ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ГЛАВНОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТРУБОПРОВОДА НА ОСНОВЕ КОНЦЕПЦИИ ТПР

Полный текст

Введение Концепция ТПР - это совокупность принципов конструирования со- судов и трубопроводов давления, включающая принцип достаточной трещиностойкости материала конструкции, обеспечивающей возмож- ность существования устойчивых сквозных трещин при заданных усло- виях эксплуатации, и принцип обратной связи, обеспечивающей прекра- щение эксплуатации конструкции при появлении в ней течи через сквоз- ную устойчивую трещину, практическая реализация которых позволяет исключить полное разрушение сосуда или трубопровода давления и пре- кратить их эксплуатацию при образовании течи [1]. Успешное применение концепции безопасности «Течь перед разру- шением» (ТПР) оказывает положительное влияние на экономику АЭС, а именно: а) позволяет избежать установки опор-ограничителей биений концов трубопровода в случае его обрыва; б) отсутствие опор-ограничителей дает существенное сокращение времени эксплуатационного контроля состояния трубопроводов, так как присутствие опор-ограничителей часто усложняет и продлевает работы, связанные с контролем; в) снижение времени на контроль приводит к снижению дозовых за- трат персонала. Проведено исследование по обеспечению безопасности главного циркуля- ционного трубопровода (ГЦТ) и дыхательного трубопровода (ДТ) на основе концепции ТПР для АЭС типа ВВЭР-440. Поставлена задача определить требования к системам контроля течи, дать интегральную оценку безопасности эксплуатации трубопроводов ГЦТ и ДТ ВВЭР-440, а также определить требования к условиям безопасной эксплуатации этих трубопроводов. Для обеспечения безопасности ГЦТ и ДТ ВВЭР-440 на основе концепции ТПР учитывались рекомендации документов США [3], Чехии [4], Словакии [2] и России [5]. Основные принципы ТПР. Последовательность обеспечения безопасности может быть определена следующим образом: - проверка полноты входных данных на механические свойства и свойства механики разрушения по каждому расчетному элементу; - проверка полноты входных данных о геометрии трубопроводов, такой как диаметр, толщина или геометрия гетерогенных швов с графическими иллюст- рациями для всех расчетных элементов; - проверка полноты входных данных о различных режимах эксплуатации; - оценка влияния деградации металла на систему трубопроводов; - проверка фактической толщины стенок на ослабления связанных с произ- водством трубопроводов; - оценка возможности возникновения гидроударов в трубопроводных систе- мах; - оценка возможности влияния косвенных источников разрыва трубопрово- дов, такие как аварии опор, демпферов, падение объектов и другие; - оценка предрасположенности трубопроводов хрупкому разрушению; - расчет напряжений трубопроводов на статические и сейсмические нагруз- ки; - анализ проверки применимости концепции безопасности ТПР. Рис. 1. Блок-схема системы безопасности «течь перед разрушением» Система безопасности ТПР рассмотрена в конфигурации, указанной на ри- сунке 1. В соответствии с методологией [2] в случае обнаружения течи через стенку трубопровода время, в течение которого надо принять решение и начать останов энергоблока, составляет 60 минут или меньше. Расчет напряжений для различных режимов эксплуатации. Напряженно-деформированное состояние анализировалось с учетом воз- можности возникновения гидроударов и стратификации, а также аварийных режимов, в том числе максимально расчетных землетрясений (МРЗ). Существует два варианта расчета результирующих сил и моментов [2]: - вариант №1: Fsup= ¦Fw¦+¦Ft¦+¦Fp¦+¦FMDE¦; Msupi= ¦Miw¦+¦Mit¦+¦Mip¦+¦MiMDE¦, i=1,2,3; Msup= (Msup12+ Msup22+ Msup32)1/2; - вариант №2: Fsup= Fw+Ft+Fp+FMDE; Msupi= Miw+Mit+Mip+MiMDE, i=1,2,3; Msup= (Msup12+ Msup22+ Msup32)1/2; где индекс w обозначает данные полученные за счет собственного веса, индекс t обозначает данные вызванные температурным расширением, индекс p показы- вает данные полученные от действия внутреннего давления и индекс MDE от сейсмического воздействия (МРЗ). Полученные результирующие силы и моменты позволяют рассчитать мем- бранные ( )и изгибные ( ) напряжения, действующие на расчетные сечения трубопроводных систем. где A - площадь сечения трубопровода, W - момент сопротивления. Анализ проверки применимости концепции безопасности «течь перед раз- рушением». Для проверки применимости концепции ТПР необходимо определить опасные участки или сечения трубопроводных систем, где наименее благопри- ятное сочетание напряжений и свойств материала. В соответствии с междуна- родной практикой все сварные швы являются опасными участками, и подлежат проверке по концепции ТПР. Для каждого опасного участка необходимо провести ряд расчетов: - расчет максимально возможной длины стабильной сквозной поперечной трещины; - расчет критической длины трещины; - расчет стабильности трещины в режиме НУЭ+МРЗ; - расчет площади раскрытия трещины при НУЭ; - расчет величины истечения теплоносителя; - определение минимальной необходимой чувствительности. В том случае, если все расчеты и оценки будут удовлетворять критериям безопасности ТПР, концепция ТПР является применимой для данных участков трубопровода.Принципиальным вопросом для обеспечения безопасности экс- плуатации на основе концепции ТПР является вопрос о возможности существо- вания стабильных сквозных трещин на трубопроводе и вопрос о возможности эти течи своевременно диагностировать. Используя методы механики разрушения, проводились расчеты для всех сварных соединений. Для расчета выбраны «модифицированный метод нагруз- ки пластического шарнира» и «метод J-интеграла». «Модифицированный метод нагрузки пластического шарнира» [2] основан на следующих соотношениях: (1) где - для дуговой сварки, - для сварки под флюсом, - для основного металла, . Предельные напряжения рассчитываются так: (2) (3) где - изгибные напряжения; - мембранные напряжения; . Модифицированный «методJ-интеграла» [7] основан на методеGE/EPRI в соответствии с документом [6] и изменен таким образом, чтобы учитывать из- гибающий момент и силовой фактор. Модифицированный метод подробно опи- сан в методических рекомендациях [7], основные выражения: (4) (5) (6) Для использования этого метода необходимо определить экспериментально коэффициенты упрочнения сталей, для которых будет проводиться проверка применимости ТПР, а так же определить критическую величину J-интеграла. Для примера взят трубопровод Ду500, изготовленный из стали марки 08Х18Н10Т. Моделировался режим максимально-расчетных землетрясений в сочетании с нормальными условиями эксплуатации (НУЭ+МРЗ), что соответст- вует механическим нагрузкам ?m=41 МПа, ?b=132 МПа. Проведен расчет с по- мощью модифицированного метода нагрузки пластического шарнира и метода J-интеграла см. рис. 2 и 3. Рис. 2. Критическая длина трещины методом J-интеграла На рис. 2, 3 показано, что при методеJ-интеграла половина критической длины трещины равна ?=570, а при модифицированном методе НПШ ?=440. Модифицированный метод НПШ является более консервативным по отноше- нию к методу J-интеграла для данного расчета, и, следовательно, является более предпочтительным к использованию. Рис. 3. Критическая длина трещины модифицированным методом НПШ Для всех расчетных сечений были получены критические размеры трещин двумя методами для основного металла и околошовной зоны. Определение критической длины трещины. Для определения критической длины трещины необходимо учесть ко- эффициент безопасности на длину n=2 [5], если силы и моменты рассчитыва- лись по варианту №1, если по варианту №2, то коэффициент n=1: Оценка стабильности трещин в режиме НУЭ+МРЗ Полученные протяженности трещин необходимо проверять на стабиль- ность в режиме НУЭ+МРЗ, с помощью соотношения [2]: , (7) где - критический момент нагрузки для трещины длиной , который можно определить по методам механики и - суммарный момент нагрузки, оп- ределяемый суммированием всех моментов действующих на расчетное сечение: Msupi=¦Miw¦+¦Mit¦+¦Mip¦+¦MiMDE¦, i=1,2,3; (8) Msup=(Msup12+ Msup22+ Msup32)1/2; (9) Miw- момент возникший в результате весовых нагрузок, Mit- момент возникший в результате температурных расширений, Mip- момент возникший в результате действия внутреннего давления, MiMDE- момент возникший в результате сейсмических нагрузок. Расчет площади раскрытия трещины Площадь раскрытия трещин рассчитывается исходя из аналитических ме- тодик линейной механики разрушения, с учетом дополнительных параметров учитывающих эффекты нелинейной механики разрушения. Данные методики учитывают геометрию конструкции и влияние пластических деформаций. На- плавка в трубопроводах реакторов типа ВВЭР-1000 и РБМК-1000 оказывает большое влияние на площадь раскрытия трещины, так как наплавка и основной металл трубопровода имеют различные коэффициенты линейного расширения. Метод истечения теплоносителя Динамика жидкости в заданном поле течения определяется нестационар- ным уравнением сохранения энергии Бернулли, которое для линии тока Г, со- единяющей открытый конец трубопровода с выходным сечением трещины. Для определения интенсивности истечения теплоносителя использовались соотно- шения [1]: (10) гдеPC - перепад давления, обусловленный конвективными ускорениями и дис- сипацией энергии на поверхности трещины; PA - перепад давления, обусловлен- ный локальными ускорениями; ? - коэффициент гидравлического сопротивле- ния;?- число Кориолиса; ?- плотность жидкости; V - скорость течения в струе; US- тангенциальная компонента скорости течения воды в трубопроводе; - время. В дальнейшем полагаем , т.е. считаем, что поле течения ведет себя как квазистационарное. Решая уравнение (10) относительно V, находим (11) Коэффициент гидравлического сопротивления определяется суммой: , (12) где - коэффициент местного сопротивления входа жидкости в трещину; - коэффициент сопротивления трению, обусловленный вязкими свойствами жидкости; ? - число Кориолиса.Коэффициенты сопротивления и число Корио- лиса уточнялись экспериментально.Критическими областями являются те об- ласти, где истечение теплоносителя меньше [2-5]. Заключение. Вышеописанные методы и подходы были применены в соответствии с тре- бованиями нормативных документов [2-5]. Проанализированы результаты ис- течения теплоносителя, отметим, что для главного циркуляционного трубопро- вода(ГЦТ) расход теплоносителя больше 38 л/мин, а именно: л/мин. Таким образом, все расчетные соединения ГЦТ проходят с большим запасом по критерию безопасности ТПР. Результаты истечения теплоносителя по сварным соединениям дыхатель- ного трубопровода (ДТ), так же проходят по критерию безопасности ТПР, но с существенно меньшим запасом, даже очень близким к критическим значениям, т.к. их параметр лежит в пределах . Методология ТПР [2] показывает, что чувствительность систем контроля течей должна быть не менее 3,8 л/минс учетом временного интервала 60 минут на реакцию персонала по реагированию на утечку теплоносителя. Минимальная чувствительность необходимая для обнаружения утечек для всех сварных соединений ГЦТи ДТ можно определить согласно следующей формуле [2-5]: где - максимальный расход теплоносителя через стабильную трещину длиной ; - коэффициент, обеспечивающий 10-и кратный запас, номер сварного соединения. Далее (рис.4) представлена схема трубопровода ГЦТВВЭР-440 с указанием номеров сварных соединений и минимальной чувствительности необходи- мой для обнаружения утечек. Например: 102 73,9 где 102 - станционный номер сварного соединения, а 73,9 - минимальная необ- ходимая чувствительность (л/мин) для данного сварного соединения: л/мин. Также стоит отметить, что стрелкойпоказаны сварные соединения с мини- мальной чувствительностью по отношению к остальным сварным соединениям этой петли. Рис. 4. Схема петли ГЦТ ВВЭР-440 Выводы. Выполнен расчетно-аналитический и экспериментальный комплекс иссле- дований для обеспечения безопасности эксплуатации главных трубопроводов Ду500 (ГЦТ) и Ду200 (ДТ) реакторной установки ВВЭР-440. Исследования выполнены с учетом фактического состояния трубопрово- дов, включая оценку состояния трубопроводов, условий предстоящей эксплуа- тации, режим МРЗ и режим стратификации для дыхательного трубопровода. Результаты исследования показали: 1. Безопасность эксплуатации главных трубопроводов Ду500 (ГЦТ) и Ду200 (ДТ) реакторной установки ВВЭР-440 обеспечивается в полном объеме, для сварныхсоединений указанных трубопроводов и для всех режимов эксплуа- тации, включая НУЭ и НУЭ+МРЗ. 2. Определены минимальные чувствительности для ГЦТ =67,7 л/мин, необходимые для обнаружения утечек через устойчивые сквозные трещины в трубопроводах, которые существенно больше,чем минимально допустимые чувствительности, принятые в международной практике =3,8 л/мин [2-5] и для ДТ =10,0 л/мин. Рекомендации. 1. Установить системы контроля течей: Для ГЦТ- 60л/мин;ДТ - 10 л/мин. 2. По российскому нормативному документу [8] допускается использова- ние двух специальных систем контроля течей, поэтому рекомендуется исполь- зовать две независимые системы контроля течей в рамках ТПР, а именно: - по влажности и по радиоактивным аэрозолям; - по влажности и по шумовой диагностике; -по радиоактивным аэрозолям и по шумовой диагностике.

Об авторах

ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ КУЗЬМИН

АО «ВНИИАЭС»

Email: Kuzmin_DA@yahoo.com
аспирант Москва, ул. Ферганская, 25, АО «ВНИИАЭС», 109431

Список литературы