Исследование безопасности эксплуатации трубопроводов энергетических реакторов на основе концепции "Течь перед разрушением" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.11, кандидат наук Кузьмин, Дмитрий Александрович

• Кузьмин, Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Кузьмин, Дмитрий Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор существующих подходов и методов

.1 Основные понятия и принципы

.2 Место концепции ТПР в системе обеспечения безопасности эксплуатации сосудов и трубопроводов давления АЭС

.3 Особенности работ по применению концепции ТПР на стадиях проектирования и эксплуатации

.4 Методы расчета критических размеров сквозных трещин

.4.1 Метод нагрузки пластического шарнира

.4.2 Метод 1-интеграла

.5 Методы определения площади раскрытия трещин

.5.1 Метод определения площади раскрытия трещин Дагдейла

.5.2 Метод определения площади раскрытия трещин Васрича

.5.3 Конфигурации площади раскрытия трещин

.5.4 Определение площади раскрытия трещин с помощью конечно-элементных моделей

.6 Определение интенсивности истечения через сквозные трещины

.6.1 Методика расчета однофазного истечения

.6.2 Методика расчета двухфазного истечения

.7 Постановка задачи

.8 Выводы по первой главе

Глава 2. Методы и подходы для обеспечения безопасности трубопроводов на основе концепции «течь перед разрушением»

2.1 Основные принципы ТПР

2.2 Выбор расчетных сечений

2.3 Расчет напряжений

2.4 Расчет критических длин трещин

2.5 Расчет кинетики трещины и оценка вероятности существования дефектов

2.6 Проверка стабильности трещин в режиме НУЭ+МРЗ

2.7 Определение площадей раскрытия трещин

2.8 Определение расходов теплоносителя

2.9 Определение минимальной чувствительности

2.10 Подбор систем контроля течи

2.11 Выводы по второй главе

Глава 3. Практическое применение Методики для главных циркуляционных трубопроводов и дыхательного трубопровода АЭС в Моховце типа ВВЭР-440 блоков 3 и 4

3.1 Выбор расчетных сечений

3.2 Расчет напряжений

3.3 Расчет критических длин трещин

3.4 Расчет кинетики трещины

3.5 Проверка стабильности трещин в режиме НУЭ+МРЗ

3.6 Определение площадей раскрытия трещин

3.7 Определение расходов теплоносителя

3.8 Определение минимальной чувствительности

3.9 Подбор систем контроля течи

3.10 Гетерогенные сварные соединения

3.11 Выводы по третьей главе

Глава 4. Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе из перлитной стали

4.1 Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе Ду850 из перлитной стали

4.1.1 Исследование влияния наплавки на напряженно-деформированное состояние

4.1.2 Исследование влияния наплавки на раскрытие трещины

4.1.3 Исследование влияния наплавки на площадь раскрытия трещины

4.2 Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие

трещины в трубопроводе Ду800 из перлитной стали

4.2.1 Исследование влияния наплавки на напряженно-деформированное состояние

4.2.2 Исследование влияния наплавки на раскрытие трещины

4.2.3 Исследование влияния наплавки на площадь раскрытия трещины

4.3 Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование безопасности эксплуатации трубопроводов энергетических реакторов на основе концепции "Течь перед разрушением"»

ВВЕДЕНИЕ

Трубопроводные системы проектируются в соответствии с нормативной документацией, в том числе по критерию сопротивления разрушению, но это не гарантирует безопасной эксплуатации, т.к. возникают случаи, когда трубопроводы разрушаются, например АЭС Михама (Япония). В соответствии с концепцией глубоко эшелонированной защиты разрушение трубопровода не должно превышать одного события за весь период эксплуатации АЭС. Для этого случая разрабатывают так называемые системы безопасности АЭС. Концепция ТПР направлена на предупреждение разрывов трубопроводов, и на этой основе смягчаются требования к системам безопасности. При использовании концепции ТПР достигается такой уровень безопасности, который исключает возможность гильотинного разрыва трубопровода, что позволяет не использовать опоры ограничители для трубопроводов на случай их гильотинного разрыва и упрощает проведение неразрушающего контроля.

Однако обеспечение безопасности АЭС на основе концепции ТПР требует особого внимания к методикам обоснования, анализу результатов их применения и разработке практических рекомендаций. Это связано с тем, что концепция ТПР допускает эксплуатацию трубопровода в стадии его разрушения. Это существенно отличается от конструкторских расчетов прочности, при которых мембранные напряжения должны быть ниже предела текучести, а невозможность зарождения трещины усталости обосновывается с 10-кратным запасом.

В связи с отмеченным, разработка и совершенствование методов расчета по вопросам, связанным с концепцией ТПР, является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований.

Цель работы - исследовать условия обеспечения безопасности на основе концепции «течь перед разрушением», позволяющей гарантированно исключить разрыв трубопровода полным сечением и на этой основе смягчить требования к системам безопасности АЭС.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Обобщить опыт применимости концепции ТПР на основе нормативных документов и методологий, используемых в РФ и зарубежных странах.

2. Исследовать условия возникновения разрывов трубопроводов без течи.

3. Сформировать методику в соответствии с нормативными документами РФ, документами и опытом зарубежных стран, а также дополнительными исследованиями и условиями, повышающими достоверность получаемых результатов.

4. Разработанную методику использовать для применения концепции ТПР на реальных трубопроводах АЭС.

5. Исследовать влияние наплавки из аустенитной стали на площадь раскрытия трещин в трубопроводах из перлитной стали с диаметрами 800 и 850 мм.

Методы исследования.

Расчетная часть работы выполнена путем численного моделирования методом конечных элементов напряженного состояния участка трубопровода со сквозной трещиной при нормальном условии эксплуатации, с учетом различных значений коэффициентов линейного расширения наплавки и основного металла.

Использовались методы механики разрушения: метод нагрузки пластического шарнира и метод J-интеграла, а также гидродинамические методы учета истечения теплоносителя через трещину.

Применяли методы полунатурных испытаний трубопроводов с трещинами для уточнения критериев разрушения и величин течи теплоносителя.

Научная новизна.

1. Исследованы возможные сценарии гильотинного разрушения главного циркуляционного трубопровода (Ду500) и дыхательного трубопровода (Ду200) с полным сечением и показано, что гильотинное разрушение возможно как с предшествующей стабильной течью, так и без течи, в связи с чем в работе исследованы оба сценария разрушения: «течь перед разрушением» и «разрушение без течи».

2. С целью обоснования критериев разрушения сталей трубопроводов главного циркуляционного трубопровода (Ду500) и дыхательного трубопровода (Ду200) экспериментально исследованы натурные элементы трубопроводов из аустенитной стали и показано, что в условиях эксплуатации АЭС типа ВВЭР-440 корректно применение в качестве критерия разрушения как J-интеграла, так и критерия нагрузки пластического шарнира (НПШ).

3. Разработана методика для обоснования стабильности трещин в режиме максимального расчетного землетрясения в сочетании с нормальными условиями эксплуатации (НУЭ+МРЗ) с применением метода J-интеграла и метода НПШ.

4. Разработана методика определения вероятности гильотинного разрушения трубопровода без течи и показано, что вероятность такого события

п

пренебрежимо мала и существенно меньше 10- (реактор/год).

5. Разработана расчетно-экспериментальная методика определения расхода теплоносителя через сквозные стабильные трещины для трубопроводов первого контура РУ типа ВВЭР-440. Величины расхода теплоносителя варьируются для главного циркуляционного трубопровода от 60 до 501 л/мин, а для дыхательного трубопровода от 43 до 104 л/мин (минимально допустимое значение 38 л/мин).

6. Разработана методика исследования условий обеспечения безопасности РУ АЭС на основе концепции ТПР для трубопроводов реакторной установки типа ВВЭР-440 с учетом специфики блоков 3 и 4 АЭС «Моховце» (Словацкая Республика).

7. Исследовано влияние на раскрытие сквозной трещины наплавки (плакировки) из стали аустенитного класса на трубопроводах, изготовленных из стали перлитного класса, и построены зависимости влияния наплавки (плакировки) на площадь раскрытия трещины от протяженности трещин для трубопроводов контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) коллекторов на всасе на Ду800 (РБМК-1000) и главного циркуляционного трубопровода Ду850 (ВВЭР-1000) при температурах до 300 0С.

Практическая ценность.

1. Разработанная методика позволила выполнить комплекс расчетно-экспериментальных обоснований и определить условия невозможности гильотинного разрушения трубопроводов 1 контура РУ ВВЭР-440 с учетом специфики блоков 3 и 4 АЭС «Моховце». Указанные условия реализуются на упомянутых блоках в проектно-эксплуатационной документации, блоки находятся на стадии монтажа и пуско-наладочных работ.

2. Разработана методика определения раскрытия сквозной трещины в стенках трубопроводов с наплавкой (плакировкой): контура многократной

принудительной циркуляции (КМПЦ) коллекторов на всасе на Ду800 (РБМК-1000) и главного циркуляционного трубопровода Ду850 (ВВЭР-1000). Применение указанной методики позволит более точно определять требования к системам контроля течи и с большей надежностью обеспечивать безопасность эксплуатации соответствующих энергоблоков АЭС.

Достоверность научных результатов обеспечивается методологиями исследований, основанных на трудах отечественных и зарубежных ученых, современными методами расчетов, с использованием аттестационного программного обеспечения «АшуБ» и сопоставлением результата и эксперимента, по данным натурных испытаний.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы, создании методики и доработке подходов, а так же в выполнении численных расчетов. Автору принадлежит разработка зависимостей влияния наплавки на раскрытие трещин при нормальных условиях эксплуатации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований натурных элементов трубопроводов из аустенитной стали.

2. Методика определения вероятности гильотинного разрушения трубопровода без течи.

3. Методика для обоснования стабильности трещин в режиме максимального расчетного землетрясения в сочетании с нормальными условиями эксплуатации (НУЭ+МРЗ) с применением метода J-интеграла и метода НПШ.

4. Расчетно-экспериментальная методика определения величины течи через трещины для трубопроводов РУ типа ВВЭР-440.

5. Основные положения методики «Расчетное обоснование для обеспечения безопасности эксплуатации АЭУ на основе концепции «течь перед разрушением».

6. Результаты исследований условий применимости концепции «течь перед разрушением» для АЭС Моховце.

7. Результаты влияние наплавки (плакирующего слоя) на площадь раскрытия сквозной трещины.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях:

1. Практические курсы «Новые методы анализа надежности и безопасности элементов и систем атомных электростанций с учетом старения» с участием специалистов из США и Франции (представители АЭС концерна ОАО «Росэнергоатом», ОАО «ВНИИАЭС», Москва, 2011 г.);

2. Седьмая российская конференция «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность», (Госкорпорация «Росатом», ОАО «НИКИЭТ», ООО «ИЦП МАЭ», г. Геленджик, Краснодарский край, 08-12 октября 2012 г.);

3. Восьмой межотраслевой семинар «Прочность и надежность оборудования», (Госкорпорация «Росатом», ОАО «НИКИЭТ», ООО «ИЦП МАЭ», г. Звенигород, Московская область, 15-18 октября 2013 г.).

4. Десятая международная научно-технической конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (МНТК-2016), 25-27 мая 2016 года, Москва, ул. Ферганская, д. 25.

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в изданиях,

рекомендованных ВАК РФ.

Внедрение работы.

Разработки диссертации реализованы в работах по контракту с АЭС в Моховце (Словакия) для блоков 3 и 4: «LBB Activity for MO3,4» № 4600005433/820/10 от 16.06.2010.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 121 страницу машинописного текста, 69 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 55 наименований.

Глава 1. Обзор существующих подходов и методов

Концепция «течь перед разрушением» (ТПР) появилась почти одновременно с возникновением прикладной механики разрушения. Она была сформулирована в научных работах Irwin G.R. и Srawley J.E [1] как концепция конструирования сосудов давления, при котором полному разрушению сосуда предшествовала бы течь через относительно устойчивую трещину. Концепция ТПР впервые была доведена до практического использования в США. Работы, проводимые в других странах в этом направлении, во многом опираются на их опыт.

В атомной энергетике концепцию ТПР начали применять в ФРГ [2] и США [3] в 80-х годах для обеспечения безопасности эксплуатации главных трубопроводов ректоров АЭС на стадии конструкторских работ. При этом в ФРГ эта концепция известна как концепция предупреждения разрушения.

В США ведется систематическая планомерная работа по обеспечению безопасности эксплуатации на основе концепции ТПР. Новые АЭС проектируются с учетом концепции ТПР для всех трубопроводов, важных для безопасности и имеющих диаметр более 150 мм. Это же требование принято так же и для реакторов нового поколения. Основные разработки положений концепции ТПР в атомной энергетике были выполнены в США и описаны в научных документах [4-13].

В России также проводилась работа по применению концепции ТПР. Так, в середине 80-х годов перед АО «ВНИИАЭС» была поставлена задача обеспечения безопасности эксплуатации на основе концепции ТПР для действующих реакторов ВВЭР-440 первого поколения. Уже в 1988 г. был завершен первый этап исследований, учитывающий специфику этапа

эксплуатации, спроектированной без учета концепции ТПР конструкции трубопровода. Была показана также принципиальная применимость концепции ТПР для ГЦТ ректоров ВВЭР-440. По результатам первого этапа были приняты принципиальные решения о напряжениях реконструкции блоков АЭС с ВВЭР-440 первого поколения в целях повышения их безопасности. Результаты этих работ позволили сформировать системный подход к проблеме практического применения концепции ТПР [14] и [15].

С учетом зарубежного опыта в России выпущена монография, посвященная концепции безопасности ТПР [16], которая охватывает результаты на основе теоретических и экспериментальных исследований за десятилетней опыт эксплуатации. Вопросы, связанные с концепцией ТПР в России так же были рассмотрены диссертационных работах [17], [18] и научных публикациях [19] и [20].

В настоящий момент в России действует Руководство по применению концепции безопасности течь перед разрушением к трубопроводам действующих АЭУ [21].

Интерес к проблеме безопасности эксплуатации на основе концепции ТПР постоянно возрастает во всем мире. Опыт эксплуатации сосудов и трубопроводов давления свидетельствует о необходимости применения концепции ТПР.

Отмечен вклад ученых и инженеров в развитие концепции ТПР и механики разрушения, включая Н.А. Махутова, Г.П. Карзова, А.В. Судакова,

A.А. Тутнова, А.Ф. Гетмана, С.В. Европина, Л.М. Сокова, Е.Ю.Ривкина,

B.А.Киселёва, Г.Ирвина (США), Г.Бартоломея (Германия), К. Фейди (Франция), И. Ждярека (Чехия), и др.

1.1 Основные понятия и принципы

Если в конструкции имеется трещина или объемный дефект технологической природы (непровар, несплавление и т.п.), эти дефекты всегда будут схематически представлены как трещины. Обусловлено это тем, что трещина является самым опасным дефектом сплошности материала. Кроме того, объемные и плоские дефекты сплошности могут иметь на своих краях острые микронадрывы, микротрещины, что приближает их поведение к поведению трещин.

Трещину обычно представляют эллипсом с малой полуосью, равной 2а, и большой полуосью, равной 2с.

По месту расположения и ориентации трещина может быть поверхностной и подповерхностной, сквозной, несквозной, ориентированной вдоль оси трубопровода или поперек нее. Длина поперечной трещины в некоторых случаях может быть охарактеризована углом 2^.

Трещина может быть развивающаяся и неразвивающаяся. Развивающаяся в эксплуатации трещина может медленно увеличивать свои размеры, если в вершине трещины происходят процессы разрушения, например, по механизмам усталости, коррозионного растрескивания.

Медленный рост трещины в условиях реальной эксплуатации может окончиться достижением трещиной критических размеров, после чего трещина переходит в стадию быстрого неустойчивого развития, которая может вызвать окончательное разрушение конструкции. На рис. 1.1.1 схематически показаны стадии медленного устойчивого и быстрого неустойчивого развития трещины.

Все возможные критические размеры трещины заданной ориентации и типа можно изобразить соответствующей диаграммой (рис. 1.1.2).

Для трубопровода, для которого диаграмма критических размеров трещин характеризуется кривой 2, сквозных устойчивых трещин быть не может, следовательно, не может быть и течи перед разрушением. Такие трубопроводы разрушаются в эксплуатации как бы внезапно, так как обнаружить проявления начальной стадии разрушения визуальным образом практически невозможно.

Для трубопровода, для которого диаграмма критических размеров трещин характеризуется кривой 1, возможно существование устойчивых сквозных трещин (кривая 1а). Следовательно, обеспечение безопасности эксплуатации таких трубопроводов на основе концепции ТПР возможно.

Если сосуд давления или трубопроводная система обладает малым запасом внутренней энергии, невозможность полного разрушения такой конструкции с появлением устойчивой сквозной трещины обеспечивается быстрым падением внутреннего давления Р. Это происходит вследствие истечения содержимого сосуда или трубопровода (рис. 1.1.3). Реализация такой схемы возможна для сосудов и трубопроводов с небольшим внутренним объемом, заполняемым жидкостью.

Для первого контура энергетической реакторной установки такая схема реализации концепции ТПР невозможна как вследствие больших объемов установки, наличия паровой фазы в системе компенсации давления (для реакторов типа ВВЭР, PWR), так и вследствие высокой температуры теплоносителя (воды), значительно превышающей температуру его кипения при нормальном давлении. В этом случае необходима специальная система обратной связи, которая позволяла бы фиксировать возникновение течи через сквозную трещину и обеспечивала прекращение эксплуатации. На АЭС такая система обратной связи может быть реализована в виде прибора для контроля

течи; нормативного документа, определяющего действия персонала при появлении течи; персонала; действий персонала, направленных на останов реактора (рис. 1.1.4).

1 оа ос Ж X Т 1- ^ 1 о оо 1 сч о лз >1 о. 223 ^ е-1 Экз Критический размер трещины оэ-

Стадия медленного устойчивого развития трещины

Время эксплуатации

Рис. 1.1.1. Две стадии разрушения конструкции в зависимости от скорости

развития трещины

Рис. 1.1.2. Диаграмма критических размеров поперечных трещин для

трубопроводов двух типов: 1а - сквозные устойчивые трещины (для трубопровода может быть реализована

концепция ТПР); 1б - несквозные трещины критических размеров (для которых

не может быть реализована концепция ТПР); 2 - несквозные трещины критических размеров (для трубопроводов концепция ТПР реализована быть не может)

Рис. 1.1.3. Изменение внутреннего давления в сосуде до и после появления сквозной трещины при малом запасе внутренней энергии

Рис. 1.1.4. Схема обеспечения безопасности эксплуатации при возникновении течи через устойчивую сквозную трещину:

1 - прибор регистрации течи; 2 - нормативный документ (инструкция) для персонала при возникновении течи; 3 - персонал; 4 - система управления реактором для его останова

Концепция ТПР - это совокупность принципов конструирования сосудов и трубопроводов давления, включающая принцип достаточной трещиностойкости материала конструкции, обеспечивающей возможность существования устойчивых сквозных трещин при заданных условиях эксплуатации, и принцип обратной связи, обеспечивающей прекращение эксплуатации конструкции при появлении в ней течи через сквозную устойчивую трещину, практическая реализация которых позволяет исключить полное разрушение сосуда или трубопровода давления и прекратить их эксплуатацию при образовании течи [16].

Такое понимание концепции ТПР в настоящее время существует в большинстве стран.

Системный подход к проблеме практического применения концепции ТПР показал, что классическое понимание концепции ТПР обладает недостатками. В рамках указанного подхода были проанализированы различные варианты образования сквозных трещин:

вариант 1 - развитие трещины от максимально возможного в соответствии с НТД дефекта технологической природы;

вариант 2 - развитие трещины от дефекта технологической природы, пропущенного в эксплуатацию из-за несовершенства средств дефектоскопии и существенно превышающего нормы дефектов для изготовления и эксплуатации;

вариант 3 - развитие трещины, зародившейся в эксплуатации в результате недостатков конструирования или эксплуатации;

вариант 4 - развитие трещины в условиях особого поля напряжений.

Если поле напряжений в трубопроводе близко к однородному, развитие трещин от технологического дефекта произойдет так, как показано на рис. 1.1.5,а, т.е. произойдет образование течи через устойчивую трещину.

В варианте 2 трещина может развиваться от технологического дефекта протяженной формы. В этом случае достижение трещиной критических размеров и полное разрушение конструкции произойдут без образования течи (рис. 1.1.5,б).

Вариант 3 предполагает, что в эксплуатации по разным причинам могут возникнуть достаточно протяженные поверхностные трещины (вплоть до кольцевых), развитие которых также приведет к полному разрушению конструкции без течи (рис. 1.1.5,в).

Во многих случаях в стенках трубопроводов и сосудов давления реализуется относительно однородное поле напряжений. Однако при термопульсациях, термоударах и в некоторых других случаях могут возникать существенные градиенты напряжений в направлении толщины стенки. При этом трещина может иметь направление преимущественного роста не в сторону толщины стенки, а в окружном направлении. При этом (вариант 4) возможно так же достижение критических размеров и окончательное разрушение конструкции без течи (рис. 1.1.5,г).

Таким образом, из четырех рассмотренных вариантов развития трещины только в одном обеспечивается достижение трещиной сквозных размеров с образованием течи и возможностью реализации концепции ТПР в ее классическом понимании.

Практика эксплуатации АЭС подтверждает возможность разрывов трубопроводов без течи. Результаты этих работ опубликованы научных

документах [16] и [20]. Еще чаще подобные ситуации возникают на тепловых электростанциях [22].

Проведенный анализ показывает, что цель, которая ставится в рамках концепции ТПР, и которая заключается в исключении из практики эксплуатации внезапных полных разрушений трубопроводов и сосудов давления, при классическом подходе к концепции ТПР полностью не достигается.

С позиций системного подхода можно дать иное определение [16].

Концепция ТПР - это совокупность принципов конструирования сосудов и трубопроводов давления, включающая принцип достаточной трещиностойкости материала конструкции устойчивых сквозных трещин; принцип обратной связи, обеспечивающий прекращение эксплуатации конструкции с появлением течи через сквозную трещину, а так же принцип достижения приемлемо малой вероятности разрушения конструкции без течи. Практическая реализация перечисленных выше принципов должна обеспечить условия безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов давления, при которых либо их внезапное полное разрушение исключается полностью, либо вероятность такого события пренебрежительно мала.

е) с г)

Рис. 1.1.5. Различные варианты развития трещины:

а - развитие трещины от технологического дефекта нормативного размера; б -развитие дефекта от фактического технологического дефекта; в - развитие трещины от кольцевого дефекта; г - развитие трещины в особом поле напряжений

Данное определение концепции ТПР включает в себя классическое определение, а так же содержит принципы, совместная реализация которых позволяет достичь должного приемлемого уровня надежности и безопасности эксплуатации сосудов и трубопроводов давления.

1.2 Место концепции ТПР в системе обеспечения безопасности эксплуатации сосудов и трубопроводов давления АЭС

В соответствии с «Основными положениями обеспечения безопасности АЭС» (ОПБ-88) [23] безопасность - это свойство АЭС при нормальной эксплуатации и в случае аварии ограничивать радиационное воздействие на персонал, население и окружающую среду установленными пределами.

Для сосудов и трубопроводов давления первого контура ядерного реактора критерии ядерной безопасности и безопасности эксплуатации в

общетехническом смысле совпадают. Главное свойство, которым эти конструкции должны обладать с позиции как ядерной, так и технической безопасности - это прочность [16].

На пути распространения ядерного топлива существует несколько так называемых барьеров безопасности (рис. 1.2.1).

Из рисунка 1.2.1 следует, что объектом концепции ТПР является элементы конструкций 3-го барьера безопасности.

Рис. 1.2.1. Барьеры безопасности ядерного энергетического реактора

Система безопасности, основанная на концепции ТПР, включает сосуды и трубопроводы давления первого контура, теплоноситель, обусловливающий термомеханическое и коррозионное воздействие на них, приборы и технические средства контроля течи и состояния трубопроводов, НТД, определяющие действия персонала при контроле и обнаружении течи, технические средства останова реактора при возникновении течи, а так же персонал.

Основная идея концепции ТПР - предупреждение внезапного разрыва сосуда или трубопровода давления.

Системы безопасности ТПР, защищающие от разрушения 3-й барьер безопасности и локализующие аварию в самом ее начале (начало течи через трещину) принципиально более эффективно и лучше обеспечивают безопасность по сравнению с системами, ориентированными на развитие аварии и ликвидацию ее последствий. Установка систем безопасности ТПР на блоках АЭС, уже имеющих системы безопасности МПА (максимальной проектной аварии), экономически выгодна, так как стоимость ликвидации последствий хотя бы одной МПА на одном блоке выше стоимости установки систем безопасности ТПР на 100 блоках АЭС [16].

1.3 Особенности работ по применению концепции ТПР на стадиях проектирования и эксплуатации

При определении условий применения концепции ТПР на стадии проектирования имеется возможность выбора (варьирования) геометрических размеров, трассировки и опор трубопровода; конструкционного материала; технологии изготовления; режимов эксплуатации; технологии эксплуатационного обслуживания; систем контроля течи с достаточным уровнем чувствительности.

В соответствии с практикой проектных работ при обосновании используют номинальные параметры и характеристики, заведомо обеспечивающие консервативный подход. Например, в расчет принимают минимальные гарантированные характеристики прочности материала, максимально возможные термомеханические нагрузки и т.п.

На стадии эксплуатации степень свободы для изменения указанных факторов резко снижается. Реально остается возможность изменения систем контроля течи; технологическое обслуживание.

Если этими средствами обеспечить выполнение концепции ТПР не удается, то остаются менее предпочтительные направления работ, связанные с реконструкцией трубопроводов или введением изменений или ограничений в режимы эксплуатации.

Задача для стадии эксплуатации осложняется тем, что каждый блок АЭС имеет индивидуальные особенности, связанные с возможными отклонениями от номинальных требований, происходящими на стадиях изготовления, монтажа, эксплуатации, ремонта. Возможны также недостатки конструирования, которые могут быть выявлены уже после начала эксплуатации блока.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузьмин, Дмитрий Александрович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Irwin G.R., Srawley J.E. Progress in the development of the crack toughness fracture tests // Materialprüfung. Vol. 4. 1962. P. 1-11.

2. RSK Guidelines for Pressurized Water Reactors, 1983.

3. US NRC Standard Review Plan, 3.6.3 «Leak Before Break Evaluation Procedures», Washington, DC, 1986.

4. Wichman K., Lee S. Development of US NRC Standard Review Pean 3.6.3 for Leak-Before-Brake Applications to Nuclear Power Plants // Int. J. Pres. Ves. and Piping. 1990. vol. 43, p. 57-65.

5. Beaudoin B.F., Nardin F.S., Quinones D.F. Leak-Before-Brake Applications in Light-Water-Reactor Plant Piping // Nuclear Saftty. 1989, vol. 30, N2. p. 189-200.

6. Beaudoin B.F., Quinones D.F., Nardin F.S. Leak-Before-Brake Applications in US Light Water Reactor Balance-of-Plant Piping // Int. J. Pres. Ves. and Piping. 1990. vol. 43, p. 67-83.

7. Applicability of the leak before break concept (IAEA-TECDOC-710). Vienna, Austria, 1993.

8. Power reactors, statistical overview. World Nucl. Industry Handbook. 1994.

P. 12.

9. Norris D.N., Chexal V. PICET Pipe crack instability program Electric Power Research Institute Palo Alto. CA December 1987, NP-3596-SR. Revision 1.

10. Okamoto A., Norris D.N. FLET Pipe crack instability program Electric Power Research Institute Palo Alto. CA February 1990, NP-6317-CCML.

11. Wilkowski G.M., Guerrieri O., Jones D. et al. Recent Results of Fracture Experiments on Carbon steel Welded Pipes // Int. J. Pres. Ves. and Piping. 1990. vol. 43, p. 329-350.

12. Mehta H.S., Patel N. T., Chexal T. Applicability of leak-before-break justication approach to BWR piping. - Proc. Amer. Power. Conf. Vol. 50. 50th Annu. Meet. Amer. Power. Conf. Chicago. III Apr. 18-20. 1989. - Chicago. 1988. P. 617622.

13. Guidance for the application of the LBB concept to the WWER 440/230. NPP IAEA, 1992.

14. Гетман А.Ф., Кириллов В.Б., Буряк И.В. и др. Проектная проработка аварии с исследованием вероятности разрыва ГЦТ Ду 500 реактора ВВЭР-440. М.:ВНИИАЭС, ОЭ-2753/89, 1989.

15. Гетман А.Ф., Кириллов В.Б., Буряк И.В. и др. Исследование возможности и характера полного разрыва ГЦТ реакторов ВВЭР и РБМК (начало максимальной проектной аварии) и разработка рекомендаций по техническому обслуживанию трубопроводов в эксплуатации, гарантирующих требуемый уровень безопасности. М.:ВНИИАЭС, ОЭ-2743/89, 1989.

16. Гетман А.Ф. Концепция безопасности «течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления АЭС. - М.: Энергоатомиздат, 1999. - 258 с.

17. Рамазанов Р.М. Разработка критериев обеспечения безопасности реакторных установок на быстрых нейтронах при разгерметизации трубопроводов с натриевым теплоносителем в процессе эксплуатации: Дис. канд. техн. наук. - СПб, 2015, 123.

18. Кайдалов В.Б. Обоснование концепции "течь перед разрушением" и ее реализация применительно к корпусам основного оборудования АЭС: Дис. д-ра техн. наук. - НН, 2000, 361.

19. Бараненко В.И., Нигматулин Б.И., Давиденко Н.Н. и др. Методология использования течи перед разрушением для оценки безопасности оборудования

атомных электростанций // Атомная техника за рубежом. - 1996. - №1. - C.3-10. - ISSN 0320-9326.

20. Киселев В.А., Ривкин Е.Ю. Применение концепции течь перед разрушением при анализе безопасности АЭС. - Атомная энергия. 1993, Т. 75, Вып. 6, С. 426-430.

21. Руководство по применению концепции безопасности течь перед разрушением к трубопроводам действующих АЭУ. РД ЭО 1.1.2.05.0939, 2013. -118 с.

22. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

23. Основные положения обеспечения безопасности атомных станций. ОПБ 88. ПНАЭГ-1-001-89. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

24. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПН АЭ Г-7-002-86). - М.: Энергоатомиздат, 1986. -525 с.

25. Методика определения допускаемых дефектов в металле оборудования и трубопроводов во время эксплуатации АЭС (М-02-91). - М.: 1991.

26. NUREG-6004 Probabilistic pipe fracture evaluations for leak-rate-detection applications, April 1995.

27. NUREG-6235 Assessment of short through-wall circumferential cracks in pipes, April 1995.

28. Методические рекомендации. МР 125-02-95. Правила составления расчетных схем и определение параметров нагруженности элементов конструкций с выявленными дефектами. М.: ЦНИИТМАШ, 1995. - 52 с.

29. Dugdale D.S. // J. Mech. Phys. Solids. 1960. Vol. 8. P.100-104.

30. Wuthrich C. Crack opening areas in pressure vessels and pipes. // Eng. Fac. Mechanics. 1983. Vol. 18. N5. P. 1049-1057.

31. Кескинен К. Динамическая устойчивость труб под воздействием реактивных сил, возникающих при истечении жидкости из сквозной окружной трещины // Теоретические основы инженерных расчетов. 1988. №2.

32. NUREG-1061, Volume 3, Report of the U.S. Nuclear Regulatory Commission Piping Review Committee, Evaluation of the Potential for Pipe Breaks, November 1984.

33. Requirements for composing and contents of safety reports and their amendments. Procedure for specifying proof of leak before break. Detection systems of leakage from cooling circulation of nuclear reactor. CSKAE, 1/1991, UJI, Прага-Збраслав.

34. PNM340880181. Leak Before Break Methodology. Slovakia, 2009.

35. Кузьмин Д.А. Исследование условий обеспечения безопасности главного циркуляционного трубопровода на основе концепции ТПР // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2016. - №5. - ISSN 1815-5235.

36. Гетман А.Ф., Казанцев А.Г., Кузьмин Д.А., Кузьмичевский А.Ю., Судаков А.В. (РФ), Пьерро Ф., Бари Э., Олтман Й. (Словакия), Исследование условий обеспечения безопасности ГЦТ 3-го энергоблока АЭС «Моховце» на основе концепции ТПР // VIII межотраслевой семинар «Прочность и надежность оборудования» - Звенигород, Московская область, 15-18 октября 2013 г. - орг. Госкорпорация «Росатом», ОАО «НИКИЭТ», ООО «ИЦП МАЭ».

37. Гетман А.Ф., Казанцев А.Г., Кузьмин Д.А., Кузьмичевский А.Ю., Судаков А.В. (РФ), Пьерро Ф., Бари Э., Олтман Й. (Словакия), Исследование вероятностей возникновения течей или разрушений ГЦТ 3-го энергоблока АЭС

«Моховце» в рамках концепции ТПР // VIII межотраслевой семинар «Прочность и надежность оборудования» - Звенигород, Московская область, 15-18 октября 2013 г. - орг. Госкорпорация «Росатом», ОАО «НИКИЭТ», ООО «ИЦП МАЭ».

38. Гетман А.Ф., Кузьмин Д.А., Кузьмичевский А.Ю. (РФ), Павол Баумейстер (Словакия). Обоснование условий применения концепции «течь перед разрушением» для АЭС Моховце э/блоков 3,4 // Х международная научно-технической конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (МНТК-2016). - Москва, 2016.

39. Кузьмин Д.А. Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе Ду850 из перлитной стали // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - 2016. - №1. - ISSN 1815-5235.

40. Кузьмин Д.А. Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на площадь раскрытия трещины в трубопроводе Ду850 из перлитной стали. Тяжелое машиностроение. - 2016. - №5. - C.7-10. - ISSN 1024-7106.

41. Кузьмин Д.А. Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе Ду800 из перлитной стали // ВАНТ «Математическое моделирование физических процессов». - 2016. - №4. - C.60-65. - ISSN 2414-0171.

42. Гетман А.Ф., Кузьмин Д.А. Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе Ду800 из перлитной стали // Практические курсы «Новые методы анализа надежности и безопасности элементов и систем атомных электростанций с учетом старения» с участием специалистов из США и Франции. - Москва 2011. - АО «ВНИИАЭС».

43. Гетман А.Ф., Кузьмин Д.А. Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на истечение теплоносителя из I контура через трещину в ГЦТ РУ типа ВВЭР-1000 и РБМК-1000 // VII конференция «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» - Геленджик, Краснодарский край, 25-27 октября 2012г. - орг. Госкорпорация «Росатом», ОАО «НИКИЭТ», ООО «ИЦП МАЭ».

44. Pipeleak - a personal computer program for the evaluation of leakage areas and leak rates, GRS-report, 1995.

45. Flora - program for leak rate calculation, Siemens/KWU.

46. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПН АЭ Г-7-002-86). - М.: Энергоатомиздат, 1986. -525 с.

47. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПН АЭ Г-7-008-89). М.: НТЦ ЯРБ Госатомнадзора России, 1989.

48. Александров А.А, Григорьев В.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.: МЭИ, 1999. 168с.

49. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: МАШГИЗ, 1963. - 232 с.

50. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения. Методы их устранения. - М: Машиностроение, 1968. - 236 с.

51. Николаев Г.А. Сварка в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1978. - 2т. 462 с.

52. Николаев Г.А. Сварка в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1978. - 3т. 567 с.

53. Методика расчета на сопротивление хрупкому разрушению корпусов реакторов АЭС с ВВЭР-1000 при продлении срока эксплуатации до 60 лет (РД ЭО 1.1.3.99.0871-2012). - М.: 2012.

54. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. - М.: Книжный дом «ЛИБРИКОМ», 2010. - 256 с.

55. Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения. - М.: ЛЕНАНД, 2010. - 456 с.