Экспериментальное обоснование узлов уплотнений реакторных установок с ВВЭР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Конюшков, Александр Григорьевич

• Конюшков, Александр Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Конюшков, Александр Григорьевич

Основные условные обозначения, индексы и сокращения.

Введение.

Глава 1. Анализ условий работы и конструкций узлов уплотнений разъемных соединений РУ с ВВЭР.

1.1. Основные принципы обеспечения герметичности разъемных соединений РУ.

1.2. Прокладки и прокладочные материалы узлов уплотнений и их свойства.

1.3. Модернизация разъемных соединений РУ с применением материала на основе терморасширенного графита.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Типы испытательных стендов и методика экспериментов по обоснованию узлов уплотнений разъемных соединений РУ.

2.1. Методические стенды.

2.2. Одноконтурные стенды с естественной циркуляцией теплоносителя.

2.3. Двухконтурные стенды с принудительной циркуляцией теплоносителя

2.4. Стенды горячих обкаток.

2.5. Методика определения усилий затяжки узлов уплотнений и снижения усилий затяжки в процессе горячих циклических испытаний.

2.6. Методика определения деформаций элементов узлов уплотнений.

2.7. Методика определения герметичности узлов уплотнений разъемных соединений.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений разъемных соединений РУ с ВВЭР.

3.1. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений верхнего блока РУ

3.2. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений приводов СУЗ ШЭМ-ЗРУВ-1000.

3.3. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений коллекторов и люков лазов парогенераторов РУ с ВВЭР.

3.4. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений блоков ТЭН КД РУВ-1000.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Использование полученного опыта экспериментального обоснования узлов уплотнений в дальнейшей модернизации разъемных соединений РУ.

4.1. Задачи по экспериментальному обоснованию узлов уплотнений главного разъема реактора и пути их решения.

4.2. Перспективные работы по экспериментальному обоснованию узлов уплотнений новых и действующих РУ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное обоснование узлов уплотнений реакторных установок с ВВЭР»

Объект исследований. Объектом исследования являются узлы уплотнений разъемных соединений реакторных установок (РУ) с ВВЭР.

Проблема герметичности разъемных соединений реакторных установок была и остается на сегодняшний день одной из актуальных при проектировании, изготовлении, эксплуатации и ремонте оборудования РУ. Нарушение герметичности разъемных соединений может приводить к авариям, связанным с выходом радиоактивного теплоносителя за пределы соответствующего контура РУ, а так же вызвать коррозионное повреждение (или разрушение) элементов конструкции РУ.

Прочность и герметичность уплотнительных устройств является одним из определяющих условий безаварийной работы РУ. Работа РУ с нарушением герметичности разъемных соединений не допускается.

Учитывая повышенные требования к надежности работы разъемных соединений практически все вновь проектируемые или модернизируемые разъемные соединения проходят экспериментальное обоснование в условиях максимально приближенным к штатным.

Краткая история экспериментального обоснования узлов уплотнений разъемных соединений РУ с ВВЭР. Экспериментальное обоснование разъемных соединений РУ с ВВЭР началось в 1955 г. с момента разработки первых РУ (реакторы ВВЭР-1, для первого блока НВАЭС, ВВЭР-70, для АЭС «Райнсберг» ГДР и т.д.) и продолжается по настоящее время для проекта АЭС-2006 (2я очередь НВАЭС и 2а очередь Ленинградской АЭС). Для этих целей в ОКБ «Гидропресс» была создана мощная экспериментальная база и выбрано направление исследований, заключающееся в проведении экспериментов на полномасштабных моделях и в условиях, моделирующих штатные теплогидравлические условия работы РУ. Такое направление, хотя и связано с большими материальными затратами, однако, как показал дальнейший опыт, полностью себя оправдало и позволило избежать серьезных ошибок при разработке узлов уплотнений и дальнейшей эксплуатации на действующем оборудовании РУ.

Современное состояние экспериментального обоснования разъемных соединений РУ с ВВЭР. С 1955 г. по настоящее время экспериментальная база ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» значительно усовершенствована. Старые стенды модернизированы, на них установлены современные КИП и А, на части стендов внедрено АСУ ТП и АСНИ, что позволило повысить точность измерений и автоматизировать технологический процесс экспериментального обоснования. Большинство стендов аттестовано в «Ростест» г. Москва и имеет соответствующие свидетельства. Тенденция к проведению экспериментов на полномасштабных моделях и в штатных теплогидравлических условиях сохранилось и в настоящее время, что несомненно, повышает достоверность результатов экспериментов.

Целью настоящей диссертационной работы является:

• систематизация накопленного методического опыта экспериментального обоснования работоспособности вновь проектируемых и модернизируемых узлов уплотнения оборудования РУ с ВВЭР;

• разработка новых методик экспериментального обоснования разъемных соединений РУ;

• разработка технологий экспериментального обоснования разъемных соединений РУ;

• разработка стендов для экспериментального обоснования разъемных соединений РУ;

• разработка моделей узлов уплотнений;

• проведение экспериментов в теплогидравлических режимах нормальной эксплуатации оборудования РУ;

• проведение экспериментов в теплогидравлических режимах с нарушением нормальной эксплуатации РУ;

• проведение экспериментов моделирующих аварийные режимы работы

РУ;

• выдача обоснованных рекомендаций по конструкции узлов уплотнений, включая решения по их оптимизации;

• выдача рекомендаций по технологии изготовления прокладок из ТРГ;

• выдача обоснованных усилий затяжки разъемных соединений РУ, для включения в технический проект РУ;

• выдача рекомендаций по методам контроля усилий затяжки;

• выдача рекомендаций по типам применяемых смазок.

Признаки предмета исследования и его определение. Диссертационная работа направлена на повышение надежности узлов уплотнений разъемных соединений действующих и вновь проектируемых реакторных установок с ВВЭР, за счет экспериментального обоснования (экспериментальное обоснование - один из этапов модернизации) узлов уплотнений с новым прокладочным материалом, терморасширенным графитом (ТРГ). имеющим более высокие эксплуатационные свойства по сравнению с ранее применявшимся для этих целей никелем.

Направление исследований:

• Исследование узлов уплотнений разъемных соединений РУ с применением нового прокладочного материала - терморасширенного графита (ТРГ).

• Определение усилий затяжки узлов уплотнения, обеспечивающих герметичность разъемных соединений во всем спектре теплогидравлических режимов работы РУ, включая аварийные режимы.

• Определение геометрических размеров прокладок из ТРГ и элементов узлов уплотнений.

• Определение влияния зазоров в сопряжениях элементов узлов уплотнений на обеспечение герметичности узлов уплотнений.

• Определение зависимости изменения диаметра прокладок из ТРГ после извлечения их из прессформы от плотности и размеров прокладок.

• Анализ результатов опытно-промышленной эксплуатации модернизированных узлов уплотнений с прокладками из ТРГ на действующих блоках АЭС.

Личное участие автора. Результаты исследований являются итогом многолетней работы автора, как специалиста, непосредственно занимающегося разработкой и исследованиями узлов уплотнений разъемных соединений РУ. Диссертант в качестве ответственного исполнителя принимал непосредственное участие в проведении большинства экспериментов, результаты которых изложены в диссертации, начиная со стадии постановки задач исследований, написании программ, методик исследований, разработке стендов, конструкций прокладок из ТРГ, проектировании прессформ, проведении экспериментов и написании отчетов.

Автор лично участвовал в работах на нескольких блоках АЭС по уплотнению разъемных соединений РУ с прокладками из ТРГ на стадии их опытно-промышленной эксплуатации. Автор принимал непосредственное участие в измерениях геометрии главных разъемов реакторов и выдачи рекомендаций по уплотнениям ГРР практически на всех блоках РУ с ВВЭР.

На защиту выносятся:

Комплекс исследований и испытаний с целью экспериментального обоснования узлов уплотнений разъемных соединений РУ. Оптимизация выбора методов испытаний, испытательных стендов и моделей для различных типов разъемных соединений, пути дальнейшей модернизации разъемных соединений, включая главный разъем реактора, как действующих, так и вновь проектируемых разъемных соединений РУ.

Автор выражает благодарность своим научным руководителям: Директору-генеральному конструктору ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», члену-корреспонденту РАН, доктору технических наук Драгунову Ю.Г., Заместителю главного инженера ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», кандидату технических наук Селезневу А.В., а так же сотрудникам ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» Рыжову С.Б., Титову О.В., Русьянову В.Г., Геронтьеву А.Е., Алексееву Д.Е., Страхову А.А., Кротову А.Н., Костикову М.Е., Камышевой B.C., Романовой И.И. за помощь в работе над диссертацией и за материалы, использованные в научных работах, выполненных в соавторстве.

Заключение диссертации по теме «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», Конюшков, Александр Григорьевич

Основные результаты и выводы диссертации

1. Систематизирован опыт работ по экспериментальному обоснованию работоспособности вновь проектируемых и модернизируемых узлов уплотнений разъёмных соединений реакторных установок с ВВЭР.

Экспериментальное обоснование - это один из основных этапов модернизации узлов уплотнений, необходимость в которой стала актуальной в связи с серьёзными проблемами при эксплуатации действующих блоков АЭС. Появление в начале 90 годов и освоение производства в промышленных объёмах нового материала - терморасширенного графита, уникального по своим физико-механическим свойствам как прокладочного материала, позволило коренным образом изменить подходы к проектированию, экспериментальному обоснованию эксплуатации узлов уплотнений с применением прокладок из ТРГ.

2. Проведён анализ конструкций и условий работы разъёмных соединений РУ, от надёжности которых напрямую зависит надёжность и безопасность работы АЭС.

3. Приведены недостатки базовой конструкции разъемных соединений и проблемы, которые возникают при эксплуатации узлов уплотнений с металлическими прокладками.

4. Показана необходимость экспериментального обоснования модернизированных узлов уплотнений, так как расчетное обоснование не всегда может дать исчерпывающую оценку по герметичности в силу множества факторов влияющих на герметичность узлов уплотнений.

5. Обоснован выбор методов экспериментального обоснования, экспериментальных стендов и моделей, разработанных в соответствии с поставленной задачей. Все узлы уплотнений испытывались на полномасштабных моделях, в теплогидравлических условиях имитирующих натурные теплогидравлические условия, включая режимы с нарушением нормальной эксплуатации работы РУ. Именно такой подход позволил избежать серьезных ошибок при внедрении модернизированных узлов на действующих АЭС.

6. Выбраны усилия и моменты затяжки разъёмных соединений, которые в последствии были введены в технические проекты РУ.

7. Подтверждены стендовыми испытаниями следующие преимущества модернизированных конструкций узлов уплотнений:

• повышенная надежность узлов уплотнений при нормальных условиях эксплуатации и нарушении нормальных условий эксплуатации;

• сниженное напряженно - деформированное состояние узлов уплотнений за счет значительного (до 50%) снижения усилий затяга узлов уплотнений;

• менее жесткие требования к уплотнительным поверхностям;

• неповреждаемость уплотнительных поверхностей;

• увеличение срока эксплуатации, сокращение трудозатрат и дозовых нагрузок персонала АЭС при проведении ремонтно-восстановительных работ;

• устойчивость конструкции к отклонениям от проектных требований в виде отклонений геометрических размеров и параметров шероховатости уплотнительных поверхностей;

• устойчивость к ошибочным действиям персонала;

• устойчивость к превышению момента затяжки узлов уплотнений.

8. Предложены пути дальнейшей модернизации разъёмных соединений РУ, включая главный разъём реактора, как действующих, так и вновь проектируемых РУ.

9. Даны рекомендации по оптимизации технологии изготовления оснастки для производства прокладок из ТРГ. Решены вопросы по изготовлению прокладок из

ТРГ больших (более 800 мм) диаметров с необходимой и постоянной по периметру плотностью. В процессе экспериментального обоснования, по мере получения положительных результатов, проводилось расчётное обоснование по каждому узлу уплотнения и оформлялось специальное техническое решение о проведении опытной эксплуатации модернизированных узлов уплотнения на действующих АЭС с реактором ВВЭР. Эти решения согласовывались в органах Госатомнадзора РФ и утверждались в концерне «Росэнергоатом», как эксплуатирующей организации.

Для приобретения необходимого опыта обращения с прокладками из ТРГ эксплуатационного персонала первые сборки узлов и проведение гидравлических испытаний проводились при авторском сопровождении специалистов ОКБ «Гидропресс».

Продолжительность опытной эксплуатации по каждому типу узла уплотнения в соответствии с решениями была определена не менее 1 года, т.е. в течение 1 компании топливного цикла.

Это позволило получить результаты эксплуатации на всех этапах, включая этап разборки узла уплотнения, его ревизии и подготовки к сборке на следующую топливную компанию.

10. Не выявлено ни одного случая течи, ни в процессе гидравлических испытаний, ни во время работы реактора на мощности в процессе опытной эксплуатации, причем опытная эксплуатация проводилась параллельно на нескольких блоках.

11. Проведена работа по созданию производственного участка по изготовлению прокладок из ТРГ. Приобретено необходимое высокопроизводительное оборудование, включая пресс усилием 250 т.е. В настоящее время объёмы поставок прокладок из ТРГ достигли 10-12 тыс. штук в год. Производство осуществляется под надзором федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), а для прокладок поставляемых за рубеж под надзором ВО «Безопасность» и заказчика. За все время поставок не было случаев рекламаций по качеству, прокладок из ТРГ изготовленных в ОКБ «Гидропресс».

Учитывая большое количество узлов, проходивших опытную эксплуатацию, получена хорошая статистика, подтверждающая высокую надежность модернизированных узлов уплотнений.

Успешные результаты опытной эксплуатации модернизированных узлов уплотнения реактора с применением прокладок из РГ явились основой для принятия решений по введению модернизированных узлов уплотнений в технические проекты реакторных установок, по организации серийного изготовления прокладок из ТРГ и переходу от опытной к промышленной эксплуатации модернизированных узлов. Такие решения оформлялись отдельно по каждому из модернизированных узлов, решения согласованы органами Госатомнадзора РФ и утверждены концерном «Росэнергоатом», как эксплуатирующей организацией.

Научная новизна:

• Проведенные исследования легли в основу для постановки на опытно промышленную эксплуатацию (впервые в России) модернизированных узлов уплотнений с прокладками из ТРГ.

• Автором разработаны и систематизированы методики и технологии экспериментального обоснования разъемных соединений РУ с новым нетрадиционным в атомной энергетике, прокладочным материалом терморасширенным графитом (ТРГ).

• Автором предложены принципиально новые пути решения уплотнения главного разъёма реактора (ГРР) с применением прокладок из ТРГ.

Практическая значимость работы.

• Экспериментально обоснованные автором и под его руководством узлы уплотнений введены в технические проекты Реакторных Установок с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 как действующих, так и вновь сооружаемых АЭС: В-428 (Китай), В-446 (Иран), В-412 (Индия), а также в проекте АЭС-2006.

• Результаты экспериментального обоснования узлов уплотнений с прокладками из ТРГ легли в основу при разработке нормативно технической документации:

- стандарт предприятия ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» «Уплотнительные устройства. Испытания, эксплуатация» СТП 140-2006.

- технические условия «Прокладки из расширенного графита» ТУ 95 2531-94.

• Узлы уплотнений с прокладками из ТРГ, практически без отказов, эксплуатируются на всех Блоках АЭС с ВВЭР в России, Украине, Болгарии, Чехии, Словакии, Венгрии и Китае.

• Комплекс работ по разработке и внедрению модернизированных узлов уплотнений с прокладками из терморасширенного графита был высоко оценен Министерством Атомной Энергии, и Промышленности в связи, с чем группа разработчиков, в том числе и автор диссертации, была удостоена отраслевой Премии им. Н.А. Доллежаля «За лучшую конструкторскую разработку в области атомной техники».

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Заседании международной группы экспертов по повышению технического уровня и совершенствованию арматуры АЭС (МГА) 12-16 марта 2001 г., МХО Интератомэнерго. Москва; Миссии технической поддержки в г. Моховце, Словацкая республика ВАО АЭС МЦ, 2004 г.; 2-ой Всероссийской конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (г. Подольск, Московская обл., 2001 г.)

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Конюшков, Александр Григорьевич, 2006 год

1. «Общие» положения обеспечения безопасности атомных станций, ОПБ-88/97. НП-001-97 (ПНАЭ Г-01-011-97) Москва. Энергоатомиздат. 1997 г.

2. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-008-89) Москва. Энергоатомиздат. 1990.

3. В.Т. Бабкин, А.А. Зайченко, В.В. Александров, Б.Ф. Бызалов, В.Н. Иванов, Л.П. Юрченко Герметичность неподвижных соединений гидравлических систем. М., «Машиностроение» 1977.120 с.

4. Русьянов В.Г., Денисов В.П., Драгунов Ю.Г., Селезнев А.В., Рыжов С.Б., Гэронтьев А.Е., Конюшков А.Г. Уплотнительные устройства разъемных соединений оборудования реакторных установок ВВЭР // М.: ИКЦ «Академкнига» -2004.-134 с.

5. Уплотнения и уплотнительная техника / Справочник. Под общей редакцией А.И. Голубева и Jl.A. Кондакова//-М.: Машиностроение, 1986.

6. Машиностроительный гидропровод под редакцией В.Н. Прокофьева. Москва, «Машиностроение», 1978 г.

7. В.Т. Бабкин и др. Герметичность неподвижных соединений гидравлических систем». М.: Машиностроение, 1977 г.

8. Аврущенко Б.Х. Резиновые уплотнители. Л., «Химия», 1978.136 с.

9. И.В. Крагельский, Н.М. Михин Узлы трения машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1984. 280 е., ил - (Основы проектирования машин).

10. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин. Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. 3-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1979.-702 с.

11. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971.

12. Волошин А.А., Гоигорьев Г.Т. Расчет и конструирование фланцевых соединений. Ленинград: Машиностроение, 1979 г.

13. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник. М.: Металлургия, 1974 г.

14. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. Учебник для вузов М.: Энергоатомиздат, 1984 - 280 с.

15. Львов Б.Г., Шувалов А.С. Современные сверхвысоковакуумные уплотнения: Учебное пособие для проф.-техн. Учеб. Заведений. М.: Высш.шк., 1984 - 71 с.

16. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) / Госатомэнергонадзор СССР. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 525 с. - (Правила и нормы в атомной энергетике).

17. Геронтьев А.Е., Страхов А.А, Конюшков А.Г., Алексеев Д.Е. Модернизация уплотнительных устройств парогенераторов АЭС с ВВЭР-440, ВВЭР-1000 II Атомная энергия декабрь 2005. - Вып. 6. - С. 470-475.

18. Геронтьев А.Е, Страхов А.А., КонюшковА.Г., Алексеев Д.Е. Модернизация уплотнительных устройств парогенераторов ПГВ-440 и ПГВ-ЮООМ с применением прокладок из расширенного графита // Вопросы атомной науки и техники 2005. -Вып. 9.-С. 95-101.

19. Графитовая фольга «ГРАФЛЕКС» Технические условия ТУ 5728-001-50187417-99. г. Климовск, Моск.обл. 1999 г. 9 с.

20. Рыжов С.Б., Конюшков А.Г., Титов О.В. Разработка, расчетно-экспериментальное обоснование и опытно-промышленная эксплуатация узлов уплотнения ВВЭР-1000 // Атомная энергия декабрь 2005. - Вып. 6. - С. 476-481.

21. Рыжов С.Б., Конюшков А.Г., Титов О.В. Разработка, расчетно-экспериментальное обоснование и опытно-промышленная эксплуатация узлов уплотнений реакторов типа ВВЭР-1000 // Вопросы атомной науки и техники 2005. - Вып. 9. - С. 103-115.

22. Селезнев А.В., Гзронтьев А.Е., Конюшков А.Г. Разработка и внедрение узлов уплотнений с прокладками из расширенного графита в оборудовании реакторных установок ВВЭР // Сборник трудов ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» 2001. - Вып. 2. -Часть 3. - С. 435-439.2.1Q

23. Конюшков А.Г., Русьянов В.Г., Геронтьев А.Е. Общие вопросы уплотнений разъемных соединений РУ с ВВЭР // Сборник трудов ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» -2004. Вып. 5. - Часть 2. - С. 287-293.

24. Я.Б. Зельдович, А.Д. Мышкис Элементы прикладной математики М., 1972 г., 592 с. с илл.

25. К. Финк, X. Рорбах Измерение напряжений и деформаций. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы Москва, 1961.

26. Бошняк Л.Л. Измерения при теплотехнических исследованиях. Л., «Машиностроение» (Ленинградское отд-ние), 1974.448 с.

27. Иосилевич Г.Б., Строганов Г.Б., Шарловский Ю.В. Затяжка и стопорение резьбовых соединений. М.: Машиностроение, 1985 г.

28. Чугаев P.P. Гидравлика (Учебник для вузов). Л., «Энергия», 1975.-600 с. с илл.

29. Острейковский А. А. Эксплуатация атомных электростанций // М.: Энергоатомиздат, 1999.

30. Трунов Н.Б., Логвинов С. А., Драгунов Ю.Г. Гидродинамические и теплохимические процессы в парогенераторах АЭС с ВВЭР. М.: Энергоатомиздат, 2001. - 316 с. с илл.

31. Лукасевич Б.И., Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г., Давиденко С.Е. Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 391 е.: ил.

32. Теплоэнергетика и теплотехника: общие вопросы: Справочник под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина. 2-е издание, переработанное. М.: Энергоатомиздат, 1987 - 456 е.: ил. - (теплоэнергетика и теплотехника; кн. 1).

33. Денисов В.П., Драгунов Ю.Г Реакторные установки ВВЭР для атомных электростанций. М.: ИздАТ, 2002,480 с.

34. Доклад специалистов АЭС «Моховце» на миссии технической поддержки ВАО АЭС. Моховце, Словацкая республика, 2003 г.

35. Конюшков А.Г., Гэронтьев А.Е. Методика измерений геометрии уплотнительных поверхностей канавок ГРР и определение критериев выбора диаметра уплотнительных прокладок // Сборник трудов ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» 2004. -Вып. 5. - Часть 2. - С. 294-298.