РАСЧЕТЫ МЕХАНИКИ И ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ


Примеры выполненых проектов

Расчеты на прочность трубопроводов и оборудования АЭС

Введение

Спустя более полвека с момента своего рождения, ядерная энергетика занимает заметную долю в мировом производстве электроэнергии. Число атомных электростанций в мире постоянно растет. Уже сейчас на долю АЭС приходится значительная часть производимой в мире энергии. И наблюдаемая тенденция показывает, что эта доля будет увеличиваться в будущем. Несомненно, что производство энергии с использованием мирного атома является сейчас наиболее приемлемым с точки зрения эффективности и экологичности. В тоже время в случае аварии на АЭС последствия могут быть очень тяжелыми. Поэтому основной вопрос, который ставится в настоящее время в странах, на территории которых строятся или эксплуатируются АЭС, а также международной организацией МАГАТЭ - это безопасность АЭС. В данном вопросе очень важную роль играет прочность и надежность элементов АЭС.

Технически атомные электростанции представляют собой сложную систему, состоящую из большого числа агрегатов и оборудования, связанного между собой трубопроводами. Общая протяженность трубопроводов на мощной АЭС – несколько километров

Обеспечение прочности оборудования и трубопроводов энергоблоков АЭС является одной из главных задач не только при проектировании, но и в процессе эксплуатации. Конструкции оборудования и трубопроводов должны обеспечить работоспособность, надежность и безопасность их эксплуатации в течение срока службы, указанного в технических условиях или паспортах на оборудование. Эти требования определяют прямую связь между нормативными документами и прочностью элементов, работоспособностью, надежностью и безопасностью.

Методика расчета

Оценка прочности оборудования атомных электростанций в Российской Федерации проводится в соответствии с "Нормами расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических "установок" (ПНАЭ Г-7-002-86).

Обоснование прочности на продление срока службы оборудования может быть проведено, базируясь на одном из двух положений:

- на фактических условиях эксплуатации, фактической геометрии элементов и фактических механических свойствах материалов, использованных при изготовлении;

- как расчёт прочности в рамках технического проекта изделия на полный срок эксплуатации с учётом его продления.

Второе положение можно использовать, если в процессе прошедшей эксплуатации не зафиксировано отклонений от условий эксплуатации, дефектов или уменьшение размеров сверх предусмотренных проектом.

Нормами…" регламентировано проводить расчет на прочность в два этапа:

  • первый этап — расчет по выбору основных размеров;
  • второй этап — поверочный расчет.

В результате выполнения первого этапа расчета определяются основные геометрические размеры элементов оборудования АЭС. Расчет по выбору основных размеров проводится при расчетном давлении и температуре.

После расчёта по выбору основных размеров проводят поверочный расчёт, который проводится на номинальные размеры элементов. Поверочный расчет включает в себя расчет статической прочности, циклической прочности, устойчивости, расчет на сейсмическое воздействие, расчет на сопротивление хрупкому разрушению, расчет на прогрессирующее формоизменение и др. В результате расчетов определяются величины действующих в конструкции напряжений и деформаций, которые сравниваются с допускаемыми значениями (расчетные группы категорий напряжений), указанными в нормахПНАЭ Г-7-002-86.При поверочном расчёте учитывают все действующие нагрузки и рассматриваются все режимы эксплуатации (нормальные условия эксплуатации, гидро или пневмо испытания, нарушения нормальных условий эксплуатации, сейсмические воздействия).

В соответствии с рекомендациями МАГАТЭ анализ сейсмостойкости оборудования и трубопроводов АЭС, находящихся в эксплуатации, проводится с использованием, так называемого метода граничной сейсмостойкости (МГС) (“Evaluation of Seismic Safety for Existing Nuclear Installation” Safety Standards Series). Суть метода состоит в определении величины граничной сейсмостойкости (параметра HCLPF). Для вычисления величины граничной сейсмостойкости HCLPF используется коэффициент сейсмического запаса FS.

В действующих нормах указаны рекомендуемые методы для расчета типовых элементов и узлов трубопроводов и оборудования АЭС на основе методов теории упругости и строительной механики. Так как методика заключается в использовании «ручного» расчета трубопроводов и оборудования, то ее применение не обходится без существенных упрощений конструкции, которые приводят к разбиению рассчитываемого объекта на простые элементы. Далее эти элементы рассчитываются отдельно, а влияние соседних элементов учитываются введением соответствующих граничных условий. Данный подход недостаточно точен в случае сложных конструкций, так как подобные упрощения вносят большую погрешность в результатах. Такие явления как концентрация напряжений в зонах резкого изменения геометрии учитываются введением коэффициента концентрации напряжений. Определение его величины является порой весьма сложной задачей. А расчеты таких критериев как устойчивость, сейсмостойкость еще более сложные.

Таким образом, все перечисленные трудности говорят о том, что в настоящее время – время информационных технологий, «ручной» расчет на прочность в области атомной энергетики является неприемлемым с точки зрения требуемой точности расчета и трудозатрат. Это наводит на мысль о применении численных методов моделирования и расчета сложных конструкций

Доохладитель продувки

Трубопровод системы продувки-подпитки

Насос расхолаживания бассейна выдержки
 

Верхний блок реактора и приводы СУЗ

Примеры оборудования АЭС

Расчеты с использованием APM WinMachine

Система автоматизированного проектирования механических конструкций и оборудования в машиностроении и строительстве APM WinMachine позволяет решать задачи прочности, теплового анализа, спектрального анализа, то есть тех задач, необходимых для расчета остаточного ресурса или продления срока службы трубопроводов и оборудования АЭС.

Расчетное ядро системы APM WinMachine – модуль APM Structure3D - имеет аттестационный паспорт №330 от 18 апреля 2013 года

При построении моделей оборудования и трубопроводов АЭС применяется следующий набор конечных элементов из библиотеки в APM WinMachine (рис. 1):

  • оболочечные элементы (4-х узловая и 3-х узловая пластины) для моделирования обечаек, патрубков, компенсаторов, эллиптических и плоских днищ и т.д.;
  • объемные элементы (4-х узловой и 10-ти узловой тетраэдры, 8-ми узловой гексаэдр) для моделирования толстых обечаек, трубных досок, фланцев, опор и т. д.;
  • стержневые элементы (балка) для моделирования теплообменных труб, болтов и шпилек фланцевых соединений и т.д.;

Рис. 1 Конечные элементы APM WinMachine

В случае моделирования трубопроводов применяются следующие типы опор:

•    жесткая опора, исключающая все перемещения и повороты (рис. 2а);
•    односторонняя опора для моделирования скользящих опор;
•    направляющие опоры;
•    упругое закрепление для моделирования пружинных опор/подвесок (рис. 2б).

а)

б)

Рис. 2 Опоры трубопровода

Расчёт трубопроводов и оборудования АЭС проводим с помощью модуля расчета напряженно-деформированного состояния, устойчивости, собственных и вынужденных колебаний деталей и конструкций с использованием метода конечных элементов – APM Structure3D, входящего в систему APM WinMachine. Данный модуль позволяет создавать расчётные модели, достаточно близко описывающие геометрию рассчитываемых узлов.

 

Расчет статической прочности выполняется для всех возможных режимов работы оборудования (рис.3). Режим работы определяется механическими нагрузками и температурными условиями.

Начальные условия (собственный вес)

Состояние затяга (собственный вес+затяжка шпилек+нагрузки со стороны присоединенных трубопроводов)

Рабочее состояние (собственный вес, затяжка шпилек+нагрузки со стороны присоединенных трубопроводов, рабочее давление, Tр= 150 оС

Гидроиспытания (собственный вес, затяжка шпилек+нагрузки со стороны присоединенных трубопроводов, давление гидроиспытаний, Tг.и.= 5 оС

Рис. 3 Распределение приведенных напряжений в теплообменнике охлаждения бассейна выдержки

При расчете на циклическую прочность выбираются расчетные точки в зонах концентрации напряжений и определяется накопленное усталостное повреждение в этих точках

Расчётные точки и блоки нагружения для определения накопленного усталостного повреждения

Расчет насейсмические воздействия выполняют линейно-спектральным методом (по спектрам ответа) или методом динамического анализа (по акселерограммам). Ниже приведены результаты расчета сейсмостойкости доохладителя продувки (рис. 4). Сейсмические нагрузки определялись с использованием поэтажных спектров ответа уровня МРЗ для отметки +23,5 м (рис. 5).

Частота 12.82 Гц. Третья форма

Частота 11.17 Гц. Вторая форма

Частота 4.18 Гц. Первая форма

Частота 22.46 Гц. 10-я форма

Собственные формы колебаний доохладителя продувки

Рис. 4 Распределение приведенных напряжений при НУЭ+МРЗ      

Рис. 5 Спектры ответа. Гермозона. Отметка 23.5 м

Заключение

Таким образом, представленная работа показывает, что система APM WinMachine может успешно применяться для оценки прочности оборудования атомных электростанций.

Использование APM WinMachine для таких расчетов позволяет выполнить все требования, предъявляемые "Нормами расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок" (ПНАЭ Г-7-002-86), облегчает труд и экономит время.

© ООО НТЦ "АПМ" 2017. Все права защищены
Создание сайтов
Студия дизайна «Веб-Арена»