: 10.29081/jesr.v18i4.148Fratila Marcu. Considerations on the stresses concentration factor // Journal of Engineering Studies and Research. 2012. Vol. 18. No. 4. DOI: 10.29081/jesr.v18i4.148Shim D.J., Choi J.B., Kim Y.J., Kim J.W., Park C.Y. (2012). Assessment of Local Wall Thinned Pipeline Under Combined Bending and Pressure. International Journal of Modern Physics B, 17(8–9), 1870–1876. DOI: 10.1142/ S0217979203019800Shim D.J., Choi J.B., Kim Y.J., Kim J.W., Park C.Y. Assessment of Local Wall Thinned Pipeline Under Combined Bending and Pressure // International Journal of Modern Physics B. January 2012. Vol. 17. No. 8-9. Pp. 1870-1876. DOI: 10.1142/S0217979203019800Pástor M., Frankovský P., Hagara M., Lengvarský P. (2018). The use of optical methods in the analysis of the areas with stress concentration. Journal of Mechanical Engineering, 68(2), 61–76.Pástor M., Frankovský P., Hagara M., Lengvarský P. The use of optical methods in the analysis of the areas with stress concentration // Journal of Mechanical Engineering. 2018. Vol. 68. No 2. Pp. 61-76.Velikoivanenko E.A., Rozynka G.F., Milenin A.S., Pivtorak N.I. (2015). Ocenka rabotosposobnosti magistral'nogo truboprovoda s lokal'nym utoneniem stenki pri remonte dugovoj naplavkoj [Performance assessment of the main pipeline with local thinning of the wall during repair by arc surfacing]. Avtomaticheskaya svarka, (1), 22–27. (In Russ.)Великоиваненко Е.А., Розынка Г.Ф., Миленин А.С., Пивторак Н.И. Оценка работоспособности магистрального трубопровода с локальным утонением стенки при ремонте дуговой наплавкой // Автоматическая сварка. 2015. № 1. С. 22-27.Yurmanov E.V., Yurmanov V.A., Gushchin V.N., Arhipov O.P., Shut'ko K.I., Aleshin A.V. (2018). Ocenka korrozionnogo utoneniya oborudovaniya i truboprovodov SVB energobloka No. 3 Smolenskoj AES v usloviyah ekspluatacii do 45 let [Assessment of corrosion thinning of equipment and pipelines of important systems for the safety of Unit 3 of Smolensk NPP under operating conditions up to 45 years]. Godovoj otchet NIKIET-2018. (In Russ.)Юрманов Е.В., Юрманов В.А., Гущин В.Н., Архипов О.П., Шутько К.И., Алешин А.В. Оценка коррозионного утонения оборудования и трубопроводов СВБ энергоблока № 3 Смоленской АЭС в условиях эксплуатации до 45 лет // Годовой отчет НИКИЭТ-2018. 2018.Tomarov G.V., Sрipkov A.A., Komissarova T.N. (2019). Lokal'naya eroziya-korroziya svarnyh soedinenij truboprovodov energoblokov AES: osobennosti mekhanizma i preduprezhdenie povrezhdenij [Local erosion-corrosion of welded joints of pipelines of NPP power units: mechanism features and damage prevention]. Teploenergetika, (2), 76–86. (In Russ.)Томаров Г.В., Шипков А.А., Комиссарова Т.Н. Локальная эрозия-коррозия сварных соединений трубопроводов энергоблоков АЭС: особенности механизма и предупреждение повреждений // Теплоэнергетика. 2019. № 2. С. 76-86.Byvsheva O.I., Faskhutdinov A.A., Haziahmetov M.F., Yunusova F.T. (2015). Sposoby ocenki ostatochnogo resursa tekhnologicheskih truboprovodov [Methods of estimation of residual resource of technological pipelines]. Ekspertiza promyshlennoj bezopasnosti i diagnostika opasnyh proizvodstvennyh ob"ektov [Examination of industrial safety and diagnostics of hazardous production facilities], (5), 137–139. (In Russ.)Бывшева О.И., Фасхутдинов А.А., Хазиахметов М.Ф., Юнусова Ф.Т. Способы оценки остаточного ресурса технологических трубопроводов // Экспертиза промышленной безопасности и диагностика опасных производственных объектов. 2015. № 5. С. 137-139.Nikulina M.M., Abakarov A.M. (2019). Vliyanie korrozii na napryazhennoe sostoyanie izognutoj truby [Influence of corrosion on the stress state of a bent pipe]. Processy upravleniya i ustojchivost', (1), 107–111. (In Russ.)Никулина М.М., Абакаров А.М. Влияние коррозии на напряженное состояние изогнутой трубы // Процессы управления и устойчивость. 2019. № 1. С. 107-111.Birger I.A., Shorr B.F., Iosilevich G.B. (1979). Raschet na prochnost' detalej mashin: spravochnik. 3-e izd., pererab. i dop. [Calculation of the strength of machine parts: reference book. 3rd ed.]. Moscow, Mashinostroenie Publ. (In Russ.)Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: cправочник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1979. 702 с.Timoshenko S.P., Gud'er Dzh. (1979). Teoriya uprugosti. 2-e izd. [Theory of elasticity. 2nd ed.]. Moscow, Nauka Publ. (In Russ.)Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. 2-е изд. М.: Наука, 1979. 560 c.PNAE G-7-002-86. Normy rascheta na prochnost' oborudovaniya i truboprovodov atomnyh energeticheskih ustanovok [Norms of calculation for strength of equipment and pipelines of nuclear power plants]. (1989). Gosatomnadzor SSSR. Moscow, Energoatomizdat Publ. (In Russ.)ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок / Госатомнадзор СССР. М.: Энергоатомиздат, 1989. 524 c.Arkadov G.V., Getman A.F., Rodionov A.N. (2010). Nadezhnost' oborudovaniya i truboprovodov AES i optimizatsiya ikh zhiznennogo tsikla (veroyatnostnye metody) [The reliability of the equipment and pipelines of nuclear power plants and optimisation of their life cycle (probabilistic methods)]. Moscow: Energoizdat Publ. (In Russ.)Аркадов Г.В., Гетман А.Ф., Родионов А.Н. Надежность оборудования и трубопроводов АЭСиоптимизация их жизненного цикла (вероятностные методы). М.: Энергоиздат, 2010. 424 c