Разработка, расчетно-экспериментальное обоснование и опытно-промышленная эксплуатация узлов уплотнения реактора ВВЭР-1000 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Рыжов, Сергей Борисович

• Рыжов, Сергей Борисович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рыжов, Сергей Борисович

Введение.

Глава 1. Проектирование и эксплуатация разъемных соединений реакторных установок ВВЭР.

1.1 Функциональное назначение и описание узлов уплотнений реактора.

1.2. Особенности узлов уплотнений базовой конструкции и основные причины отказов.

1.3. Нормативные подходы к расчетному обоснованию узлов уплотнений.

1.4. Основные направления совершенствования узлов уплотнения реактора ВВЭР-1000.

Глава 2. Расчетное обоснование узлов уплотнения с прокладками из РГ.

2.1 Общие подходы к расчетному обоснованию.

2.2 Методика численного моделирования разъемных соединений.

2.2.1. Эквивалентная шпилька (болт).

2.2.2. Статически эквивалентные распределенные силы.

2.2.3. Обобщенные перемещения в зонах стыковки эквивалентной шпильки (болта) с фланцами.

2.2.4. Условия совместности шпилек и болтов с фланцами.

2.2.5. Уравнения совместности для одноконтурного шпилечного соединения.

2.2.6. Уравнения совместности для одноконтурного болтового соединения.

2.2.7 Одноконтурное разъемное соединение со сквозной шпилькой.

2.2.8 Одноконтурное шпилечное соединение с высокой шайбой (гайкой).

2.2.9. Двухконтурное разъемное соединение «болт- шпилька».

2.2.10. Двухконтурное разъемное соединение «шпилька- шпилька».63 2.2.11 Численное моделирование осесимметричных элементов конструкции разъемных соединений.

2.3 Примеры расчета узла уплотнения.

Глава 3. Экспериментальное обоснование узлов уплотнения патрубков ВРК, СУЗ и чехлов КНИТ верхнего блока с прокладками из расширенного графита.

3.1 Общие положения.

3.2 Описание стенда испытаний узлов уплотнений патрубка ВРК и чехлов КНИТ.

3.3 Описание стенда испытаний узла уплотнения патрубка СУЗ.

3.4 Описание моделей узлов уплотнений патрубка ВРК и чехлов КНИТ „

3.5 Описание модели узла уплотнения патрубка СУЗ.

3.6 Испытания узла уплотнения патрубка ВРК.

3.7 Испытания узлов уплотнений чехлов КНИТ.

3.8 Испытания узла уплотнения патрубка СУЗ.

3.9 Результаты испытаний узла уплотнения патрубка ВРК.

3.10 Результаты испытаний узлов уплотнений чехлов КНИТ.

3.11.3 Результаты испытаний узла уплотнения патрубка СУЗ.

3.12 Анализ герметичности и прочности узлов уплотнений патрубков ВРК и СУЗ.

3.13 Анализ герметичности и прочности узла уплотнения чехла КНИТ.

Глава 4. Опытная эксплуатация прокладок из РГ на реакторах ВВЭР

4.1 Конструкторские и технологические работы по внедрению РГ на АЭС.

4.2 Промышленная эксплуатация модернизированных узлов уплотнений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка, расчетно-экспериментальное обоснование и опытно-промышленная эксплуатация узлов уплотнения реактора ВВЭР-1000»

Разъемные уплотнительные соединения сосудов давления и трубопроводов отличаются от других узлов корпусного оборудования присутствием в них границ раздела, которые превращаются в контактирующие поверхности в процессе сборки уплотнительного соединения, затяжки крепежных элементов и обжатия прокладок. По своей природе затяжка крепежа похожа на монтажные натяги, т.к. стяжка составных элементов в прочно-плотное соединение сопровождается появлением внутренней самоуравновешенной напряженности, область распространения которой является ограниченной и сосредоточенной в элементах, прилегающих к прокладкам и к крепежу. Проектирование уплотнительного соединения сопровождается рассмотрением одновременно двух "конкурирующих" задач обеспечения плотности соединения с некоторым запасом, что достигается высокими усилиями обжатия прокладки, и обоснования прочности, что, как хорошо известно, строится на критериях, ограничивающих уровень статической и циклической напряженности. Поэтому усилия обжатия прокладок не могут быть выше некоторого уровня, определяемого из расчетов прочности.

Конструированию и расчету разъемных соединений посвящено очень большое количество литературы. Наиболее известными можно считать справочники [1, 2, 3, 4]. В большинстве публикаций по уплотнительным соединениям [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11], появившимся в 60-е -т-80-е годы, главное внимание уделяется расчетным подходам к анализу напряжений, что объясняется недостаточными возможностями вычислительной техники в те времена.

По классификации [4] уплотнительные соединения реактора ВВЭР-1000 являются неподвижными с контактирующими поверхностями. Все уплотнительные соединения в основном можно считать осесимметричными, соединяющими тела вращения. Уплотнения верхнего блока относятся к одному типу соединений, так называемому "шип-паз", в котором прокладка ограничена со всех сторон фланцевыми поверхностями. Такая конструкция позволяет использовать прокладки из любых материалов.

Проектирование разъемных уплотнительных соединений в общем случае состоит из 4-х этапов. Для новой прокладки должны быть определены ее геометрические размеры, прокладочный коэффициент и минимальное усилие обжатия. Перечисленные параметры зависят от типа соединения и типа прокладки, материала прокладки и среды внутри соединения и определяются опытным путем на специальных стендах. На следующем этапе осуществляется выбор основных размеров соединяемых элементов и проводится определение усилия обжатия прокладки [12]. Усилие обжатия создается крепежными элементами. В большинстве случае ВВЭР-1000 применяются шпилечные соединения. На этом этапе используются расчетные зависимости, построенные на основе простейших расчетных схем с использованием структурных элементов, строительной механики машин уравнения равновесия и совместности из теорий оболочек, колец и стержней. На третьем этапе проводится поверочный расчет плотности и прочности соединения в соответствии с критериями [12]. Расчет проводится в 2-х или 3-х мерной постановке в зависимости от степени отклонения от осесимметричности. При поверочном расчете учитываются все механические и термические нагрузки. Для нестационарных режимов работы реактора проводится расчет нестационарных температурных полей, используемых в качестве исходных данных при определении температурных напряжений. В случае разработки головного образца уплотнительного соединения на 4-м этапе проводятся испытания модели соединения на специальном стенде. Дня этого моделируется рабочая среда и два-три цикла разогрева и расхолаживания. Наряду с проверкой плотности разъемного соединения в ее зависимости от температуры, проводится тензометрирование крепежа и соединяемых элементов, используемого для верификации расчетных моделей.

Узлы уплотнения реактора ВВЭР-1000 относятся к элементам нормальной эксплуатации, важным для безопасности и классифицируются группой "В" в соответствии с [13] и классификационным обозначением 2Н в соответствии с [14], что определяет сложность конструкторской задачи по разработке и обоснованию узлов уплотнений и соответствующий уровень требований к узлам уплотнения, а именно:

• обеспечение высокой надежности при эксплуатации в течение длительного времени в жестких условиях температурных перепадов и агрессивной среды;

• полное расчетное обоснование в соответствии с требованиями [12];

• экспериментальное обоснование для подтверждения расчетных методик и для подтверждения характеристик, по которым расчетные методики не отработаны, либо их отработка нецелесообразна;

• обеспечение удовлетворительных эксплуатационных характеристик с точки зрения минимизации дозовых затрат персонала при проведении регламентных работ с разуплотнением и уплотнением узлов;

• устойчивость конструкции к отклонению от проектных требований или ошибочных действий персонала.

Актуальность работы. В связи с началом разработки РУ нового поколения, характерной особенностью которых является высокая экономичность при более высоком уровне безопасности, что заявлено в «Стратегии развития атомной энергетики России в первой половине XXI века. Основные положения", протокол №17 от 25.05.2000 г.» и в последних решениях Федерального агентства по атомной энергии разработка и расчетно-экспериментальное обоснование плотно-прочных разъемных соединений на основе прогрессивных материалов является актуальным.

Цель работы. Цель работы заключалась в разработке подходов к конструированию и расчетно-экспериментальному обоснованию работоспособности прокладок разъемных соединений верхнего блока ВВЭР для снижения напряженности элементов разъемных соединений и повышения уровня плотности во всех эксплуатационных режимах. Научная новизна.

1. Разработаны новые подходы к конструированию прокладок из расширенного графита для разъемных соединений верхнего блока ВВЭР.

2. Проведены экспериментальные исследования плотности различных вариантов конструктивного исполнения уплотнительных устройств.

3. Разработаны расчетные методики анализа напряжений в разъемных соединениях верхнего блока.

4. Разработаны новые технологии изготовления и монтажа на действующих блоках АЭС прокладок из расширенного графита.

Практическая ценность работы. Разработанные подходы к конструированию, изготовлению и монтажу прокладок из расширенного графита и разработанные методики экспериментально-расчетного обоснования разъемных соединений верхнего блока внедрены на ряде действующих блоков АЭС.

Заключение диссертации по теме «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», Рыжов, Сергей Борисович

Основные результаты и выводы по работе

Разработка и внедрение в эксплуатацию прокладок из РГ и основанная на них модернизация узлов уплотнения верхнего блока реактора ВВЭР-100 является актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.

Основные причины перехода с никелевых прокладок на графитовые состоит в необходимости снизить напряженность уплотнительного соединения и повысить надежность как по прочности, так и по герметичности.

При замене никелевых прокладок на графитовые были выполнены следующие работы НИР и ОКР:

- изменение конструкции прокладок;

- выбор и обоснование материала прокладок из РГ;

- экспериментальное исследование герметичности (плотности) узлов верхнего блока с прокладками из расширенного графита;

- расчетное обоснование конструкции с прокладками из расширенного графита;

- опытно-промышленная эксплуатация уплотнительных соединений (разъемных узлов) верхнего блока на действующих блоках.

Для изготовления прокладок из расширенного графита с заданными характеристиками в ОКБ "Гидропресс" было организовано вначале опытное, а затем серийное производство.

Основные преимущества замены никелевых прокладок из расширенного графита для узлов уплотнения элементов верхнего блока состоят в следующем:

- более высокая технологичность;

- повышенная надежность по плотности;

- меньшая напряженность за счет снижения усилия затяга в крепежных деталей;

- увеличение запаса по статической и циклической прочности;

- более высокая экономичность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рыжов, Сергей Борисович, 2007 год

1. Волошин A.A., Григорьев Г.Т. Расчет и конструирование фланцевых соединений. Справочник, М.: Машиностроение, 1972. - 136 с.

2. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович P.M. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машгиз, 1966, 616 с.

3. Захаров A.A. Расчет фланцевых соединений трубопроводов и цилиндрических сосудов. M.-JL: Машгиз, 1958, - 256 с.

4. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник. Под общей редакцией А.И.Голубева и Л.А.Кондакова. М.: Машиностроение, 1986. - 464 с.

5. Сисьмеков В.К. К расчету фланцевых соединений трубопроводов на прочность и жесткость. Расчеты на прочность, 1961, №7, с.58-61.

6. Качанов JI.M. Расчет фланцев по предельным нагрузкам. -Котлотурбиностроение, 1952, №4, с.60-62.

7. Бугов А.У. Фланцевые соединения. JL: Машиностроение, 1975,192 с.

8. Бугов А.У. Инженерные методы расчета симметричных кольцевых фланцевых соединений. Энергомашиностроение, 1970, №10, с.5-7.

9. Иосилевич Т.Б. и др. Общий метод расчета фланцевых соединений. -Вестник машиностроения, 1980, №8, с.28-31.

10. Шульцев Д.Н., Павлов Е.А., Герасимов Ю.Н. Расчет напряженно-деформированного состояния резьбового фланцевого разъема методом конечных элементов. Энергомашиностроение, 1980, №11, с.35-37.

11. Корнеев А.Б. Расчет фланцев методом конечных элементов. Труды Ленинградского политехнического института им. Калинина, 1978, №365, с.48-52.

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

13. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-008-89. НТЦ ЯРБ, 2000.

14. Общие положения обеспечения безопасности атомных станций, ОПБ-88 НП-001-97( ПНАЭ Г 1-011-97), -М:, Энергоатомиздат, 1997.

15. Фиалков А.С., Малей А.С. Некоторые аспекты технологии изготовления расширенного графита. Электроугольные и металлокерамические изделия для электротехники. М.: Энергоиздат, 1985.

16. Ковалев Н.Н. Гидротурбины. "Машиностроение", 1952, №4, с. 60-62.

17. Waters Е.О., Taylor I.H. The Strength of Pipe Flanges,- "Mechanical Engeneering", 1972, №5, p. 9-15.

18. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.2. М.: Гостехиздат, 1943.

19. Волошин А.А. Расчет фланцевых соединений трубопроводов и сосудов. Л.: Судпромгиз, 1959.

20. Сисьмеков В.К. К расчету фланцевых соединений на прочность и жесткость.- "Расчеты на прочность", 1961, №7, с. 58-61.

21. Волошин А. А. Расчет на прочность трубопроводов судовых энергетических установок. Л.: Судостроение, 1967.

22. Волошин А.А., Григорьев Г.Т. Расчет и конструирование фланцевых соединений. Л.: Машиностроение, 1972.

23. Lake G.F., Boyd G. Design of Bolted Flanged goints of Pressure vessels.-"Procecding of the Institution of Mechanical Engineers", 1957, vol. 171, №3, p. 27-33.

24. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович P.M. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машгиз, 1966.

25. Немец Я. Расчет прочности сосудов, работающих под давлением. М.: Машиностроение, 1964.

26. Bernhard H.I. Flange Theory and the Revised Standard B.S. 10: 1962 Flanges and Bolts for Pipes, valves and Fittings.- "The Inctitution of Mechanical Engineers", 1963-1964, vol. 178, №5, p. 10.

27. Качанов Л.М. Расчет фланцев по предельным нагрузкам. "Котлотурбиностроение", 1952, №4, с. 60-62.

28. Захаров A.A. Расчет фланцевых соединений трубопроводов и цилиндрических сосудов. M.-JL: Машгиз, 1958.

29. Александрова Г.П. Контактные задачи изгиба плит, лежащих на упругом основании.- "Известия АН СССР. Механика твердого тела", 1973, №1, с. 97107.

30. Александров В.В., Ворович И.И. Контактная задача для кольцевого слоя малой толщины.- "Известия АН СССР. Механика твердого тела", 1966, №1, с. 63-74.

31. Гуревич С.Г. Решение плоской задачи для прямоугольной области и применение ее к расчету фланцевых соединений.- Прочность элементов паровых турбин. M.-JL: Машгиз, 1951.

32. Долинский В.М., Марченко П.С. К расчету круглых сплошных пластин, лежащих на винклеровском основании.- Труды Харьковского Государственного университета. "Динамика и прочность машин", 1968, вып. 9, с. 58-62.

33. Vocke W. Spannungs berechnung bur Flanschverbindungen.- "Die Technic", 1954, №11, p. 17-30.

34. Бугов А.У. К расчету прочности фланцевых соединений крупных валов гидротурбин.-'Тидротурбиностроение", 1957, №4, с. 233-246.

35. Павлов П.А. Прочность трубчатых валов с фланцами при одновременном растяжении и кручении.- "Расчеты на прочность", 1961, №7, с.235-247.

36. Бугов А.У. Фланцевые соединения. J1.: Машиностроение, 1975.

37. Бугов А.У. Расчет деформаций и напряжений плотных кольцевых фланцевых соединений гидротурбин.- Труды ин-та машиностроения АН СССР 1962, №9, с.73-96.

38. Бугов А.У. Инженерные методы расчета симметричных кольцевых фланцевых соединений.- "Энергомашиностроение", 1970, №10, с. 5-7.

39. Иосилевич Т.Б. и др. Общий метод расчета фланцевых соединений.-"Вестник машиностроения", 1980, №8, с. 28-31.

40. Schneider R.W. Flat Face Flanges with Metal-to-metal contact Beyond the Bolt Circle.- "Journal of Engineering for Power", Transaction of the ASME, 1968, ser. A, №1, p. 34-47.

41. Kuchta J. Pevnostni otazky priruboveho spoje.- "Jaderna energie", 1964, №9, p.344-347.

42. Спас X. Деформирование больших фланцев сосудов высокого давления.-Механика. Новое в зарубежной науке. М.: Мир, 1980, вып. 24, с. 9-55.

43. Шульцев Д.Н., Павлов Е.А., Герасимов Ю.Н. Расчет напряженно-деформированного состояния резьбового фланцевого разъема методом конечных элементов.- "Энергомашиностроение", 1980, №11, с. 35-37.

44. Корнеев А.Б. Расчет фланцев методом конечных элементов.- "Труды Ленинградского политехнического института им. М.И. Калинина", 1978, №365, с. 48-52.

45. Уплотнительные устройства разъемных соединений оборудования реакторных установок ВВЭР / В.Г. Русьянов, В.П. Денисов, Ю.Г. Драгунов, A.B. Селезнев, С.Б. Рыжов, А.Е. Геронтьев, А.Г. Конюшков. М.: ИКЦ "Академкнига", 2004. 134 с.

46. Программа для ПЭВМ. Расчет температурных полей в узлах энергетического оборудования. ТЕМП. Методика расчета. 8624607.00516019001, ОКБ "Гидропресс", 2001

47. Программа для ПЭВМ. Расчет разъемных соединений сосудов реакторных установок с ВВЭР. РАЗЪЕМ. Методика расчета. 8624607.00482-019001, ОКБ "Гидропресс", 1999.

48. Спас X. Деформирование больших фланцев сосудов высокого давления. -Механика. Новое в зарубежной науке. М.: Мир, вып.24,1989.

49. Биргер И. А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М.: Машиностроение, 1973.

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

51. Детали машин. Расчет и конструирование. Том 1. Под ред. Н.С.Ачеркана.- М.: Машиностроение, 1968.

52. Иосилевич Г.Б., Ковган С.Т., Лукащук 10.5. Общий метод расчета фланцевых соединений. Вестник машиностроения, 1980, №8, с.28-31.

53. Шульцев Д.Н., Павлов Е.А., Егоров М.Ф. Применение метода конечных элементов к расчету главного разъема атомного энергетического реактора. -Энергомашиностроение, 1980, №11, с.35-37.

54. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1967.

55. Детали машин. Расчет и конструирование. Том 1. Под ред. Н.С.Ачеркана.- М.: Машиностроение, 1968.

56. Работнов Ю.И. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979.

57. Демидов С.П. Теория упругости.-М. ¡Высшая школа, 1979

58. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.

59. Бердичевский В.Л. Вариационные принципы механики сплошной среды. -М.: Наука, 1983.

60. Галагер Р. Метод конечных элементов. М.: Мир, 1984.

61. Привод СУЗ ШЭМ-3. Расчет прочности. Часть 1. Выбор основных размеров. 1Жт 407.01.03.РР2. ОКБ "Гидропресс". 2000.

62. Привод СУЗ ШЭМ-3. Расчет прочности. Часть 2. Узел уплотнения датчика ДПШ с заглушкой. ЬУв 407.01.03.РР2.1. ОКБ "Гидропресс". 2000.

63. Привод СУЗ ШЭМ-3. Расчет прочности. Часть 3. Узел уплотнения датчика ДПШ с заглушкой. ЬУв 407.01.03.РР2.2. ОКБ "Гидропресс". 2000.

64. Привод СУЗ ШЭМ-3. Расчет прочности. Часть 3. Учет скейсмических нагрузок. ЦУв 407.01.03.РР2.2. ОКБ "Гидропресс". 2000.

65. Блок верхний Расчет прочности. Часть 1. Выбор основных размеров. 428.01.04.РР2. ОКБ "Гидропресс". 2000.

66. Блок верхний Расчет прочности. Часть 4. Узел уплотнения патрубка системы управления и защиты. 428.01.04.РР2.3. ОКБ "Гидропресс". 2000.

67. Блок верхний Расчет прочности. Часть 5. Учет внешних воздействий. 428.01.04.РР2.4. ОКБ "Гидропресс". 2000.

68. Г.Б. Иосилевич, Г.Б. Строганов, Ю.В. Шарловский. Затяжка и стопорение резьбовых соединений. -М:, «Машиностроение», 1985.

69. Модернизация узлов уплотнения верхнего блока реактора ВВЭР-1000 / С.Б.Рыжов, H.A.Кирилюк, О.В.Титов и др. // Сборник трудов 2-ой Всероссийской конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", г. Подольск, 2001.

70. Пат. 2034344 России. Узел герметизации приборов внутриреакторного контроля / H.A. Кирилюк, H.H. Задерей, С.Б. Рыжов и др. 1995. Бюл. № 12. 5 с.