Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих подходов и методов 12
1.1 Основные понятия и принципы 14
1.2 Место концепции ТПР в системе обеспечения безопасности эксплуатации сосудов и трубопроводов давления АЭС 21
1.3 Особенности работ по применению концепции ТПР на стадиях проектирования и эксплуатации 23
1.4 Методы расчета критических размеров сквозных трещин 24
1.4.1 Метод нагрузки пластического шарнира 25
1.4.2 Метод J-интеграла 26
1.5 Методы определения площади раскрытия трещин 27
1.5.1 Метод определения площади раскрытия трещин Дагдейла 27
1.5.2 Метод определения площади раскрытия трещин Васрича 28
1.5.3 Конфигурации площади раскрытия трещин 29
1.5.4 Определение площади раскрытия трещин с помощью конечно элементных моделей 30
1.6 Определение интенсивности истечения через сквозные трещины 31
1.6.1 Методика расчета однофазного истечения 31
1.6.2 Методика расчета двухфазного истечения
1.7 Постановка задачи 37
1.8 Выводы по первой главе 38
Глава 2. Методы и подходы для обеспечения безопасности трубопроводов на основе концепции «течь перед разрушением» 39
2.1 Основные принципы ТПР 40
2.2 Выбор расчетных сечений 41
2.3 Расчет напряжений 42
2.4 Расчет критических длин трещин 43
2.5 Расчет кинетики трещины и оценка вероятности существования дефектов 46
2.6 Проверка стабильности трещин в режиме НУЭ+МРЗ 50
2.7 Определение площадей раскрытия трещин 52
2.8 Определение расходов теплоносителя 52
2.9 Определение минимальной чувствительности 2.10 Подбор систем контроля течи 56
2.11 Выводы по второй главе 56
Глава 3. Практическое применение Методики для главных циркуляционных трубопроводов и дыхательного трубопровода АЭС в Моховце типа ВВЭР-440 блоков 3 и 4 58
3.1 Выбор расчетных сечений 58
3.2 Расчет напряжений 59
3.3 Расчет критических длин трещин 61
3.4 Расчет кинетики трещины 64
3.5 Проверка стабильности трещин в режиме НУЭ+МРЗ 67
3.6 Определение площадей раскрытия трещин 71
3.7 Определение расходов теплоносителя 72
3.8 Определение минимальной чувствительности 73
3.9 Подбор систем контроля течи 74
3.10 Гетерогенные сварные соединения 74
3.11 Выводы по третьей главе 75
Глава 4. Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе из перлитной стали 76
4.1 Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе Ду850 из перлитной стали 80
4.1.1 Исследование влияния наплавки на напряженно-деформированное состояние 81
4.1.2 Исследование влияния наплавки на раскрытие трещины 86
4.1.3 Исследование влияния наплавки на площадь раскрытия трещины 90
4.2 Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе Ду800 из перлитной стали 96
4.2.1 Исследование влияния наплавки на напряженно-деформированное состояние 97
4.2.2 Исследование влияния наплавки на раскрытие трещины 103
4.2.3 Исследование влияния наплавки на площадь раскрытия трещины 111
4.3 Выводы по четвертой главе 116
Заключение 118
Список сокращений и условных обозначений 120
Список литературы 121
- Особенности работ по применению концепции ТПР на стадиях проектирования и эксплуатации
- Расчет критических длин трещин
- Проверка стабильности трещин в режиме НУЭ+МРЗ
- Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе Ду800 из перлитной стали
Введение к работе
Актуальность работы.
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 «течь перед разрушением» (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:
-
Обобщить опыт применимости концепции ТПР на основе нормативных документов и методологий, используемых в РФ и зарубежных странах.
-
Исследовать условия возникновения разрывов трубопроводов без течи.
-
Сформировать методику в соответствии с нормативными документами РФ, документами и опытом зарубежных стран, а также дополнительными исследованиями и условиями, повышающими достоверность получаемых результатов.
-
Разработанную методику использовать для применения концепции ТПР
на реальных трубопроводах АЭС.
5. Исследовать влияние наплавки (плакировки) 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.
-
Разработана методика определения вероятности гильотинного разрушения трубопровода без течи и показано, что вероятность такого события пренебрежимо мала и существенно меньше 10-7 (реактор/год).
-
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.
-
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.
-
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 «Ansys» 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.
-
Методика определения вероятности гильотинного разрушения трубопровода без течи.
-
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.);
-
Восьмой межотраслевой семинар «Прочность и надежность оборудования», (Госкорпорация «Росатом», ОАО «НИКИЭТ», ООО «ИЦП МАЭ», г. Звенигород, Московская область, 15-18 октября 2013 г.).
-
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 127 страницу машинописного текста, 69 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 55 наименований.
Особенности работ по применению концепции ТПР на стадиях проектирования и эксплуатации
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].
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. Рассмотренные ниже подходы и методы исследования отражают в основном специфику этапа эксплуатации. Однако они могут быть использованы и для этапа проектирования, на котором реализация концепции ТПР упрощается [15].
Критический размер трещин – размер, достижение и превышение которого приводит к быстрому, неуправляемому и окончательному разрушению конструкции.
Расчеты критических размеров трещин требуют особой точности и обоснованности. Это связано с тем, что в отличие от традиционных расчетов прочности конструкции, при которых средние по сечению напряжения существенно ниже предела текучести (т.е. конструкция не переходит даже в стадию пластичности), расчет трещины является расчетом стадии разрушения. Кроме того, на критические размеры трещины существенно влияет большое число факторов: температура, вид напряженного состояния в вершине трещины, который в свою очередь определяется целым рядом параметров, в том числе геометрические размерами трещины и конструкции, маркой стали и технологией изготовления и т.п.
Скорость окончательного разрушения конструкции при достижении критических размеров трещины очень высока, вне зависимости от того в хрупком, квазихрупком или вязком состоянии находится материал. Во всех случаях процесс окончательного разрушения для наблюдателя происходит почти мгновенно.
В режиме нормальной эксплуатации металл всех элементов конструкций сосудов и трубопроводов давления первого контура АЭС находится в вязком состоянии. Металл некоторых элементов сосудов давления в определенных режимах (в основном, режимах ГИ, аварийных и переходных режимах с резким понижением температуры) может переходить в хрупкое или квазихрупкое состояние. Однако для трубопроводов в силу относительно небольшой толщины стенок, а также для большого числа сосудов давления такой переход невозможен [16]. Методы расчета разрушения по хрупкому механизму хорошо изучены и содержатся в нормативном документе Нормы расчета на прочность [24] и Методика [25].
Расчет критических длин трещин
Эта глава содержит методику «Расчетно-экспериментальное обоснование для обеспечения безопасности эксплуатации АЭУ на основе концепции «течь перед разрушением», в которой описаны методы и подходы для главных циркуляционных трубопроводов (ГЦТ) и дыхательных трубопроводов (ДТ). Методы и подходы основаны с учетом нормативных документов США [32], Чехии [33], России [21] и Словакии [34].
Успешное применение концепции безопасности «Течь перед разрушением» (ТПР) оказывает положительное влияние на экономику АЭС, а именно: а) Позволяет избежать установки опор-ограничителей биений концов трубо-провода в случае его обрыва; б) Отсутствие опор-ограничителей дает существенное сокращение времени эксплуатационного контроля состояния трубопроводов, так как присутствие опор-ограничителей часто усложняет и продлевает работы, связанные с контролем; в) Снижение времени на контроль приводит к снижению дозовых затрат персонала. Методика «Расчетно-экспериментальное обоснование для обеспечения безопасности эксплуатации АЭУ на основе концепции «течь перед разрушением» опубликована в научном журнале [35] и сборнике трудов конференции [36-38]. 2.1 Основные принципы ТПР Концепция безопасности ТПР рассмотрена в конфигурации, указанной на рисунке 2.1.1. В соответствии с методологией в случае обнаружения течи через стенку трубопровода время, в течение которого надо принять решение и начать останов энергоблока, составляет 60 минут или меньше.
В методике приводятся результаты испытаний, анализ и верификация методов, используемых для применимости концепции ТПР. Методика представлена в трех частях:
Первая часть - это проверка полноты исходных данных, таких как предел текучести (Rp0,2), предел прочности (Rm), критические значения J-интеграла (JIc), коэффициенты аппроксимации диаграммы Рамберга-Осгуда, характеризующие упрочнение материала (, n). А так же схемы трубопроводных систем, с фактическим расположением сварных соединений с указанием номеров и геометрических характеристик: диаметра элемента трубопровода (D) и его толщины стенки (s). Проверка данных по режимам эксплуатации: нормальные условия эксплуатации (НУЭ), гидравлические испытания (ГИ) на прочность и на плотность, режим максимального расчетного напряжения (МРЗ) и стратификация для дыхательного трубопровода. Информация о давлении в трубопроводе, его эксплуатационной температуре и возможном перепаде температур для особенных режимов, таких как нормальные условия эксплуатации совместно с нагрузкой от стратификации.
Вторая часть - это анализ событий, которые могут привести к быстрому неуправляемому развитию трещины, неприменимости концепции ТПР или потребности в дополнительных работах по расчетному обоснованию. Поэтому для перехода к расчетной стадии проверки применимости концепции ТПР необходимо исключить возможности возникновения: гидравлических ударов; косвенных источников разрыва трубопроводов, таких как аварии опор, демпферов, падение объектов и другие; деградации металла; разрушения трубопровода по хрупкому сценарию;
Третья часть - это расчетное обоснование с использованием отдельных методов и подходов, которая более подробно описана в последующих пунктах второй главы.
Выбор основных участков для применимости концепции ТПР происходит на основании совокупных данных: наиболее неблагоприятные механические свойства, наибольшие нагрузки, наименьшая толщина стенки выбранного сечения. Помимо этого в международной практике принято рассматривать все сварные соединения.
Проверка стабильности трещин в режиме НУЭ+МРЗ
В реакторостроении получили распространение трубопроводы из углеродистых и углеродистых малолегированных сталей с антикоррозионной наплавкой из стали аустенитного класса. Указанные стали имеют разные коэффициенты линейного расширения, что при нагреве приводит к возникновению больших сжимающих напряжений в наплавке. Большие сжимающие напряжения в наплавке могут препятствовать раскрытию сквозных трещин в трубопроводе и истечению теплоносителя из него. Этот эффект до сих пор не учитывают существующие нормативные документы, регулирующие применение концепции ТПР на АЭС как в России [21], так и за рубежом, в частности, в США [3] и Германии [2].
При этом наличие антикоррозионной наплавки учитывается только прибавлением ее толщины к толщине основного металла. При определении площади раскрытия трещины и расхода теплоносителя толщина стенки расчетного компонента определяется с учетом толщины слоя наплавки.
В действительности наплавка оказывает существенное влияние на раскрытие трещины, так как сжимающие напряжения в ней при работе реактора, например, ВВЭР-1000 близки к напряжениям предела текучести.
Действительно, при разогреве реактора с 200С до 3000С получим термические напряжения сжатия в наплавке -283 МПа (расчет будет показан далее).
Следует отметить, что после изготовления трубопровода с наплавкой в наплавке остаются остаточные напряжения растяжения. Этот вопрос и аналогичные, связанные с остаточными напряжениями, исследованы в технической литературе [49-52]. В действительности эти напряжения релаксируются (см. рисунок 4.1) при первых циклах гидравлических испытаний (ГИ) на прочность, которые проводят до начала эксплуатации и на рисунке 4.2 показан уровень остаточных напряжений при нормальных условиях эксплуатации. Аналогичные результаты были получены и для корпуса реактора с антикоррозионной наплавкой [53].
Остаточные напряжения в наплавке (плакировке) после гидравлических испытаний определяются как разность остаточных напряжений после изготовления (примерно равные пределу текучести стали, из которой изготовлена наплавка) и действующих напряжений во время гидравлических испытаний:
При давлении ГИ pГИ=24,5 МПа и нормальной температуре в трубопроводе возникают напряжения растяжения равные: Гт = Ф = 24.5495 МПа = 173.3МПа, где R – срединный радиус главного циркуляционного трубопровода ВВЭР-1000 и S – толщина стенки трубопровода с учетом наплавки. Так как остаточные напряжения в наплавке не могут превышать предел текучести, то в результате ГИ напряжения в наплавке релаксируют с +216 МПа до +42,7 МПа.
С учетом термического воздействия напряжения при нормальных условиях эксплуатации (НУЭ) составляют: -283+42,7=-240,ЗМПа Rp0,2 (при t=3000C). Так как эти напряжения выше Rp0,2, то в действительности в наплавке будут напряжения сжатия: a fc =-\11МПа.
Напряжения сгом в основном металле раскрывают трещину, а напряжения тнапл в наплавке закрывают, вид распределений показан на рисунке 4.2, а на рисунке 4.3 вид разреза вдоль образующей трубопровода.
В пункте 4.1 показаны исследования влияний разницы коэффициентов температурного расширения основного металла из перлитной стали и наплавки из нержавеющей аустенитной стали на возможность обеспечения безопасности эксплуатации главных циркуляционных трубопроводов АЭС типа ВВЭР-1000.
Главный циркуляционный трубопровод (ГЦТ) на АЭС типа ВВЭР-1000 имеет внутренний диаметр 850 мм, толщину 70 мм, где основной металл (1) 63 мм из стали 10ГН2МФА, а антикоррозионная наплавка (2) 7 мм из стали 08Х18Н10Т (см. рисунок 4.1.1).
Механические свойства стали 10ГН2МФА: Е = 195ГПа, а = 13,1 мкК-1,Яр02 = 304МПа, Rm = 491МПа, при t = 3000С. Механические свойства стали 08Х18Н10Т: E = 180ГПа, a = 17,4 мкК-1,RP02 = 177МПа, Rm = 412МПа, при t = 3000С, где E - модуль упругости (модуль Юнга); а - коэффициент линейного расширения; Rp0,2- предел текучести; Rm - предел прочности; t - температура. Теплоноситель ГЦТ - вода с температурой 300С и давлением 16 МПа.
Прямолинейный участок трубопровода рассмотрен в программном комплексе ANSYS 14 (лицензия №662207 от 21.03.2012). Для реализации поставленной задачи использовалась специализированная литература [54], [55]. Решение задачи выполнено в упругой постановке и разбито на 3 подзадачи: 1) прямолинейный участок трубопровода находится под действием внутреннего давления p=16 МПа; 2) эта же часть трубопровода нагревается до температуры t=300 0С; 3) участок трубопровода находится под действием внутреннего давления p=16 МПа и температуры t=300 0С.
Для решения задачи рассмотрена часть окружности трубопровода протяженностью 70 мм и толщиной 70 мм, где 63 мм – основной металл, а 7 мм – наплавка. Далее разбивается модель на конечные элементы (см. рисунок 4.1.1.1).
Исследование влияния наплавки из аустенитной стали на раскрытие трещины в трубопроводе Ду800 из перлитной стали
На рисунках 4.2.2.7-4.2.2.8 показана тенденция влияния наплавки на площадь раскрытия трещины. Исходя из полученных выше результатов, построена зависимость максимальных раскрытий трещин (max) от длин трещин по окружности, переведенных в градусы (см. рисунок 4.2.2.9) для трубопроводов с наплавкой и без не. На рисунке 4.2.2.9 кривая 1 показывает, что для трубопроводов с наплавкой трещины в диапазоне угла 2 з = 0 60 -«закрываются» (на графике область отрицательных значений значении функции), а для 2ср = 60 -И 08 - «раскрываются» (на графике область положительных значений функции). Показано, что раскрытие трещины происходит, когда угол 2 р равен 60 или большим значениям. Для определения максимального раскрытия трещин (vmax) в трубопроводах с кольцевой трещиной без наплавки воспользуемся аналитической формулой [1]: Vmax = «(/О (пг), (4.9) Гі2ґ1— v2 0, l-c где а(Х) = (1 + 0Д17Я2)0,5, Я = , с - полудлина трещины, Е модуль упругости Юнга, v - коэффициент Пуассона, R - внутренний радиус трубопровода иS- толщина стенки трубопровода.
Результаты, рассчитанные по аналитической формуле (4.9) показывают удовлетворительное совпадение аналитических подходов оценки раскрытия (кривая 3) с численными расчетами (кривая 2).
На рисунке 4.2.3.1 показана часть модели трубопровода с внутренней стороны в области трещины со сгущением сетки к фронту трещины. Представленная трещина имеет длину равную / (по внутренней поверхности трубопровода) и соответствующий этой длине угол 2 р в цилиндрических координатах. Цветом обозначены линии берега и фронта трещины и соответственно названы «Берег» и «Фронт» (см. рисунок 4.2.3.1). Длина берега трещины показанного на рисунке 4.2.3.1 соответствует полудлине трещины с, где 1 = 2с.
Конечно-элементная сетка. Область трещины При данной постановке задачи интересно раскрытие и форма берега трещины как с учетом влияния наплавки, так и без е учета при различных длинах трещин.
Проведены расчеты в программном комплексе Ansys для заложенных кольцевых трещин: 2 р = 36, 54, 72 и 108 градусов. На рисунках 4.2.3.2-4.2.3.5 показаны функции раскрытия трещины от их протяженности d (удаленности от точки 0 принадлежащей фронту трещины).
На рисунке 4.2.3.2а изображен график функции раскрытия трещины от протяженности трещины 2(3 = 36, и показано что наплавка закрывает трещину, что препятствует истечению теплоносителя. Положительные значения раскрытия трещин на рисунке 4.2.3.2а, 4.2.3.3а и 4.2.3.4а - это мнимые значения (пунктирные линии на рисунках), это обусловлено применением Ansys без учета контакта, характеризуют отсутствие раскрытия трещины. На рисунке 4.2.3.2а раскрытие трещины нет, а площадь раскрытия равна 0. На рисунке 4.2.3.2б трещина беспрепятственно раскрывается, вид функции раскрытия трещины эллиптический, аналогичные результаты получены для трещины 2 = 54 (см. рисунок 4.2.3.3).
Оценим влияние наплавки на площадь раскрытия трещины для 2tp = 72. Величина влияния равна отношению площади раскрытия на рисунке 4.2.3.4б к площади раскрытия на рисунке 4.2.3.4а. Допустим, площади раскрытия трещин являются эллипсами, тогда влияние наплавки на площадь раскрытия трещин рассчитывается следующим образом: = 3.64. (4.10) безГ 7Г-1.069-10_4-0.251 (м2) ScT 7Г-3.573-10_3-(0.251-0.045)(м2) 114 Таким образом, наплавка своими термическими напряжениями уменьшает площадь раскрытия трещины длиной 2(р = 72 примерно в 3.64 раза или на 72,5%. а б
Влияние наплавки на площадь раскрытия трещины для трещины 2 з = 108о (см. рисунок 4.2.3.5) оценим аналогичным образом, как было показано выше. Величина малой полуоси эллипса на рисунке 4.2.3.5а равна 1.668 а на рисунке 4.2.3.5б равна 2.277-10 4, их отношением составит 1.37 или на 27%. Далее показано влияние наплавки на площадь раскрытия трещин от длин трещин по окружности, переведенных в градусы 2(р .
Зависимость площади раскрытия трещин от протяженности трещин На рисунке 4.2.3.6 по оси абсцисс отложена длина трещины, переведенная в градусы 2(р, а по оси ординат множитель /?, показывающий во сколько раз площадь раскрытия трещины в трубопроводе без наплавки больше, чем в трубопроводе с наплавкой.
Влияние наплавка оказывает на трещины протяженностью 2ср равной от 0 до 144 градусов в трубопроводе контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) коллектора на всасе на Ду800 (РБМК-1000). Раскрытие трещины не происходит при длине трещины равной 2(3 = 0 60, а при длине равной 2(з = 60 144 площадь раскрытия трещины меньше для трубопровода с наплавкой. Функция, описывающая влияние наплавки, как на рисунке 4.2.3.6, имеет вид: Р = 10,344(2 р)-1,719, где Р 1, при 2(р = 60 -г-144.