Разработка методов расчетно-экспериментального обоснования сейсмической безопасности оборудования АЭС в натурных условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Зайкин Иван Игоревич

• Зайкин Иван Игоревич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Зайкин Иван Игоревич

Введение

Глава 1. Методы и средства расчетно-экспериментального обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС

1.1. Общая концепция обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС

1.2. Нормативные требования к обоснованию сейсмостойкости

1.3. Методика натурного подтверждения динамических характеристик систем и элементов энергоблоков АЭС, важных для безопасности

1.4. Метод граничной сейсмостойкости

1.5. Методика оценки запаса сейсмостойкости ^МЛ)

1.6. Выводы и задачи диссертационного исследования

Глава 2. Выбор оборудования АЭС, подлежащего расчетно-экспериментальному подтверждению сейсмостойкости

2.1. Перечень оборудования, подлежащего расчетно-экспериментальной проверке сейсмостойкости

2.2. Сокращение перечней оборудования, подлежащего расчетно-экспериментальной проверке сейсмостойкости, на основании результатов предварительной оценки низших собственных частот

2.3. Выбор оборудования для проведения расчетного анализа

Выводы по главе

Глава 3. Верификация расчетных схем и моделей для анализа сейсмостойкости оборудования на примере клапана запорного сильфонного системы ввода бора

3.1. Последовательность операций при верификации расчетной модели

3.2. Верификация расчетной модели на примере оборудования энергоблока с реакторной установкой ВВЭР-1000

3.3. Результаты расчетного анализа оборудования энергоблока №3 Ростовской АЭС

Выводы по главе

Глава 4. Повышение эффективности расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС с применением базы данных

4.1. Разработка отечественной базы данных сейсмической аттестации

4.2. Процедуры расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС с применением базы данных

4.2.1. Составление перечня оборудования, подлежащего обследованию

4.2.2. Подготовка к испытаниям и визуальному осмотру

4.2.3. Испытания по определению собственных динамических характеристик

4.2.4. Обработка экспериментальных результатов

4.2.5. Анализ испытаний, выбор оборудования для расчетного анализа, составление расчетных схем

4.2.6. Проведение расчетов

4.2.7. Оформление отчетной документации в соответствии с универсальными шаблонами

4.3. Обоснование сейсмостойкости технологического оборудования энергоблока № 3 Ростовской АЭС с применением базы данных сейсмической квалификации

Выводы по главе

Глава 5. Имплементация методики SMA на АЭС отечественных проектов

5.1. Основные условия оценки сейсмической безопасности методами

БМЛ

5.2. Процедуры оценки запаса сейсмостойкости

5.2.1. Формирование экспертной группы для выполнения оценки

5.2.2. Разработка программы ОЗС энергоблока АЭС

5.2.3. Выбор землетрясения уточненного уровня

5.2.4. Определение КСЭ, участвующих в «пути безопасного останова»

5.2.5. Сбор исходных данных для оценки запаса сейсмостойкости

5.2.6. Проведение обходов

5.2.7. Предварительный обход

5.2.8. Детальный обход

5.3. Основные подходы к ОЗС

5.4. Оценка запаса сейсмостойкости выбранных для оценки КСЭ

Выводы по главе

Заключение

Список использованных источников

3

Перечень принятых сокращений и условных обозначений

АЭС - атомная электростанция АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЧХ - амплитудно-частотная характеристика БДСК - база данных сейсмической квалификации

БН - энергетический реактор на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением

БРУ-А - быстродействующее редукционное устройство со сбросом пара в атмосферу

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор под давлением ГОСТ - государственный стандарт ГЦН - главный циркуляционный насос КЛНАЭС - Калининская АЭС

КСЭ - конструкции (здания, сооружения, опоры), системы и элементы (оборудование)

ЛАЭС - Ленинградская атомная станция

ЛСМ - линейно спектральный метод

МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии

МДА - метод динамического анализа

МО - метод огибающих

МРЗ - максимально расчетное землетрясение

МС - метод сглаживания

НУЭ - нормальные условия эксплуатации

ПЗ - проектное землетрясение (сейсмичность площадки АЭС)

ПК - предохранительный клапан

ПГ - парогенератор

ПНР - пусконаладочные работы

ППР - планово-предупредительный ремонт

РБМК - уран-графитовый реактор большой мощности канальный

РСТАЭС - Ростовская атомная станция

СДХ - собственные динамические характеристики

СМ - статический метод

СМОД - спектральный метод определения декрементов колебаний СУЗ - система управления и защиты СО - спектр ответов

ТМО - тепломеханическое оборудование ЭТО - электротехническое оборудование

HCLPF - high confidence of low probability of failure - высокая достоверность низкой вероятности отказа (ВДНВО)

KKS - система идентификации энергетических установок. При помощи системы KKS кодируют установки, части установок, оборудование, его части, и приборы в соответствии с их назначением, типом, а также местом их расположения

PGARLE - peak ground acceleration - пиковое ускорение грунта при землетрясении уточненного уровня

RLE - review level earthquake - землетрясение уточненного уровня (ЗУУ) SMA - seismic margin assessment - оценка запаса сейсмостойкости (ОЗС) SQUG - Seismic Qualification Utility Group (группа по проведению сейсмической квалификации)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчетно-экспериментального обоснования сейсмической безопасности оборудования АЭС в натурных условиях»

Введение

События произошедшие на японских АЭС Касивадзаки-Карива и Фукусима продемонстрировали всему миру актуальность задачи гарантированного обеспечения устойчивости и безопасности АЭС при сейсмических и других внешних воздействиях.

Методы обеспечения сейсмостойкости АЭС существенно отличаются от традиционных, применяемых для обычных промышленных и гражданских объектов. Такое отличие обусловлено двумя обстоятельствами: во-первых, АЭС являются объектами чрезвычайно высокой ответственности, к безопасности которых предъявляются особо жесткие требования, при их проектировании, сооружении, эксплуатации и реконструкции, чем к обычным объектам; во-вторых, при проектировании АЭС необходимо обеспечивать сейсмостойкость не только ее сооружений, но и оборудования (т.е. прочность, а для некоторых систем - работоспособность в условиях землетрясения), что требует решения ряда специфических задач.

Различные элементы АЭС в разной мере связаны с обеспечением радиационной и ядерной безопасности и, во избежание неоправданного удорожания, требования к их сейсмостойкости должны быть дифференцированы. В связи с этим сооружения и оборудование АЭС делятся на категории, в соответствии с которыми осуществляются оценка сейсмостойкости с использованием различных критериев отказа на воздействие землетрясений различной интенсивности и периодов повторяемости [1].

Критерий сейсмостойкости должен конкретизироваться в соответствии с функциями, выполняемыми тем или иным элементом АЭС. С этой целью разбивка на категории иногда дополнительно дифференцируется. Например, в США оборудование разделяется на активное, которое должно работать во время землетрясения, и пассивное, к которому предъявляются только требования целостности, герметичности и т.п. Дополнительная разбивка на категории может диктоваться также характером нагрузок, рассматриваемых в

сочетании с сейсмическими. Требования к сейсмостойкости оборудования АЭС, критерии сейсмостойкости, их дифференциация по степени ответственности оборудования за ядерную и радиационную безопасность определение сейсмических воздействий и другие факторы, определяющие порядок и условия проверки и обеспечения сейсмостойкости оборудования, регламентируются национальными нормативными документами и обобщающими их рекомендациями МАГАТЭ. Нормативные документы периодически уточняются (с тенденцией ужесточения требований) по мере накопления данных по параметрам землетрясений и их последствиям, углубления знаний в области динамики и прочности конструкций, их математического и технического обеспечения, а также по мере изменения и уточнения общих правил и норм безопасности АЭС.

В существующей практике всё чаще из за возрастающей необходимости строительства объектов атомной энергетики на площадках с относительно высоким уровнем воздействий (например, 8-9-ти бальных землетрясений по шкале MSK-64), возникает потребность в оценке сейсмостойкости уже смонтированного оборудования АЭС. Оценка сейсмической безопасности эксплуатируемого энергоблока АЭС отличается от оценки и аттестации сейсмостойких конструкций, систем и элементов энергоблока, выполняемых на этапе проектирования, тем, что выполняется в его реальном состоянии [2, 3, 4]. В этом состоянии реакция и предельная сейсмическая нагрузка на энергоблок АЭС будут зависеть от условий монтажа и строительства, последствий эксплуатации и ремонтов, а также последствий эффектов старения.

Сейсмостойкость строительных сооружений, имеющих относительно правильную геометрию, в современных проектах достаточно надёжно обеспечивается традиционными методами расчётов. Успехи в сейсмостойком строительстве зданий и сооружений подтверждаются примерами небоскрёбов, которые прекрасно выдерживают землетрясения весьма значительной интенсивности. Надёжность расчётного обоснования таких строительных

сооружений, как реакторные отделения энергоблоков АЭС, обеспечивается тем, что при сейсмических воздействиях они ведут себя практически как абсолютно жёсткие тела, не подверженные резонансным колебательным процессам. Однако, это положение никак не распространяется на оборудование и трубопроводные системы АЭС.

Предварительные расчётные оценки сейсмостойкости оборудования традиционными методами, безусловно, необходимы на стадии проектирования АЭС во избежание принципиальных ошибок в выборе конструкций и подборе оборудования. Однако проектное обоснование сейсмостойкости недостаточно для обеспечения гарантии сейсмостойкости оборудования.

Сейсмические нагрузки на оборудование АЭС существенно зависят как от собственных частот объекта, так и от демпфирующих процессов и характеристик (декрементов колебаний) в области резонансных частот. Ввиду резонансного характера сейсмических воздействий определенные на стадии проектирования оборудования собственные частоты колебаний, даже при отличии от реальных на 1-2 Гц, могут привести к ошибке в оценке сейсмического воздействия на оборудование в несколько раз, поэтому проведение только проектных расчетных и стендовых проверок сейсмостойкости не может являться гарантированным средством подтверждения устойчивости оборудования при сейсмических воздействиях.

Собственные частоты и значения декрементов колебаний оборудования на стадиях его разработки и изготовления определяются расчётным путём и проверяются при лабораторных испытаниях, однако, эти данные нельзя считать надёжными как из-за ограниченных возможностей расчётных схем, математических программ, вычислительной и экспериментальной техники, так и вследствие принципиальной невозможности учёта на этой стадии условий монтажа, раскрепления оборудования и его динамического взаимодействия с опорными и несущими конструкциями, трубопроводной обвязкой, теплоизоляционными покрытиями.

В связи с требованием нормативного документа НП-064-17 [5], регламентирующим обязательное изучение динамических характеристик важных для безопасности систем и элементов АЭС методом динамических испытаний и, по сути, предписывающим обязательную заключительную проверку сейсмостойкости оборудования непосредственно на АЭС в реальных условиях монтажа, раскрепления и обвязки, данная проверка является безусловно необходимой при вводе в эксплуатацию новых энергоблоков АЭС и особенно при переоценке уровня безопасности энергоблоков, подлежащих продлению срока эксплуатации и спроектированных без учёта сейсмических воздействий, либо по устаревшим исходным данным и нормативным требованиям.

Однако следует учитывать тот факт, что выполнение всех мероприятий при оценке сейсмостойкости по полному перечню важного для безопасности оборудования энергоблока АЭС - весьма трудоёмкая задача. Как правило, на каждом энергоблоке АЭС необходимо анализировать сейсмостойкость 2 - 3 тысяч единиц оборудования, относящегося только к первой категории сейсмостойкости. На динамические испытания всех единиц из составляемого общего перечня оборудования первой категории обычно требуется около 8 недель, на обработку и интерпретацию результатов испытаний (определение собственных частот и декрементов колебаний) уходит ещё 3-4 недели. Необходимые расчёты сейсмостойкости обычно выбираемых 200 - 300 типопредставителей оборудования выполняются в течение 6 - 8 мес. Таким образом, на полное расчётно-экспериментальное обследование систем и элементов одного энергоблока АЭС требуется около одного года.

В этой связи возникает актуальность поиска, определения и реализации реально имеющихся возможностей снижения объемов и стоимости работ при сохранении требуемого уровня достоверности и надежности оценки сейсмостойкости за счет повышения эффективности расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования и использования ее результатов.

Объектом исследования данной работы является важное для безопасности оборудование АЭС.

Предметом исследования являются методы повышения эффективности расчетно-экспериментального обоснования сейсмической безопасности:

— выбор оборудования АЭС, подлежащего расчетно-экспериментальному подтверждению сейсмостойкости с целью снижения трудоемкости работ;

— снижение трудоемкости расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС за счет разработки и применения отечественной базы данных сейсмической квалификации оборудования;

— разработка условий применения методики оценки запаса сейсмостойкости на АЭС отечественных проектов.

Целью диссертационной работы является решение актуальной научно-технической задачи разработки методов повышения эффективности расчетно-экспериментального обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС в натурных условиях для повышения безопасности функционирования АЭС, что имеет существенное значение для атомной отрасли.

Актуальность работы обусловлена необходимостью определения и реализации возможностей снижения объемов и стоимости работ при сохранении требуемого уровня достоверности и надежности оценки сейсмостойкости оборудования АЭС.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

1. По результатам натурных исследований на различных энергоблоках АЭС установлены основные типы оборудования, имеющего низкие собственные частоты в резонансной области сейсмических воздействий и подлежащие обязательному расчетно-экспериментальному подтверждению сейсмостойкости.

2. Разработаны критерии обоснованного сокращения перечня оборудования на этапе натурных испытаний путем исключения из списка

оборудования первой категории сейсмостойкости единиц, для которых проверка не является необходимой.

3. Обоснована возможность проведения исключений на основании данных о расположении, обвязке, назначении, массовых характеристиках каждой конкретной единицы оборудования, в том числе с использованием предложенной методики предварительной аналитической оценки низших собственных частот колебаний системы оборудование - обвязка - опорные конструкции.

4. Разработаны критерии и алгоритмы выбора типопредставителя(ей) из группы идентичных единиц оборудования для проведения расчетного анализа на основании результатов испытаний по определению собственных динамических характеристик.

5. На основании ранее разработанных критериев и методов обоснованного сокращения трудоемкости расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС и на основе систематизации и обобщения результатов расчетно-экспериментальных обследований определены набор параметров для включения в базу данных сейсмической квалификации и ее структура для оценки сейсмостойкости оборудования косвенными методами.

6. Разработана модифицированная методика оценки запаса сейсмостойкости, предусматривающая возможности обоснованного сокращения объемов работ, в том числе исключения расчетно-экспериментальной оценки, основанные на использовании отечественной базы сейсмической аттестации собственной разработки.

Степень достоверности результатов выполненных исследований подтверждается:

1. Применением современных методов постановки, проведения и обработки результатов исследования с использованием физических особенностей технологических процессов, протекающих в РУ,

конструкционных особенностей основного оборудования РУ и используемых средств измерений.

2. Применением математических и статистических методов исследований с использованием современной вычислительной техники.

3. Положительными результатами практического использования разработанных методов.

Практическая значимость исследований.

1. Снижена трудоемкость расчетного анализа сейсмостойкости оборудования путем применения разработанных критериев выбора единицы для расчета из ряда идентичных или из серии. Поскольку данные единицы представляют наибольшую опасность в условиях действия сейсмических нагрузок, подтверждение их сейсмостойкости гарантирует сейсмостойкость остальных единиц группы, для которых расчеты проводить не требуется.

2. Показана возможность снижения трудоемкости расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС за счет применения разработанной автором отечественной базы данных сейсмической квалификации оборудования.

3. Определены возможности и разработаны условия снижения трудоемкости оценки сейсмостойкости оборудования АЭС за счет применения модифицированной методики оценки запаса сейсмостойкости на АЭС отечественных проектов.

На защиту выносится:

1. Методы выбора оборудования АЭС, подлежащего расчетно-экспериментальному подтверждению сейсмостойкости.

2. Разработка и методы применения отечественной базы данных сейсмической квалификации оборудования.

3. Разработка условий применения методики оценки запаса сейсмостойкости на АЭС отечественных проектов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

5-я международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов атомной отрасли "КОМАНДА-2013", Санкт-Петербург, 2013 г.,

9-я Международная научно-техническая конференция "Обеспечение безопасности на АЭС с ВВЭР", г. Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2015 г.,

17-я ежегодная Конференция молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам, г. Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2015 г.,

22-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», Москва, 2016 г.,

4-я Международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию», Москва, ОАО «Атомтехэнерго», 2016г.,

а также на различных семинарах, совещаниях и заседаниях НТС в:

АО «Концерн «Росэнергоатом»;

АО «Атомтехэнерго»;

ОАО «Атомэнергопроект;

различных АЭС в России.

Основные результаты работы опубликованы в 8-ми печатных работах, в том числе 3-х публикациях в ведущих рецензируемых научно -технических журналах, а также в ряде отчетов о работах при вводе в эксплуатацию энергоблоков АЭС с РУ ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, БН-800, в программах и методиках испытаний при вводе в эксплуатацию блоков №№3,4 Ростовской АЭС, №4 Белоярской АЭС, №6 Нововоронежской АЭС, №1 Ленинградской АЭС-2.

Личный вклад автора в полученные результаты. Исследования, представленные в настоящей диссертации, выполнены лично соискателем в процессе научно-исследовательской и практической деятельности. В работы, выполненные в соавторстве, автор внес определяющий вклад в части, относящейся к теме диссертации.

Глава 1. Методы и средства расчетно-экспериментального обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС

1.1. Общая концепция обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС

Для обычных (неатомных) промышленных объектов требования сейсмостойкости, как правило, распространяются на строительные сооружения и конструкции и заключаются в сохранении их несущей способности, т.е. допускаются локальные повреждения, сквозные трещины и т.п. без разрушения здания или сооружения в целом. Требования по сейсмостойкости технологического оборудования, трубопроводных систем, инженерных коммуникаций либо не предъявляются, либо ограничиваются необходимостью предотвращения опрокидывания, срыва с фундаментов и других опорных конструкций тяжелого либо особо дорогостоящего оборудования без обеспечения сохранения работоспособности во время и после землетрясения.

Для обеспечения сейсмической безопасности АЭС необходимо гарантировать сейсмостойкость не только всех ответственных строительных сооружений и внешних коммуникаций, но и многочисленных систем и оборудования, ответственных за ядерную и радиационную безопасность на всех этапах существования энергоблоков и АЭС в целом: эксплуатации, экстремальных остановов, временной консервации, продления сроков службы, окончательного вывода из эксплуатации.

Понятие «оборудование» в данном случае включает непосредственно ядерный реактор с его внутренними устройствами, системами управления и защиты; многочисленное тепломеханическое, вентиляционное и электротехническое оборудование; грузоподъемные и транспортно-перегрузочные машины и механизмы; резервные дизель-генераторные установки и ряд других ответственных технологических систем и элементов.

Под сейсмостойкостью оборудования в общем случае понимается его способность сохранять при ожидаемых сейсмических воздействиях

определенные свойства: прочность, герметичность, работоспособность (сохранение функциональных характеристик), отсутствие недопустимых остаточных деформаций, ремонтопригодность, безопасность для персонала, примыкающих жилых сооружений и их населения, окружающей природы.

Обеспечение сейсмостойкости сооружений и конструкций АЭС -обязательный этап проектирования и сооружения.

Критерий сейсмостойкости - сохранение несущей способности (прочности, устойчивости, непревышение предельных деформаций, в ряде случаев - пригодности к нормальной эксплуатации).

При проектировании строительных конструкций АЭС и других ядерных объектов повышают сейсмические нагрузки и вводят два расчетных уровня -ПЗ и МРЗ.

ПЗ - проектное землетрясение, соответствует установленной сейсмичности площадки. МРЗ - гипотетическое, превышает проектное, как правило, на 1 балл.

В связи с широкой географической распространенностью зон повышенной сейсмической активности, несовершенством современных методов и средств сейсморайонирования, непредсказуемостью места, времени и интенсивности конкретных сильных землетрясений, в 1994 году МАГАТЭ разработало рекомендации, согласно которым, независимо от сейсмичности площадки, сейсмические ускорения, соответствующие МРЗ (максимальному расчетному землетрясению), должны приниматься не менее 0,1 g (что соответствует 7 баллов по шкале MSK-64), а в 2001 году в РФ это положение было утверждено как обязательное в документе НП-031-01 для вновь проектируемых АЭС.

В мировой практике проектирования и изготовления сейсмостойкого оборудования для АЭС принята следующая концепция:

- на стадии проектирования систем и элементов АЭС проводятся расчеты на прочность, включающие возможные нагрузки от сейсмических и иных видов внешних воздействий. Методы расчета - статический, ЛСМ

(линейно-спектральный), динамический анализ.

- после изготовления оборудования проводятся испытания типопредставителей на специальных вибростендах, при которых моделируются внешние воздействия.

Расчетные методы проверки сейсмостойкости конструкций, и, в частности, технологических систем и оборудования, имеют ряд ограничений, в том числе принципиального характера.

Прежде всего, любые, даже самые совершенные и детализированные расчетные схемы не могут в полной мере воспроизвести все детали и элементы сложного оборудования в их динамической взаимосвязи. Кроме того, собственные динамические характеристики проверяемых изделий, оказывающие сильное влияние на его реакцию на сейсмические воздействия (рисунок 1.1), зависят не только от его конструкции, конфигурации, массы и материалов, но и от тех же характеристик всех механически связанных с изделием внешних элементов - опорных и несущих конструкций, крепления, теплоизоляционных покрытий, присоединяемых трубопроводов с их ближайшими опорами, подвесками и встроенными массами. Надежно воспроизвести эти внешние связи в расчетных схемах зачастую не представляется возможным.

Еще одна сложность заключается в следующем: крайне подробное моделирование оборудования и различных граничных условий требует очень высокого профессионализма инженера-расчетчика, больших трудозатрат, необходимых при создании самих моделей и современных многофункциональных программных средств, таких как ANSYS, NASTRAN и др. В связи с этим на сегодняшний день сложилась неизбежная ситуация, когда при проектировании большинства современных атомных станций не выполняется полноценный совместный анализ сейсмостойкости технологических систем в целом с учетом взаимного влияния их элементов друг на друга, не учитывается влияние присоединяемых трубопроводов на характеристики собственных колебаний оборудования [6]. Кроме того, при

расчетах не может быть учтено влияние технологических допусков в подвижных соединениях внутренних элементов, в зазорах трубных решеток и т.п.

о/я 2'°

1,5 1,0

0,5 0,0

ОД 1,0 10,0 25,0

Собственная частота, Гц

Рисунок. 1.1. Качественный вид спектра ответов при землетрясении:

51, 52, 53 - декременты колебаний, 51< 52< 53

Таким образом, возникает трудноразрешимая задача достоверного задания граничных условий, а зачастую эта задача вообще неразрешима, поскольку в ряде случаев такие вопросы, как прокладка трубопроводов, места и формы их гибов, места жесткого или упругого раскрепления корректируются в процессе монтажа. Особо остро проблема задания граничных условий и определения сейсмических воздействий проявилась при проектировании унифицированных видов и типов трубопроводной энергетической арматуры, что вынудило принимать и периодически пересматривать искусственные решения и не до конца обоснованные нормативные документы типа [7], согласно которому оборудование или арматура искусственно вырезается из технологической системы, а реальные условия крепления оборудования, изменение его жесткости, вследствие присоединяемых трубопроводов, не рассматриваются. Чтобы как-то учесть

влияние присоединяемых трубопроводов, к патрубкам оборудования и арматуры прикладываются нагрузки, выбираемые в соответствии с [7].

Наглядно демонстрирует эту проблему следующий реальный пример, описанный в [8,9].

При проектном обосновании сейсмостойкости фильтр-ловушки (1 -й категории сейсмостойкости по НП-031-01 [10]) энергоблока №4 Калининской АЭС граничные условия расчетной модели задавались в соответствии с [7]. В результате расчетов в программе ANSYS были получены следующие значения низших собственных частот колебаний изделия: 1-я форма колебаний - 83,5 Гц; 2-я форма - 144,5 Гц; 3-я форма - 173,0 Гц..., вследствие чего в расчет на сейсмостойкость были заложены минимальные сейсмические нагрузки. В результате динамических испытаний фильтр-ловушки, выполненных непосредственно на энергоблоке в реальных условиях монтажа и обвязки были получены приведенные в табл. 1.1 следующие значения собственных частот и декрементов колебаний, соответствующие максимальным расчетным сейсмическим нагрузкам:

Таблица 1.1. Экспериментальные значения СДХ фильтра-ловушки

Собственные частоты, Гц Декременты колебаний, %

по оси X по оси у по оси z по оси X по оси у по оси z

8,0; 33,0 6,3; 33,0 12,5; 17,5 2,7; 0,5 2,0; 0,6 1,9; 4,3

Из приведенного примера можно сделать вывод, что при проектном расчетном обосновании сейсмостойкости возможны ошибки при задании нагрузок от сейсмических нагрузок вплоть до одного порядка.

Сейсмические колебания, передаваемые через грунт на основание сооружения, его строительные конструкции и технологическую начинку, по своей природе имеют стохастический характер с резко выраженной резонансной областью частот. В связи с этим при анализе устойчивости промышленных объектов к сейсмическим воздействиям важнейшее значение приобретает надежное знание собственных динамических характеристик

(форм, частот и декрементов колебаний) всех ответственных элементов этих объектов - строительных сооружений, несущих конструкций, технологического оборудования, коммуникаций.

Сейсмические нагрузки на оборудование АЭС существенно зависят как от собственных частот объекта, так и от демпфирующих процессов и характеристик (декрементов колебаний) в области резонансных частот. Собственные динамические характеристики (частоты, формы и декременты колебаний) важного для безопасности технологического оборудования АЭС определяют расчетные нагрузки на оборудование при сейсмических воздействиях и, как следствие, надежность оценок его сейсмостойкости.

По своей физической природе сейсмическим воздействиям на конструкции аналогичны и другие внешние воздействия резонансного характера. К ним относятся такие воздействия техногенного происхождения, как удары о сооружения промышленных объектов тяжелых летящих предметов при авиакатастрофах, воздействие взрывной ударной волны при разного рода взрывах на площадках АЭС, либо в непосредственной близости от них.

В этих случаях, как и при анализе сейсмостойкости, определяющими характеристиками воспринимающих воздействие конструкций (технологических систем, оборудования) являются их собственные частоты и декременты колебаний. В связи с этим задача экспериментального исследования собственных динамических характеристик ответственного за безопасность АЭС технологического оборудования приобретает универсальный характер, обеспечивая анализ его устойчивости ко всем видам внешних воздействий резонансного характера.

1.2. Нормативные требования к обоснованию сейсмостойкости

Требования к сейсмостойкости оборудования АЭС, критерии сейсмостойкости, их дифференциация по степени ответственности оборудования за ядерную и радиационную безопасность, определение

сейсмических воздействий и другие факторы, определяющие порядок и условия проверки и обеспечения сейсмостойкости оборудования, регламентируются национальными нормативными документами и обобщающими их рекомендациями МАГАТЭ. Поскольку АЭС являются объектами чрезвычайно высокой ответственности, к безопасности которых предъявляются особо жесткие требования, при их проектировании, сооружении, эксплуатации и реконструкции в современных нормативных документах предписывается учет значительно больших сейсмических воздействий по сравнению с обычными гражданскими и промышленными объектами [4]. Нормативные документы периодически уточняются (с тенденцией ужесточения требований) по мере накопления данных по параметрам землетрясений и их последствиям, углубления знаний в области динамики и прочности конструкций, их математического и технического обеспечения, а также по мере изменения и уточнения общих правил и норм по безопасности АЭС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зайкин Иван Игоревич, 2018 год

Список использованных источников

1. Бугаенко С.Е., Буторин С.Л. Прочность и надежность конструкций АЭС при экстремальных воздействиях. // М.: Энергоатомиздат, 2005. - 576 с.

2. Оценка сейсмической безопасности существующих ядерных установок. Руководство № NS-G-2.13. // Серия норм МАГАТЭ по безопасности. МАГАТЭ, Вена, 2014.

3. Seismic Evaluation of Existing Nuclear Power Plant // Safety Reports Series No. 28. Vienna: IAEA 2003.

4. Сейсмическая безопасность атомных станций / Ананьев А. Н., Казновский П. С., Казновский С. П., Лебедев В. И., Чеченов X. Д. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011.

5. Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии. НП-064-17, 2018.

6. Кравец С.Б. Оценка сейсмостойкости технологических систем атомных станций // М.: «Энергоатомиздат», 2005. 170 с.

7. Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования» НП-068-05.

8. Казновский А.П., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Рясный С.И.

Обоснование сейсмостойкости технологического оборудования энергоблока №4 Калининской АЭС методом динамических испытаний // 2-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию». 23-24 апреля 2012 г. Тезисы докладов. М.: Атомтехэнерго, 2012. С. 74-76.

9. Емельянова А.Д., Казновский А.П., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Щугорев А.В. Результаты проверки сейсмостойкости технологического оборудования энергоблока №4 Калининской АЭС на этапе ввода в эксплуатацию // 8-я международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». 23-25 мая 2012 г. Пленарные и секционные доклады. М.: Концерн Росэнергоатом, 2012. С. 588-591.

10.Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций НП-031-01 // Вестник Госатомнадзора России. 2001. №3. С.64-88.

11. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86.

12. Общие положения обеспечения безопасности атомных станций. НП-001-15.

13. Требования к устройству и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов для объектов использования атомной энергии» НП-043-03.

14.ГОСТ 17516.1-90. Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам.

15. ГОСТ 30546.1-98. Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям и методы расчета их сложных конструкций в части сейсмостойкости.

16. ГОСТ 30546.2-98. Испытания на сейсмостойкость машин, приборов и других технических изделий.

17. ГОСТ 30546.3-98. Методы определения сейсмостойкости машин, приборов и других технических изделий, установленных на месте эксплуатации, при их аттестации или сертификации на сейсмическую

безопасность.

18. ГОСТ 30630.1.1-99. Методы испытаний на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Определение динамических характеристик конструкций.

19. Встовский Г. В., Казновский П. С., Казновский А. П. Фактическая статистика декрементов колебаний оборудования АЭС. - Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, 2009, № 2.

20. Казновский А.П., Касьянов К.Г., Рясный С.И. Результаты анализа натурных исследований собственных динамических характеристик важного для безопасности оборудования АЭС // Электрические станции. № 8, 2014, с. 10-15.

21. Методика подтверждения динамических характеристик систем и элементов энергоблоков АЭС, важных для безопасности. МТ.1.2.2.04.0069-2012. Концерн «Росэнергоатом». 2012. 50 с.

22. Казновский П.С., Казновский А.П., Сааков Э.С., Рясный С.И. Подтверждение сейсмостойкости оборудования АЭС после монтажа // Электрические станции. № 12, 2012, с. 2-6.

23. Рясный С.И. Обоснование сейсмостойкости оборудования АЭС при вводе в эксплуатацию и продлении эксплуатации. 2-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию». Сборник тезисов. Москва. ОАО «Атомтехэнерго», 2012, с. 15-18.

24. Казновский П.С., Рясный С.И. Разработка методики натурного подтверждения динамических характеристик систем и элементов энергоблоков АЭС для обоснования их сейсмической безопасности. 2-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию». Сборник тезисов. Москва. ОАО «Атомтехэнерго», 2012, с. 7172.

25. Казновский П.С., Рясный С.И. Методика натурного подтверждения динамических характеристик систем и элементов энергоблоков АЭС определяющих их устойчивость при сейсмических воздействиях. Восьмая

международная научно-техническая конференция «Безопасность, экономика и эффективность атомной энергетики». Пленарные и секционные доклады. Москва. Концерн «Росэнергоатом», 2012г., с. 586-588.

26. И.И. Зайкин, К.Г. Касьянов, А.Д. Емельянова, А.П. Казновский, С.И. Рясный. Расчетно-экспериментальное обоснование сейсмостойкости оборудования АЭС. V международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов атомной отрасли "КОМАНДА-2013". Сборник тезисов. Санкт-Петербург, 2013, с. 60-62.

27. Рясный С.И., Казновский П.С., Щугорев А.В. Выбор методологии подтверждения сейсмостойкости оборудования АЭС. Девятая международная научно-техническая конференция «Безопасность, экономика и эффективность атомной энергетики». Тезисы докладов. Москва. Концерн «Росэнергоатом», 2014г., с. 208-209.

28. Рясный С.И., Казновский П.С. Расчетно-экспериментальное обоснование сейсмостойкости важных для безопасности систем и элементов энергоблоков АЭС. Семинар Московского центра ВАО АЭС «Продление сроков эксплуатации энергоблоков АЭС с ВВЭР», Республика Армения, Ереван, 01-03 декабря 2015 г.

29. Встовский Г.В., Казновский П.С., Казновский А.П. Спектральный метод определения декрементов механических колебаний по результатам динамических испытаний // М.: «Заводская лаборатория». 2008, 74, №6. С. 55-62.

30. Встовский Г.В., Казновский П.С., Казновский А.П. Функциональные аспекты оценки сейсмостойкости по данным динамических испытании // М.: «Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций». 2008, №6. С. 13-23.

31. Встовский Г.В., Казновский А.П., Казновский П.С. Влияние декрементов на сейсмическую устойчивость оборудования АЭС и методы их определения // М.: «Тяжелое машиностроение». 2009, №1. С. 5-8.

32. Metodology of Dynamic Parametrs Confirmation Determining Seismic Stability of NPP's Elements. E.Saakov, S.Ryasnyi, A.Kaznovsky, P.Kaznovsky, K.Kasyanov. IEM on Protection against Extreme Earthquakes and Tsunamis in the Light of the Accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant, 103-104. IAEA, Vienna, Austria, September 4-7, 2012.

33. Казновский П.С., Казновский А.П., Сааков Э.С., Рясный С.И. Нормативное регулирование в области обеспечения сейсмостойкости важных для безопасности систем и элементов энергоблоков АЭС // Электрические станции. № 9, 2012, с. 17-22.

34. Рясный С.И. Нормативное обеспечение методологии ввода в эксплуатацию АЭС. 3-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию». Сборник тезисов. Москва. ОАО «Атомтехэнерго», 2014, с. 13-14.

35. Сааков Э.С. Регулирование процесса ввода в эксплуатацию энергоблоков АЭС. «Электрические станции». № 10, 2007, с. 2-6.

36. Э.С. Сааков, С.И. Рясный. Ввод в эксплуатацию энергоблоков АЭС. М., Энергоатомиздат, 2007, 496 с.

37. Fundamental Safety Principles. Safety Fundamental Series № SF-1. Vienna: IAEA, 2006.

38. Пат. 2284553 (РФ). Способ аттестации многоэлементной системы на сейсмостойкость / Казновский С. П., Казновский П. С., Казновский А. С., Мищенков В. Ф., Пискарёв В. В. Опубл. в Б. И., 2006, № 27.

39. РТМ-108.020.37-81. Энергетическое оборудование. Руководящий технический материал. Оборудования атомных энергетических установок. Расчет на прочность при сейсмических воздействиях. РТМ 108.020.37-81. // Минэнергомаш. ЦКТИ. 1986. 36 с.

40. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость // С.-П.: «Наука». 1998. 254 с.

41. Болотин В.В. Статическая теория сейсмостойкости конструкций // М.: «Известия АН СССР. Механика и математика». 1969, №4. С. 3-13.

42. Ветошкин В.А., Костарев В.В., Щукин А.Ю. Вопросы практического использования современных методов расчета энергооборудования на сейсмостойкость // В Сб. «Расчет сейсмостойкости энергетического ооборудования» Л.: Труды ЦКТИ, вып. 212, 1984. С.3-13.

43. Авдеев В.И., Базилевский С.В., Панасенко Н.Н. Расчетное обоснование сейсмостойкости оборудования АЭС // М.: «Энергомашиностроение», 1987, №8. С. 19-23.

44. Ветошкин В.А., Костарев В.В. Методические вопросы расчета сейсмостойкости энергооборудования // М.: «Энергомашиностроение», 1987, №8. С. 29-31.

45. Емельянова А.Д., Казновский А.П., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Рясный С.И. Об объёме и составе расчётно-экспериментальных обследований сейсмостойкости оборудования АЭС // Электрические станции. № 1, 2014, с. 21-26.

46. Seismic design and qualification for nuclear power plants // Vienna.: International atomic energy agency. Safety guide No.NS-G-1.6, 2003.

47. Evaluation of seismic safety for existing nuclear installations // Vienna.: International atomic energy agency. Safety guide No.NS-G-2.13, 2009.

48. Seismic evaluation of existing nuclear power plants // Vienna.: International atomic energy agency. Safety reports series No.28, 2003.

49. Earthquake experience and seismic qualification by indirect methods in nuclear installations // Vienna.: International atomic energy agency. TECDOC 1333, 2003.

50. Evaluation of Seismic Safety for Existing Nuclear Installations.Safety Guide № NS-G-2.13. Vienna: IAEA, 2009.

51. Benchmark Study for the Seismic Analysis and Testing of WWER Type NPPs. TECDOC 1176. Vienna: IAEA, 2000

52. Сааков Э.С., Рясный С.И., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Емельянова А.Д. Сравнительный анализ зарубежных и российских методологий

оценки сейсмостойкости оборудования АЭС // Атомная энергия, - 2013. - Том 115. - Вып. 6 (декабрь), с. 309-318.

53. П.С. Казновский, К.Г. Касьянов, А.Д. Емельянова, А.П. Казновский, С.И. Рясный. Анализ современных российских и зарубежных подходов к оценке сейсмостойкости оборудования АЭС в условиях эксплуатации. 8-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Сборник тезисов. Подольск. ОКБ «Гидропресс», 2013, с. 150151.

54. Рясный С.И., Казновский П.С. Сравнение зарубежных и российских методологий оценки сейсмостойкости оборудования АЭС. Семинар Московского центра ВАО АЭС «Продление сроков эксплуатации энергоблоков АЭС c ВВЭР», Республика Армения, Ереван, 01-03 декабря 2015 г.

55. Generic Implementation Procedure (GIP) for Seismic Verification of Nuclear Power Plant Equipment, Rev. 3A, SQUG, Office of Standards Development, Washington. 2001.

56. A Methodology for Assessment of Nuclear Power Plant Seismic Margin (Revision 1) // Palo Alto. EPRI NP-6041-SL Project 2722-23 Final Report, 1991.

57. Емельянова А.Д., Зайкин И.И. Казновский А.П., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Щугорев А.В., Рясный С.И. Выбор оборудования АЭС, подлежащего расчетно-экспериментальному подтверждению сейсмостойкости // Электрические станции. № 5, 2014, с. 4-11.

58.Прочность. Устойчивость. Колебания: Справочник / Под общей редакцией Биргера И.А., Пановко Я.Г. М.: Машиностроение, 1968, т. 3.

59. Рясный С.И., Зайкин И.И., Казновский А.П. Разработка базы данных сейсмической аттестации оборудования АЭС. Сборник трудов 17-й ежегодной Конференции молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам. ОКБ «ГИДРОПРЕСС». - Подольск, 2015, http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/kms-015/autorun/index-ru.htm.

60. Рясный С.И., Зайкин И.И., Казновский П.С., Касьянов К.Г. Обоснование сейсмостойкости технологического оборудования энергоблока №3 Ростовской АЭС с применением базы данных сейсмической квалификации. 4-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию». Сборник тезисов. Москва. ОАО «Атомтехэнерго», 2016, с. 61-63.

61. Э.С. Сааков, С.И. Рясный, И.И. Зайкин, К.Г. Касьянов, П.С. Казновский, А.П. Казновский, А.В. Щугорев. Повышение эффективности расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС с применением базы данных сейсмической аттестации. 9-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Сборник тезисов докладов. Подольск. ОКБ «Гидропресс», 2015, с. 38-39.

62. Сааков Э.С., Рясный С.И., Зайкин И.И., Касьянов К.Г., Казновский П.С., Казновский А.П., Щугорев А.В. Повышение эффективности расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС с применением базы данных // Атомная энергия, - 2015. - Том 118. - Вып. 3 (март), с. 137-141.

63. И.И. Зайкин, С.И. Рясный. Методология оценки запаса сейсмостойкости зданий, сооружений и оборудования существующих АЭС. 22-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Сборник тезисов на компакт-диске. 26 февраля 2016 г.

64. П.С. Казновский, К.Г. Касьянов, С.И. Рясный. Технология и процедуры оценки запаса сейсмостойкости зданий, сооружений и оборудования АЭС. 9-я международная научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Сборник тезисов докладов. Подольск. ОКБ «Гидропресс», 2015, с. 39-40.

65. Сааков Э.С., Рясный С.И., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Зайкин И.И. Методология оценки запаса сейсмостойкости зданий, сооружений и

оборудования существующих АЭС // Атомная энергия, - 2016. - Том 120. - Вып. 2 (февраль), с. 83-90.

66. Казновский А.П. Исследования собственных динамических характеристик при обосновании устойчивости оборудования АЭС к сейсмическим и другим внешним воздействиям. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Мытищи, 2013.

67. Казновский А.П., Казновский П.С., Дерий В.П., Сааков Э.С., Рясный С.И. Анализ собственных динамических характеристик трубопроводной арматуры АЭС при оценке ее сейсмостойкости с учетом влияния параметров жесткости // Электрические станции. № 9, 2014, с. 2-7.