Экспериментально-теоретическое моделирование развития трещин в конструкционных сплавах оборудования АЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Нгуен Тхи Нгует Ха

• Нгуен Тхи Нгует Ха
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Тхи Нгует Ха

Введение

Глава 1. Обзор исследований повреждения коллекторов

ПГ АЭС с ВВЭР-1000

1.1. Состояние и причины повреждения коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000

1.2. Модель развития трещин в конструкционных сплавах

с использованием КИН

1.3. Влияние водорода на свойства конструкционных сплавов.

Водородное охрупчивание

1.4. Выводы к главе

Глава 2. Параметрические детерминистические модели коррозионных процессов. Усовершенствование методики расчета КИН для КС применительно к коллекторам ПГ АЭС с ВВЭР-1000

(сталь марки 10ГН2МФА)

2.1. Конструкция объекта исследования

2.1.1. Конструкция ПГ АЭС с ВВЭР-1000

2.1.2. Конструкция коллекторов теплоносителя ПГ АЭС с ВВЭР-1000

2.1.3. Сведения о конструкционном сплаве - стали марки 10ГН2МФА

2.2. Особенности режимов эксплуатации ПГ АЭС с ВВЭР-1000

2.2.1. Водно-химический режим в эксплуатируемых

ПГ АЭС с ВВЭР-1000

2.2.2. Температурная разверка по периметру «холодного» коллектора. Модель гальванической системы в зазоре недовальцовки коллектора

2.3. Коррозионное растрескивание под напряжением

конструкционных сплавов

2.3.1. Механизм коррозионного растрескивания под напряжением

2.3.2. Факторы коррозионного растрескивания под напряжением.

Диаграмма Венна

2.4. Методика расчета накопления водорода в КС

2.4.1. Взаимодействие КС с водородом

2.4.2. Этапы развития трещин при водородном охрупчивании

2.4.3. Методика расчета накопления водорода

в стали марки 10ГН2МФА

2.4.4. Долговечность КС при действии нескольких ЧПП

2.5. Усовершенствование методики расчета КИН для

стали марки 10ГН2МФА

2.5.1. Общие сведения о КИН

2.5.2. Усовершенствованная методика расчета КИН

в стали марки 10ГН2МФА

2.6. Выводы к главе

Глава 3. Результаты расчета накопления водорода

в стали марки 10ГН2МФА

3.1. Аддитивная и неаддитивная методики расчета накопления водорода в стали марки 10ГН2МФА в условиях работы коллектора ПГ АЭС

с ВВЭР-1000

3.1.1. Аддитивная методика расчета накопления водорода

в стали марки 10ГН2МФА

3.1.2. Неаддитивная методика расчета накопления водорода

в стали марки 10ГН2МФА

3.1.3. Обсуждение результатов расчета

3.2. Оценка кратности приращения ресурса стали марки 10ГН2МФА в условиях наводороживания и низкотемпературного отжига (НТО) -имитация условий эксплуатации коллектора ПГ АЭС с ВВЭР-1000

3.2.1. Накопление водорода сталью после НТО

3.2.2. Экспериментальное обоснование эффективности повторных НТО

3.2.3. Измерение концентрации водорода в стали марки 10ГН2МФА

3.2.4. Обработка результатов экспериментальных испытаний

3.2.5. Обсуждение результатов

3.3. Выводы к главе

Глава 4. Результаты расчета КИН для стали марки 10ГН2МФА с

учетом влияния водородного охрупчивания и других параметров

4.1. Расчет зависимости КИН от динамики накопления водорода

4.2. Расчет зависимости порогового КИН от других параметров

4.3. Изменение ресурса коллектора в зависимости от КИН

4.4. Расчет КИН для коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000

с заданным дефектом

4.5. Обсуждение результатов расчета

4.6. Выводы к главе

Выводы по работе

Литература

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЭС Атомная электрическая станция

Блк АЭС Балаковская АЭС

ВВЭР Водо-водяной энергетический реактор

ВО Водородное охрупчивание

ВХР Водно-химический режим

ГК «Горячий» коллектор

ГЦТ Главный циркуляционный трубопровод

Зап АЭС Запорожская АЭС

ЗТВ Зона термического влияния

КАС Коррозионно-агрессивная среда

КИН Коэффициент интенсивности напряжений

КРПН Коррозионное растрескивание под напряжением

КС Конструкционный сплав

КР Коррозионное растрескивание

КУ Коррозионная усталость

МП Мера повреждения

НВ АЭС Новоронежская АЭС

НДС Напряженно-деформированное состояние

НТО Низкотемпературный отжиг

ПГ Парогенератор

СС Сварное соединение

ТОТ Теплообменная трубка

ХК «Холодный» коллектор

ЧПП Частный процесс повреждений

ЮУ АЭС Южно-Украинская АЭС

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментально-теоретическое моделирование развития трещин в конструкционных сплавах оборудования АЭС»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время важнейшими задачами технологии ядерной энергетики являются повышение надежности и увеличение срока службы парогенераторов (ПГ) - как одних из основных узлов атомной электростанции (АЭС) с водно-водяным энергетическим реактором (ВВЭР). Это касается как работающих ПГ, так и ПГ новых АЭС.

В процессе эксплуатации АЭС происходит повреждение конструкционных сплавов (КС) вследствие протекания физико-химических процессов как на границе раздела металл/среда, так и в его объеме. Характер повреждения КС, из которых изготовлены различные элементы и узлы энергетического оборудования, зависит от совокупности как внешних, так и внутренних факторов, влияющих на коррозионные процессы. Можно выделить ряд механизмов коррозионного повреждения: коррозионное растрескивание под напряжением (КРПН), коррозионная усталость (КУ), водородное охрупчивание (ВО) и т.д., последствия которых оказывают существенное влияние на долговечность КС в рабочих условиях. Поэтому, их анализ, с точки зрения прогнозирования надежности и долговечности, представляется актуальным и перспективным.

При эксплуатации АЭС возможны повреждения элементов ПГ, в том числе, коллекторов теплоносителя. Первые повреждения «холодного» коллектора (ХК) ПГВ-1000 в зоне неперфорированного клина были зафиксированы в 1986 г на ПГ ЮУ АЭС. В зоне термического влияния (ЗТВ) сварного соединения №111 (ЗТВ 111) «горячего» коллектора (ГК) были обнаружены в 1998 году на ПГ 5-ого энергоблока НВ АЭС [1]. Повреждения коллекторов обусловлены образованием трещин различной протяженности. Исследования показали, что повреждение КС коллекторов ПГ было вызвано совокупным воздействием напряжений на уровне предела текучести и коррозионно-агрессивной среды (КАС) на металл коллектора -сталь марки 10ГН2МФА, проявляющую склонность к коррозионному

растрескиванию. Такое совокупное воздействие понижает долговечность и предел выносливости материала вплоть до его исчезновения.

Для оценки состояния элементов ПГ АЭС с ВВЭР-1000 широко применяются подходы линейной механики разрушения [2, 3], в которой распределение упругих напряжений у вершины трещины описывается коэффициентом интенсивности напряжений КI (КИН).

В общем случае КИН зависит не только от приложенных к телу напряжений а и длины трещины, но также является функцией геометрии тела и схемы его нагружения. Его определение для тел сложной геометрии может быть основано как на аналитических методах теории упругости, так и на численных и экспериментальных методах, дающих информацию о перемещениях, деформациях и напряжениях в окрестности вершины трещины. В [2,3,4] приводятся некоторые основные методы и результаты вычислений КИН для различных тел с заданными разрезами - трещинами.

КИН является количественной характеристикой трещиностойкости КС. При его определении большое влияние имеет участие КАС. В отличие от расчетов КИН в [3], в этой работе используется усовершенствованная формула расчета КИН, в которую включены дополнительные члены, усиливающие вклады разных процессов повреждений (раньше отсутствовали). По мнению автора данной работы, в первую очередь это водород и плотность дислокаций.

Актуальность работы. Несмотря на огромное число работ, выполненных при разработке и создании ПГ, проблема обеспечения их надежной эксплуатации и проектного ресурса остается строго острой. Главная особенность ПГ заключается в том, что кроме выработки пара, они должны надежно и постоянно во всех режимах работы АЭС обеспечивать охлаждение активной зоны реактора. Второй важной особенностью ПГ АЭС являются высокие требования по межконтурной плотности, т.е. по исключению повреждения теплопередающих и иных элементов,

разуплотнение которых приводит к попаданию радиоактивной воды первого контура в пароводяной контур АЭС с возможностью выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду.

Кроме того, КС коллекторов и других элементов ПГ АЭС с ВВЭР-1000 работают в тяжелых условиях. Они подвергнуты одновременным воздействием нескольких частных повреждающих процессов (ЧПП) (деформация, коррозия, усталость) и факторов (высокие температуры, КАС, высокие механические нагрузки, параметры водно-химического режима (ВХР), и т.д.). Причем эти факторы могут совместно и одновременно действовать на КС. Это приводит к повреждению КС намного быстрее, чем при действии каждого фактора в отдельности. Учет воздействия КАС играет важную роль при проектировании конструкций, и неучет его может привести к преждевременному разрушению конструкций, и следовательно, к преждевременному их выходу из строя [5].

Расчет прочности и оценка долговечности коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000, их ресурса и надежности являются актуальной задачей в этой работе. При оценке остаточного ресурса конструкций на стадиях образования и развития трещины необходимо учитывать влияние КАС на усталостную меру повреждения и напряженно-деформированное состояние (НДС) в вершине трещины, характеризующееся единственным параметром - коэффициентом интенсивности напряжений (КИН). Учет воздействия КАС, в этой работе производится через ВО, которое оказывает влияние на служебные свойства КС, дает важную информацию для расчета конструктивной прочности и оценки остаточного ресурса оборудования АЭС.

Целью диссертационной работы является обоснование и разработка параметрических детерминистических моделей коррозионных процессов и усовершенствование методики для расчета КИН КС применительно к условиям

работы коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000 (сталь марки 10ГН2МФА) с учетом динамики накопления водорода и изменения разных факторов повреждения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработка неаддитивной методики расчета накопления водорода в КС применительно к коллекторам ПГ АЭС с ВВЭР-1000 (сталь марки 10ГН2МФА).

2. Разработка методики обработки результатов ускоренных испытаний по наводороживанию образцов из стали марки 10ГН2МФА с использованием низкотемпературного отжига (НТО - первого и повторных) коллекторов для оценки кратности приращения ресурса ПГ АЭС с ВВЭР-1000 с взрывной технологией запрессовки теплообменных труб (ТОТ) в коллектор.

3. Исследование влияния состава КАС и других факторов на построение методики вычисления КИН.

4. Расчет КИН для стали 10ГН2МФА с учетом влияния КАС и других факторов.

Методы решения задач. В настоящей работе использованы экспериментально-теоретические методы расчета. Результаты вычислений получены с использованием разработанной автором программы на языке Mathcad.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выполнении проверки разработанной неаддитивной методики расчета накопления водорода в стали марки 10ГН2МФА на сходимость результатов вычислений при перестановке интервалов времени с условно-постоянными числовыми значениями водородного показателя рН.

2. Разработке методики обработки экспериментальных данных по наводороживанию стали марки 10ГН2МФА при НТО-1 и повторных НТО коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000.

3. Построении усовершенствованной методики расчета КИН для КС применительно к коллекторам ПГ АЭС с ВВЭР-1000 (сталь марки 10ГН2МФА), в

отличие от расчетов его в других справочниках, в которую включены дополнительные члены (концентрация водорода Сн , плотность дислокаций р±,

давление растворенного в стали водорода рщ), усиливающие вклады разных

процессов повреждений.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- Основные выводы диссертации рекомендуются автором для использования при оценке состояния и управлении ресурсом коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000 с использованием КИН с увеличенным числом аргументов.

- Методика расчета накопления водорода в металле рекомендуется для исследования процессов наводороживания, оценки степени водородного охрупчивания и растрескивания КС оборудования АЭС.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методики и результаты расчета накопления водорода в стали 10ГН2МФА с учетом КАС второго контура АЭС с ВВЭР.

2. Методики оценки кратности приращения ресурса стали марки 10ГН2МФА в условиях наводороживания и НТО.

3. Усовершенствованная методика для расчета КИН для стали марки 10ГН2МФА.

4. Результаты расчета КИН по усовершенствованной методике для стали марки 10ГН2МФА.

Личный вклад автора:

- Проведение вычислений для проверки разработанной неаддитивной методики расчета накопления водорода в стали марки 10ГН2МФА на сходимость результатов вычислений при перестановке интервалов времени с условно-постоянными числовыми значениями водородного показателя рН.

- Разработка методики обработки экспериментальных данных по ускоренному наводороживанию стали марки 10ГН2МФА при НТО.

- Усовершенствование методики расчета КИН для стали марки 10ГН2МФА и проведение расчетов по полученной методике.

- Все методики разработаны применительно к условиям эксплуатации коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на двадцатой, двадцать первой и двадцать второй международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, 2014, 2015, 2016гг.); на международной научно-технической конференции «Полувековое обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР в России и за рубежом» (Нововоронежкая АЭС, 2014г.); на международной конференции «Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем» (МИЭТ,2014г.).

Доложены на выпускающей кафедре АЭС НИУ «МЭИ».

Публикации. По теме исследования опубликовано 9 работ, отражающих основных положения исследования, среди которых - 2 публикации в журналах, рекомендованных ВАК.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Горбатых В.П., Нгуен Тхи Нгует Ха, Иванов С.О. Трещиностойкость конструкционных материалов оборудования АЭС в контакте с коррозионной средой // Надежность и безопасность энергетики. 2015. - № 4(31). - С. 50-52.

2. Горбатых В.П., Нгуен Тхи Нгует Ха, Иванов С.О. Оценка кратности приращения ресурса стали марки 10ГН2МФА в условиях наводороживания методов низкотемпературной обработки // Энергосбережение и Водоподготовка. 2016. - № 1(99). - С. 41-44.

3. Нгуен Тхи Нгует Ха, Горбатых В.П. Расчет коэффициента интенсивности напряжений в материалах с учетом влияния коррозионной среды // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XX МНТК студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2014. - Т. 4. - С. 19.

4. Горбатых В.П., Иванов С.О., Нгуен Тхи Нгует Ха, Яськив В.М. Коррозионное образование как средство повышения надежности металлоемкого оборудования АЭС // Сборник трудов МНТК «Полувековое обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР в России и за рубежом». Нововоронежкая АЭС, 2014. - С. 431-439.

5. Нгуен Тхи Нгует Ха. Трещиностойкость материалов оборудования атомных электростанций // Сборник трудов МК «Инновационные подходы к решению технико-экономических проблем». - М.: МИЭТ, 2014. - С. 202-205.

6. Нгуен Тхи Нгует Ха, Горбатых В.П. Накопление водорода и его влияние на свойства металлов оборудования АЭС // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XXI МНТК студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2015. -Т. 3. - С. 303.

7. Горбатых В.П., Нгуен Тхи Нгует Ха, Иванов С.О. Расчет коэффициента интенсивности напряжений в стали марки 10ГН2МФА с учетом влияния коррозионной среды // Новое в Российской Электроэнергетике. 2015. - № 4. -С. 30-39.

8. Горбатых В.П., Нгуен Тхи Нгует Ха, Иванов С.О. Накопление водорода в стали марки 10ГН2МФА с учетом влияния коррозионной среды // Новое в Российской Электроэнергетике. 2015. - № 6. - С. 22-29.

9. Нгуен Тхи Нгует Ха, Горбатых В.П. Наводороживание стали марки 10ГН2МФА при низкотемпературном отжиге// Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XXII МНТК студентов и аспирантов. -М.: МЭИ, 2016. - Т. 3. - С. 25.

Глава 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВРЕЖДЕНИЯ КОЛЛЕКТОРОВ ПГ

АЭС С ВВЭР-1000

1.1. Состояние и причины повреждения коллекторов ПГ АЭС с ВВЭР-1000

Практика эксплуатации коллекторов ПГ из стали марки 10ГН2МФА энергоблоков с реакторами типа ВВЭР-1000 свидетельствует о возможности растрескивания КС отдельных узлов оборудования с характерными коррозионными признаками. В 1986 г. на выходном («холодном») коллекторе ПГ-1 2-го блока Южно-Украинской АЭС было впервые обнаружено повреждение в виде трещины в перемычках между отверстиями в перфорированной зоне, примыкающей к неперфорированному клину. Такие же повреждения были выявлены позже в период 1987-1991 гг. в коллекторах ПГ Нововоронежской, Балаковской, Запорожской и Южно-Украинской АЭС. Повреждались только ПГ, изготовленные по первоначально принятой технологии вальцевания трубок взрывным методом с использованием "жестких" зарядов [6].

Количество поврежденных ПГ по годам (повреждение перемычек между отверстиями) показано в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Количество поврежденных ПГ по годам (повреждение перемычек между

отверстиями)

Год 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1995

Количество поврежденных ПГ 1 3 11 4 2 3 1

2 из 25 поврежденных ПГ отремонтированы и продолжали эксплуатироваться, 23 заменены. Повреждения перемычек были обнаружены только на ХК и в местах, связанных с геометрической неоднородностью перфорации коллектора, т.е. по обе стороны вертикальной оси, проходящей через вершину, так называемого,

неперфорированного клина. В табл. 1.2. приведены сведения о повреждениях ХК ПГ АЭС с ВВЭР-1000.

Таблица 1.2

Состояние ПГ на эксплуатируемых блоках с ВВЭР-1000

Наименование энергоблоков АЭС Дата ввода в эксплуатацию Дата обнаружения повреждений коллекторов ПГ Количество ПГ с поврежденными коллекторами Время наработки до повреждения, тыс.ч Примечание

1-й блок ЮУАЭС (1-й комплект) 12.82 08.88 2 39,0-43,0 -

2-й блок ЮУАЭС (1-й комплект) 01.85 10.86 02.87 4 11,7-16,9 -

2-й блок ЮУАЭС (2-й комплект) 11.87 08.88 03.89 07.89 2 13,3 -

5-й блок НВАЭС (1-й комплект) 05.80 06.88 4 58,8-59,1 -

1-й блок ЗаАЭС (1-й комплект) 12.84 12.88 2 26,0 -

2-й блок ЗаАЭС (1-й комплект) 07.85 05.88 3 15,3 -

1-й блок БлкАЭС (1-й комплект) 12.85 11.89 2 24,9 -

2-й блок БлкАЭС (1-й комплект) 03.87 12.90 1 23,6 -

1-й блок ЮУАЭС (2-й комплект) 11.89 10.90 09.91 1 1 7,0 12,7 Один ПГ (ПГ-3) отремонт ирован

3-й блок ЗапАЭС (1-й комплект) 12.87 10.91 2 34,4 -

2-й блок БалАЭС 03.87 05.95 1 50,0 Отремонтирован

В 1998 г. во время планово-предупредительного ремонта была обнаружена течь воды в узле присоединения «горячего» коллектора к патрубку Ду 1200 корпуса ПГ на ПГ-1 5-ого блока НВАЭС. В 2001 г. аналогичные повреждения были обнаружены на ЮУАЭС и опять же на НВАЭС [7]. В табл. 1.3 показано количество поврежденных ПГ (повреждение в зоне сварного соединения (СС) приварки коллектора первого контура к корпусу ПГ) [1].

Таблица 1.3

Количество поврежденных ПГ по годам (повреждение в зоне СС)

Год 1998 2001 2003 2004 2006 2007 2009 2010

Количество

поврежденных 1 3 2 1 1 2 1 1

ПГ

Повреждения КС на ПГ АЭС с ВВЭР-1000 локализуются, в основном, в ячейках трех узлов конструкции ПГ:

- теплообменные трубки ТОТ;

- перемычки между отверстиями для вальцовки ТОТ в коллекторе вывода теплоносителя из ПГ («холодный» коллектор);

- сварное соединение приварки коллектора ввода теплоносителя в ПГ.

На рис.1.1 приведены образцы различных зон темплета стали марки 10ГН2МФА, вырезанного из сварного соединения (СС) №111 [8].

Результаты ряда выполненных научных работ [7, 9-12], в которых исследуются причины возникновения течи теплоносителя и, как следствие, выхода из строя ПГ АЭС, показали, что основными факторами повреждения коллекторов являются неблагоприятное НДС рассматриваемых узлов (остаточные напряжения, эксплуатационные (циклические) напряжения, скорость деформации) и деградация прочностных свойств материалов перфорированной зоны коллекторов (следствие процессов, происходящих в материалах под действием термосиловых нагрузок и

коррозионно-химических процессов). Кроме того, следует отметить явное влияние значения водородного показателя рН рабочей среды на наработку до отказа ПГ АЭС [6, 13]. Чем ниже значение рН, тем меньше наработка до отказа, это значит, требуется меньше времени для возникновения повреждения.

-

Рис 1.1 - Темплет металла с трещиной, вырезанной из сварного соединения №111

В табл. 1.4 приведены основные и сопутствующие процессы, а также факторы, участвующие в повреждении стали марки 10ГН2МФА, из которой выполнены коллектора ввода и вывода теплоносителя из ПГ АЭС [14].

Таблица 1.4

Основные, сопутствующие процессы и факторы, участвующие в повреждении

стали марки 10ГН2МФА.

Наименование Основные Сопутствующие процессы Сопутствующие значимые

элементов процессы повреждения факторы

повреждения

Ячейка - Усталость - Формирование отложений - НДС металла

перфорирован- - Водородная в конструктивном зазоре - Разверка определяющей

ной зоны хрупкость недовальцовки температуры коррозионных

коллектора - Химические отмывки процессов по периметру

вывода - Пленкообразующие коллектора ввода теплоносителя

теплоносителя неорганические ингибиторы первого контура

первого контура - Конструктивный зазор

из ПГ недовальцовки

- Технологическая

наследственность:

• Плотность дислокаций;

• Низкотемпературная

обработка;

• Гетерофазность;

• Гетерогенность и атомы

примесей

Ячейка зоны - Усталость - НДС металла ячейки зоны Технологическая

термического - Водородная термического влияния наследственность:

влияния хрупкость сварного шва № 111 • Плотность дислокаций;

сварного шва № - Формирование отложений • Низкотемпературная

111 коллектора в кольцевом зазоре обработка;

ввода - Химические отмывки • Гетерофазность;

теплоносителя - Пленкообразующие • Гетерогенность и атомы

первого контура неорганические ингибиторы примесей

в ПГ

Таким образом, правильный диагноз причин повреждения и оценка состояния конструкций АЭС, т.е. оценка остаточного ресурса с учетом деградации металла на данный момент времени, являются важнейшими в современной атомной энергетике проблемами и, конечно, необходимы для принятия оптимальных мер по надежности и безопасности. Опыт эксплуатации ПГ АЭС показал, что неясность в определение степени влияния различных повреждающих факторов несет большие экономические потери и откликается значительно ухудшенным качеством обеспечения надежности и безопасности.

На рис. 1.2 изображена типовая схема прогнозирования долговечности оборудования АЭС [15]. Через определенные времени эксплуатации 11, 12, ..., измеряют максимальные величины возникших повреждений Ь1, И2,... и экстраполируют зависимость до предельно допустимой величины Ип. Такой метод позволяет получить достаточно точные оценки показателей надежности, если известен вид зависимости И(1), то при измерениях значений И определяются действительно максимальные значения повреждений, т.е. осуществляется сплошной контроль КС оборудования АЭС.

Рис. 1.2 - Схема прогнозирования долговечности оборудования 1 - продолжительность эксплуатации, И - величина повреждений

В зависимости от многих условий и факторов возможны различные методы определения остаточного ресурса оборудования АЭС. Разделяют в настоящее время методы прогнозирования остаточного ресурса оборудования АЭС на два класса: вероятностно-статистически и детерминистический (причино-следственный).

Вероятностно-статистический метод:

Для проведения вероятностно-статистических расчетов может быть использована теория надежности [16, 17, 18], основанная на статистических данных о механических свойствах материалов, нагрузках, воздействиях и дефектоскопическом контроле.

Вероятностно-статистические методы получили достаточно широкую разработку. Они опираются на теорию вероятности и математическую статистику для установления закономерностей возникновения отказов, изучения физико-химических процессов, приводящих к разрушению оборудования АЭС, расчета поведения оборудования АЭС в процессе эксплуатации, т.е. прогнозирования.

Недостатки вероятностно-статистических методов:

- Вероятностно-статистические методы несовершенны, так как для установления закономерностей возникновения отказов необходимо проводить опыты, приводящие к изменению свойств и разрушению оборудования АЭС;

- Эти методы не дают точного анализа состояния оборудования при эксплуатации. В сегодняшние дни не существует достаточно общей математической теории, позволяющей подсчитывать долговечность сложных систем. Кроме того, при прогнозировании остаточного ресурса оборудования АЭС на этапе проектирования расчеты далеки от того, что происходит на самом деле и объясняется это несовершенством математической модели. Поэтому, в соответствии с вероятностно-статистическими методами возможно с определенной степенью достоверности предсказать момент наступления отказа, а не предупредить его и обеспечить надежность работы оборудования АЭС.

Детерминистический (причино-следственный) метод:

Детерминистический метод позволяет оценить надежность как отдельного элемента системы, так и всей системы в целом, при одновременном воздействии нескольких внешних и внутренних факторов.

В отличие от прогнозирования ресурса на стадии проектирования, когда анализируется ресурс генеральной совокупности проектируемых технических систем, на стадии эксплуатации предполагается прогнозирование индивидуального остаточного ресурса с привлечением данных дефектоскопического контроля. Остаточный ресурс может существенно превышать проектный ресурс, что обусловлено различием принятых критериев предельного состояния технической системы на стадиях проектирования и эксплуатации, поскольку при анализе остаточного ресурса принимается во внимание рост трещин до предельных размеров.

Критерий предельного состояния: Имеется понятие «мера повреждения» (МП) - отношение физически измеряемого признака повреждения вследствие ЧПП КС к предельному значению этого признака перед разрушением (критерию предельного состояния КС при данном процессе). Обозначается - числовое значение критерия предельного состояния. Для разных ЧПП этот критерий будет иметь разную размерность. Например:

- для усталости: = V™ - предельное число циклов нагружения;

- для ВО: = С™ - предельная концентрация водорода в КС перед разрушением;

- для радиационного повреждения от нейтронного облучения: £>1цп = 7;11т -предельное значение критической температуры хрупко-вязкого перехода.

При анализе остаточного ресурса потенциально опасных поврежденных технических систем, к которым относятся, например, объекты атомной энергетики,

статистические данные о возможных сценариях аварий и катастроф не всегда доступны в силу уникальности систем и редкости аварийных ситуаций.

Таким образом, детерминистические методы представляются более приемлемыми для анализа возможности продления ресурса уникальных технических систем, поврежденных трещинами, за пределы проектного ресурса [19].

При детерминистических методах используют фиксированные данные о сопротивлении развитию трещин в материалах, нагруженности технических систем и наличии в них дефектов. В них применяются аналитические зависимости, связывающие наработку до отказа КС оборудования АЭС с характеристиками эксплуатационных нагрузок и параметрами физико-химических процессов. Однако эти подходы не учитывают случайного характера нагрузок и изменений в материалах.

Разрушение объекта - это процесс или результат необратимого изменения исходных характеристик конструкционного сплава элемента оборудования -целостность, размеров, формы, плотности дефектов кристаллического строения и их размеров, химического состава, соотношения объемов фаз с разной кристаллографической структурой и химических соединений разного состава, закончившегося выходом числовых значений измененных характеристик за пределы допускаемых интервалов, которые в соответствии с нормативно-технической документацией не позволяют продолжать безопасную дальнейшую эксплуатацию оборудования [20]. Поэтому основное внимание при количественном детерминированном анализе надежности следует уделять всем процессам повреждения, одновременно и негативно влияющим на долговечность именно конструкционного материала оборудования АЭС.

В [6, 21] обобщены методики определения остаточного ресурса ПГ АЭС, особенно на стадиях образования и роста трещин. В настоящее время эти методики

требуют развития - учета всех повреждающих факторов и ЧПП, а не только влияние циклической нагрузки.

Для оценки состояния ПГ АЭС с ВВЭР—1000 широко применяются подходы линейной механики разрушений, в которых параметром разрушения, характеризующим НДС у вершины трещины упругого тела и контролирующим закономерности её роста, является КИН К1 [2, 3].

Механика разрушений использует следующие основные положения (на воздухе) [3, 22]:

1. Перед вершиной развивающейся трещины формируется зона предразрушения, в которой материал деформирован за предел упругости (дислокационно-фазовая структура). Ею может быть плоское скопление дислокаций.

2. Трещина начинает распространяться в деформируемом хрупком теле в случае, если скорость освобождения энергии упругих деформаций в процессе ее распространения превосходит скорость прироста поверхностной энергии тела.

3. Выбор критерия локального разрушения на фронте трещины, изучение докритического развития трещины и отыскание критического (предельного) состояния, которое соответствует выходу конструкции на нерасчетный режим (например, разрушению).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Тхи Нгует Ха, 2016 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Трунов Н.В., Харченко С.А., Коротаев Н.Ф., Лякишев С.Л. Результаты работ по исследованию причин повреждения металла в районе сварного шва приварки коллектора первого контура к корпусу парогенератора и разработка компенсирующих мероприятий // Сборник трудов 8-го международного семинара по горизонтальным парогенераторам. - Подольск, ОАО ОКБ «Гидропресс», 2010. - 16 с.

2. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. - M.: Физматлит, 2006. - 328 с.

3. Г.П. Черепанов. Механика хрупкого разрушения. - M.: Наука, 1974.

4. Мураками Ю. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: C74 в 2-х томах. Т.1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 448 с.: ил.

5. Мурзаханов Г.Х., Шипков А.А. Математические модели коррозионно-механического разрушения материалов: Учебное пособие по курсу «Прикладная механика разрушения». - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 72 с.

6. Несущая способность парогенераторов водо-водяных энергетических реакторов/ Н.А. Махутов, Ю.Г. Драгунов и др., , М:. «Наука», 2003. - 439 с.

7. Лукасевич Б.И., Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г., Давиденко С.Е. Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. М., ФГУП «ГИДРОПРЕСС» 2004. - 396 с.

8. И.М Неклюдов, Л.С. Ожигов, А.С. Митрофанов, В.Н. Воеводин, Г.Д. Толстолуцкая, В.В. Брык, В.В. Ружицкий. Механизм повреждений сварных соединений приварки коллекторов к корпусам парогенераторов энергоблоков ВВЭР-1000 // Вопросы атомной науки и техники. 2012. - № 2(78). - С. 40-45.

9. Харченко С.А., Трунов Н.Б., Денисов В.В., Коротаев Н.Ф., Анализ причин повреждения металла в зоне сварного шва №111 парогенераторов ПГВ -1000М. - М.: ФГУП ОКБ «Гидропресс», 2007. - 17 с.

10. Петрова О.Ю., Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С. Влияние некоторых компонентов среды 2-го контура ВВЭР - 1000 на склонность стали 10ГН2МФА к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию. Подольск, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2007. - 12 с.

11. Степанов Г.В., Харченко В.В., Бабуцкий А.И., Романов С.В., Кравченко В.И., Кобельский С.В., Чирков А.Ю., и др. Оценка напряженности узла приварки коллектора к патрубку парогенератора ПГВ - 1000 АЭС при экслуатации и термообработке после ремонта. Подольск, 2007. - 8 с.

12. Лякишев С.Л., Харченко С.А., Кучерявченков А.В. Оптимизация конструкции узла приварки коллектора к корпусу парогенератора. ФГУП ОКБ «Гидропресс», Подольск 2007. - 13 с.

13. Абрашов В.А. Разработка расчетных методик оценки ресурса элементов парогенераторов АЭС с ВВЭР с использованием данных по эксплуатационным режимам. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: Изд-во МЭИ, 1997.-155 с.

14. Горбатых В.П., Иванов С.О. Живучесть конструкционных сплавов элементов стареющих парогенераторов АЭС с ВВЭР. - М.: ГОУ ВПО МЭИ (ТУ), 2009. - 20 с.

15. РД 26.260.004-91. Методические указания. Прогнозирование остаточного ресурса оборудования по изменению параметров его техноческого состояния при эксплуатации.

16. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1990. - 448 с.

17. Гетман А.Ф. Ресурс эксплуатации сосудов и трубопроводов АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 427 с.

18. Костенко Н.А. Прогнозирование надежности транспортных машин. -М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

19. Елманова О.А. Магистерская диссертация на тему «Влияние коррозионной среды на коэффициент интенсивности напряжений. Применительно к стали перлитного класса марки 10ГН2МФА», НИУ, «МЭИ», 2010.

20. Горбатых В.П., Иванов С.О. Физико-химические процессы на АЭС. Термины и определения: учебное пособие. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 40 с.

21. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002-86 СССР. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -525 с.

22. Романив О.Н., Никифорчин Г.Н. Механика коррозионного разрушения конструкционных сплавов. - М.: Изд-во «Металлургия», 1986. - 292 с.

23. Л.Н. Петров, Н. Г Сопронюк. Коррозионно-механическое разрушение металлов и сплавов/ Отв. Редактор Мелехов Р.К., АН Украины. Физ-мех. ин-т им. Г.В. Карпенко - Киев, Наукова думка, 1991. - 216 с.

24. Гуревич С.Е., Едидович Л.Д. О скорости распространения трещины и пороговых значе-ниях коэффициента интенсивности напряжений в процессе усталостного разрушения. В кн.: Усталость и вязкость разрушения металлов. - М.: Наука, 1974. - C. 36-79.

25. Нотт Дж. Основы механики разрушения. - М.: Металлургия, 1978. -

256с.

26. Tada H., Paris P. The stress analysis of cracks: Handbook, Hellertown (Pa) Res. Corp. 1973.

27. Sih G.C. Handbook of Stress Intensity Factors? Lehigh Univ., Bethlehem, Pennsylvania, 1973.

28. Dally J. W.Dynamic photoelastic studies of fractureExp. Mech. 1979. Vol. 19. N 10. P. 349 - 361.

29. Sanford R. J., Dally J. W.A general method for determining mixed-mode stress intensity factors from isochromatic fringe patternsEng. Fract. Mech. 1979. Vol. 11. N 4. P. 621 - 633.

30. Sanford R. J.A critical re-examination of the Westergaard method for solving opening mode crack problemsMech. Res.Comm. 1979. Vol. 6. N 5. P. 289 - 294.

31. В.С. Писарев, Ю.Г. Матвиенко, И.Н. Одинцев. Определение параметров механики разрушения при малом приращении длины трещины // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2012. - №04. - С.45-51.

32. Арчаков Ю.И. Водородная коррозия сталей, рименяемых в химической и неф-теперерабатывающей ромышленности ри овышенных температурах и давлениях. Авто-реф. докт. дисс. М. 1970. 31 с.

33. Арчаков Ю.И. Водородная коррозия стали. - М.: Металлургия, 1985.

34. Арчаков Ю.С. Водородоустойчивость стали. - М.: Металлургия, 1978.

35. Асвиян М.Б. Предисловие к кн. "Влияние водорода на служебные свойства стали. - Иркутск: Иркутское книжное изд-во, 1963. - С. 3-5.

36. Асвиян М.Б. Работоспособность конструкционных сталей ри высоких темпера-турах и давлениях технического водорода. Автореф. дисс. д.т.н. - М., 1973. -49 с.

37. Колачев Б.А. Некоторые итоги изучения роблемы водородной хрупкости ме-таллов и задачи дальнейших исследований// Известия вузов. Цветная металлургия, 1987. - № 1. - С.70-76.

38. Колгатин Н.Н. Влияние водорода при высоких температурах и давлениях на ме-ханические свойства сталей. Автореф. дисс. к.т.н.- Л., 1960. - 24 с.

39. Черных Н.П. Влияние водорода на длительную рочность некоторых сталей. Автореф. дисс. к.т.н. - Иркутск, 1959. - 24 с.

40. Шрейдер А.В., Шпарбер И.С., Арчаков Ю.И. Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование. М. Машиностроение. 1976.- 144 с.

41. Овчинников И.Г. Влияние водородосодержашей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них // Науковедение. 2012. - №04.

42. Алексеев П.В. Расчетное моделирование процессов накопления повреждений корпуса коллектора парогенератора ПГВ-1000 в вероятностной постановке. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2013. -172 с.

43. Григорян Р.М. Опыт эксплуатации парогенераторов на армянской АЭС. 7-ой международный семинар по горизонтальным парогенераторам 03-05 октября 2006г. г. Подольск.

44. Герасимов В.В., Монахов А.С. Материалы ядерной техники. - М.: Энергоиздат, 1982. - 289 с.

45. Металлы. Методы испытаний на растяжение. ГОСТ 1497-84. Минчермет СССР, М.: Издательство стандартов, 49 с.

46. Физический энциклопедический словарь. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1965. Т. 4.

47. Бакиров М.Б., Кудрявцев Е.М., Сарычев Г.А., Тутнов И.А. Введение в техническую диагностику потенциально опасных объектов атомной энергетики. М.: РАДЭКСОН, 2003. - 40 с.

48. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г. Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова.— 2-е изд., испр. и доп.— М.: Машиностроение, 1986. — 384 с.

49. Тяпков В.Ф. Состояние, основные проблемы и направления совершенствования водно-химического режима АЭС // Вестник Госатомнадзора России. 2003. - №4. - 19 с.

50. Зорин В.М., Клименко А.В. Теплоэнергетика и теплотехника. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 648 с.

51. Горбатых В.П. Об особенностях применения этаноламина на 1,2 ПГ (1-4) Калининской АЭС. - М.: ГОУ ВПО МЭИ (ТУ), 2009. - 4 с.

52. Герасимов В.В. Прогнозирование коррозии металлов.- М.: Металлургия, 1989. - 156 с.

53. Герасимов В.В. Коррозия реакторных материалов. - М.: Атомиздат 1980.

- 256 с.

54. Стеклов О.И. Стойкость материалов и конструкций под напряжением. -М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.

55. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов. - М.: Изд. Машиностроительной литературы, 1962.

56. Горбатых В.П., Иванов С.О. Дислокационно-водородная модель коррозионного растрескивания под напряжением // Надежность и безопасность энергетики. 2012. - № 17. - С. 50-54.

57. Горбатых В.П., Иванов С.О. Начала коррозиологии // Вестник МЭИ. 2006. - № 5. - С. 11-16.

58. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. — М.: Металлургия, 1985.

- 216 с.

59. Гельд П.В. Водород в металлах и сплавах. - М.: Метталургия, 1974.

60. Смиттелс К. Газы и металлы. Перевод с англ. - М.: Металлургиздат, 1940. - 228 с.

61. Морозов А.Н. Водород и азот в стали 2-е изд. - М.: Металлургия, 1956. -

283 с.

62. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства железоуглеродистых сплавов. - М.: Металлургия, 1982. - 230 с.

63. Басиев К.Д., Бигулаев А.А., Кодзаев М.Ю. Механо—коррозионные процессы и стресс коррозия в магистральных нефтегазопроводах // ВЕСТНИК Владикавказского научного центра. 2005. - № 1. - Т.5. - 7 с.

64. Г.В. Карпенко. Влияние среды на прочность и долговечность металлов. Издательство «НАУКОВА ДУМКА», Киев. 1976. - 127 с.

65. Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. — М.: Металлургия, 1967. - 275 с.

66. Гельд П.В., Рябов Р.А., Мохрачева Л.П. Водород и физические свойства металлов и сплавов. - М.: Изд-во Наука, 1985. - 232 с.

67. В.П. Горбатых. Недокументированные возможности параметрических методов и моделей процессов повреждения конструкционных сплавов оборудования АЭС // Надежность и безопасность энергетики. 2013. - № 21. - С. 28 - 33.

68. Об учете частных процессов повреждения в методике оценки ресурса корпуса реактора по критерию нейтронной хрупкости /А.Ю. Банник, А.А. Гапонов,

B.П. Горбатых, С.О. Иванов, М.П. Никитенко, А.Е. Четвериков // Новое в Рссийской электроэнергетике. 2009. - №5. - С.18 - 31.

69. Мирзаев Д.А., Мирзоев А.А. Термодинамический аспект выделения растворенного водорода в микропорах металла // Вестник ЮурГУ. 2006. - №7. -

C.117-123.

70. Конспект лекций по дисциплине «Теория металлургических процессов» / Авт. Зборщик А.М. - Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2008. - 101 с.

71. Акользин П.А., Герасимова В.В., Герасимов В.В., Горбатых В.П. Локальная коррозия металла теплоэнергетического оборудования, М.: Энергоатомиздат, 1992. - 272 с.

72. Правила и нормы в атомной энергетике. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-008-89, Москва 2003, 241 с.

73. Бигеев А.М. Металлургия стали. Учебник для вузов, М.: Металлургия, 1988. 480с.