Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема проверки и обеспечения сейсмостойкости оборудования АЭС и пути её решения. Аналитический обзор и постановка задач
1.1. Безопасность использования атомной энергии 16
1.2. Внешние воздействия на объекты использования атомной энергии 18
1.3. Обзор сейсмических событий, затронувших площадки действующих и строящихся АЭС
1.4. Нормативные требования к обоснованию сейсмостойкости и устойчивости к другим внешним воздействиям оборудования АЭС
1.5. Обзор и анализ основных методов подтверждения сейсмостойкости оборудования АЭС
1.6. Выводы и задачи диссертационного исследования 47
Глава 2. Методы и средства экспериментальных исследований собственных динамических характеристик оборудования АЭС в реальных условиях монтажа, раскрепления и внешней обвязки
2.1. Способы и средства возбуждения колебаний в конструкциях и оборудовании
2.2. Средства измерений и регистрирующая аппаратура 56
2.3. Методы обработки и анализа экспериментальных данных 60
Выводы по главе 2 79
Глава 3. Анализ выполненных натурных и лабораторных исследований динамических характеристик оборудования
3.1. Состав и классификация обследованного оборудования на пусковых и действующих энергоблоках АЭС и на предприятиях-изготовителях оборудования
3.2. Результаты лабораторных исследований и анализа факторов, влияющих на результаты экспериментального определения собственных динамических характеристик оборудования
3.3. Статистический анализ результатов исследований собственных динамических характеристик оборудования на основе спектрального метода определения декрементов (СМОД)
3.4. Статистический анализ расширенной базы данных по результатам динамических испытаний на основе усовершенствованных и новых средств и методов экспериментальных исследований
Выводы по главе 3 109
Глава 4. Анализ результатов исследований собственных динамических характеристик трубопроводной арматуры в реальных условиях раскрепления и трубопроводной обвязки на АЭС
4.1. Статистический анализ результатов исследований собственных динамических характеристик трубопроводной арматуры с учетом влияния опор и диаметров стыкуемой трубы
4.2. Обобщенный анализ влияния параметров жесткости арматуры на значения декрементов колебаний
Выводы по главе 4 123
Заключение 124
Список литературы
- Внешние воздействия на объекты использования атомной энергии
- Средства измерений и регистрирующая аппаратура
- Результаты лабораторных исследований и анализа факторов, влияющих на результаты экспериментального определения собственных динамических характеристик оборудования
- Обобщенный анализ влияния параметров жесткости арматуры на значения декрементов колебаний
Введение к работе
Актуальность работы: Из-за ограниченности технически доступных и экономически оправданных для добычи мировых запасов нефти и газа и возможностей использования возобновляемых и альтернативных источников энергии общие масштабы развития мировой атомной энергетики будут неизбежно расти. Это возможно только при условии обеспечения максимально возможной безопасности, в том числе и при внешних экстремальных воздействиях природного и техногенного происхождения, т.к. крупные аварии на АЭС создают угрозу радиоактивного заражения на больших расстояниях и в течение длительного времени (десятки лет).
По комплексу факторов одними из наиболее опасных внешних воздействий являются землетрясения, что подтверждают примеры тяжелейших последствий на японских АЭС «Касивадзаки-Карива» и «Фукусима-Даичи». Сейсмические колебания имеют стохастический характер с резко выраженной резонансной областью частот, поэтому 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, включая ответственное за безопасность технологическое оборудование.
Совершенствование программно-технических средств испытаний и обработки экспериментальных данных, а также постоянное расширение базы данных проводимых расчетно-экспериментальных исследований сейсмостойкости на энергоблоках АЭС, требует разработки и усовершенствования методов определения и анализа собственных динамических характеристик, определяющих расчетные нагрузки при сейсмических воздействиях и, как следствие, корректность оценок сейсмостойкости важного для безопасности технологического оборудования АЭС.
Особую важность имеет изучение декрементов колебаний в различных конструкциях, которое связано со сложным механизмом процессов демпфирования, ограниченными фактическими данными и проблемами в области обработки и анализа результатов экспериментальных исследований декрементов колебаний.
Целью диссертационной работы является повышение безопасности АЭС при внешних воздействиях путем разработки и практической реализации усовершенствованных методик и алгоритмов экспериментального определения собственных динамических характеристик, ответственного за безопасность оборудования АЭС в условиях его фактического состояния (раскрепления и внешней обвязки), расширение и анализ банка данных по результатам динамических исследований оборудования, необходимым для корректного задания нагрузок на оборудование при анализе его сейсмостойкости.
Научная новизна:
1. Разработана комплексная методика обработки результатов испытаний по определению динамических характеристик оборудования в натурных условиях монтажа и эксплуатации.
2. Установлены границы применимости метода определения декрементов колебаний по ширине спектральной линии спектров мощности Фурье (спектральный метод) и разработаны новые методы для определения декрементов вне пределов применимости спектрального метода.
3. Выполнен статистический анализ полученного (в т.ч. при непосредственном участии автора) обширного экспериментального материала по фактическим значениям динамических характеристик практически по всем типам и видам тепломеханического и электротехнического оборудования энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и РБМК-1000.
4. Выявлены статистические закономерности, присущие динамическим характеристикам собственных колебаний оборудования в условиях его фактического состояния (в реальных условиях монтажа, раскрепления и внешней обвязки), имеющие практическое значение для определения расчетных нагрузок от сейсмических воздействий на оборудование и оптимизации объемов натурных динамических испытаний.
Степень достоверности результатов исследований подтверждается:
1. Применением современных методов постановки, проведения и обработки результатов исследований с учетом конструкционных и физических особенностей исследуемого оборудования и используемых средств измерений.
2. Применением математических и статистических методов исследований с использованием современной вычислительной техники.
3. Положительными результатами практического использования разработанной комплексной методики обработки экспериментальных данных.
4. Применением наиболее современных прецизионных датчиков и электронной аппаратуры при проведении испытаний.
Практическая значимость результатов работы:
1. Даны конкретные рекомендации по усовершенствованию действующих нормативных документов, регламентирующих экспериментальные, расчетные и расчетно-экспериментальные исследования сейсмостойкости оборудования.
2. Усовершенствована методология проведения и анализа результатов динамических испытаний основного технологического оборудования АЭС при вводе в эксплуатацию новых энергоблоков и модернизации действующих.
3. При непосредственном участии автора разработана и апробирована на пусковых и действующих энергоблоках АЭС, а также на предприятиях - разработчиках и изготовителях автономного оборудования комплексная методика обработки результатов испытаний по определению собственных динамических характеристик оборудования в натурных условиях его монтажа, раскрепления, обвязки и эксплуатации.
4. Повышнена достоверность результатов динамических испытаний по определению собственных динамических характеристик за счет выявленния и анализа методических и инструментальных факторов, влияющих на точность экспериментального определения частот и декрементов колебаний оборудования АЭС.
5. Выполнена классификация важного для безопасности оборудования АЭС по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях;
6. Определены и предложены минимальные значения декрементов колебаний для различных типов оборудования по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях в зависимости от направлений воздействий и собственных частот колебаний для принятия в качестве консервативных нормативных значений в случае отсутствия реальных экспериментальных данных на стадии выполнения проектных обоснований сейсмостойкости.
7. Получены эмпирические кривые для определения в случае отсутствия реальных экспериментальных данных декрементов колебаний трубопроводной арматуры без собственных опор и с собственными опорами в зависимости от диаметров условных проходов трубопроводов, направлений динамических воздействий и частот собственных колебаний.
8. Представлены материалы и экспериментальные данные, дополняющие современные представления о динамическом поведении конструкций и оборудования, которые могут быть использованы заводами-изготовителями и проектными организациями при проектировании и изготовлении сейсмостойкого оборудования с высокой динамической прочностью.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования и обобщения методических вопросов, связанных с оценкой сейсмостойкости промышленного оборудования.
2. Результаты разработки алгоритмов и методов обработки результатов испытаний по определению собственных динамических характеристик оборудования.
3. Результаты исследования влияния инструментальных и методических факторов на точность определения собственных динамических характеристик оборудования.
4. Результаты статистических исследований экспериментальных данных о фактических значениях собственных динамических характеристик оборудования.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:
- Всероссийская научно-техническая конференция «Молодые ученые науке и производству», г. Старый Оскол, СТИ МИСиС, 17-18 апреля 2008 г.;
- Международная научно-практическая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производство и управление», г. Старый Оскол, СТИ МИСиС, 24-25 ноября 2009 г.;
- IV международное совещание по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте, г. Москва, ИМАШ РАН, 2009 г.;
- Семинар «Водородные технологии для внедрения в энергетике и на транспорте» 10-й юбилейной специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», г. Москва, ВВЦ, 2009 г.;
- Семинар «Атомно-водородные технологии для внедрения в энергетике и на транспорте» Научно-практической конференции «От инноваций к технике будущего» 11-й специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», г. Москва, ВВЦ, 23-26 ноября 2010 г.;
- Конкурс докладов молодых ученых и специалистов «Проектирование в энергетике XXI века» на Международной конференции проектировщиков АЭС, г. Нижний Новгород, НИАЭП, 28-29 октября 2010 г.;
- 2-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию», г. Москва, 23-24 апреля 2012 г.;
- 8-я международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», г. Москва, 23-25 мая 2012 г.;
- международная конференция по защите от землетрясений и цунами в свете инцидента на АЭС «Фукусима-Даичи». МАГАТЭ, Вена, Австрия, 4-7 сентября 2012 г.
Личный вклад автора в полученные результаты.
При непосредственном участии автора, в том числе под его непосредственным руководством в период с 2005 года и по настоящее время выполнен основной объем работ, связанных с проведением динамических испытаний и обработкой полученных экспериментальных данных основного технологического оборудования на энергоблоках №№2,3,4 Ленинградской АЭС, №2 Ростовской АЭС и №4 Калининской АЭС;
Автором лично выполнены статистические исследования полученных в ходе обследований на сейсмостойкость экспериментальных данных о собственных динамических характеристиках оборудования на энергоблоках №№1, 2, 3, 4 Ленинградской АЭС, №№1, 2 Ростовской АЭС, №2 Калининской АЭС;
Автором внесен определяющий личный вклад в разработку и внедрение комплексной методики обработки экспериментальных данных с использованием новых математических методов, выполнен комплекс экспериментальных исследований, позволяющих с высокой достоверностью определять собственные динамические характеристики оборудования;
При непосредственном участии автора, в том числе под его непосредственным руководством в период с 2008 года и по настоящее время организована и проведена аттестация на сейсмостойкость ряда видов автономного технологического оборудования на многочисленных предприятиях – разработчиках и изготовителях этого оборудования в России и за рубежом.
Публикации. По материалам диссертации автором опубликованы 13 печатных работ, из них 6 в ведущих рецензируемых изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 136 страницах, содержит 41 рисунок, 13 таблиц и список использованной литературы, включающий 123 наименования.
Внешние воздействия на объекты использования атомной энергии
Динамичное развитие мировой атомной энергетики обусловило резкое расширение географии размещения АЭС и рост их концентрации в густонаселенных регионах, в непосредственной близости от крупных промышленных, административных и культурных центров. Как следствие, это привело к значительному повышению внимания и требований к безопасности АЭС, надежности всех их систем и элементов, ответственных за обеспечение радиационной и ядерной безопасности [3-6].
В последнее десятилетие активное включение Китая, Индии и Ирана в создание национальной атомной энергетики, а также планирование сооружения АЭС в ряде других стран, в том числе в странах СНГ, свидетельствует о неуклонном расширении списка государств, сознающих безальтернативность атомной энергетики в обеспечении возрастающих потребностей в электроэнергии.
Современные требования к безопасности АЭС вызывают необходимость оценки их надежности и принятия необходимых мер защиты при всех видах воздействий -эксплуатационных, аварийных, а также внешних - как техногенного, так и природного происхождения [7].
От любых других промышленных предприятий ОИАЭ, и в частности АЭС, отличает неукоснительное требование максимального обеспечения ядерной и радиационной безопасности, исключающего возникновение катастрофических ситуаций даже в ограниченных территориальных масштабах.
В основе разработки проектов ОИАЭ и, в частности, АЭС на всех временных этапах развития атомной энергетики, начиная с первых промышленных сооружений, закладывались регламенты и требования по максимальному обеспечению безопасности на основе использования уровня знаний и накопленного опыта на момент проектирования и сооружения ОИАЭ. Изначально повышенные требования, предъявляемые к безопасности атомных станций, регулярно ужесточаются, особенно после каждого случая крупных аварий на отдельных АЭС [8].
К таким случаям, безусловно, относятся уже упоминавшиеся тяжелые аварии на АЭС «Three Mile Island» в 1979 г. и на Чернобыльской АЭС в 1986 г. Авария в США заставила пересмотреть отношение к уровню безопасности АЭС. Принятые после этой аварии в США и других странах, развивающих ядерную энергетику, меры по повышению безопасности АЭС привели к их удорожанию и тем самым к уменьшению конкурентоспособности.
Второй, ещё более мощный удар по развитию ядерной энергетики нанесла авария на энергоблоке №4 Чернобыльской АЭС [9]. Эта авария заставила критически переоценить уровень безопасности всех действующих и строящихся атомных электростанций как в СССР, так и за рубежом.
Безусловно, как нормативные требования и регламенты, так и пути и средства их обеспечения регулярно изменяются и усовершенствуются по мере углубления знаний разработчиков реакторов, энергоблоков и всех их ответственных элементов и АЭС в целом. Так, взамен «Общих положений обеспечения безопасности атомных электростанций при проектировании, строительстве и эксплуатации (ОПБ)», утвержденных ГКАЭ СССР, Минэнерго СССР и Минздравом СССР в 1973 г., к 1982 г. был разработан и утвержден новый документ ОПБ-82 [10]. Очередная корректировка этого основного норматива в области безопасности АЭС была выполнена в 1988 г. [11]. В этом документе максимально учтены требования и рекомендации МАГАТЭ на тот период, а также требования, заложенные в национальных нормах и правилах по безопасности АЭС, принятых в промышленно развитых странах. Введено и регламентировано понятие запроектной аварии и учтены уроки прошедших тяжелейших аварий на АЭС «Three Mile Island» и Чернобыльской АЭС.
Необходимо отметить, что атомной энергетике ещё предстоит извлечь уроки из произошедших в Японии событий на крупнейшей в мире АЭС «Касивадзаки-Карива» в 2007 г. и на АЭС «Фукусима-Даичи» в 2011 г. и пиквидировать все недоработки в обеспечении безопасности АЭС не только от эксплуатационных воздействий, но и от всех внешних воздействий природного и техногенного происхождения.
Внешние воздействия на объекты использования атомной энергии
АЭС, как и любые другие промышленные и бытовые объекты и сооружения, потенциально подвержены опасному воздействию как природного, так и техногенного происхождения. Это требует детального анализа, обследований, разработки и реализации надежных защитных мероприятий. К стихийным бедствиям относятся землетрясения, наводнения, ураганы, смерчи, цунами, сходы снежных лавин, экстремальные снегопады, селевые потоки, оползни, грунтовые провалы, извержения вулканов, удары молний, лесные пожары, падения крупных метеоритов. Реальность и частота возникновения большинства из них зависят от географического расположения объекта.
Воздействия техногенного происхождения включают падения самолётов и других летающих устройств, взрывы на объектах (случайные или преднамеренные), прорывы водохранилищ (например, разрушение защитных дамб или плотин вследствие их длительной эксплуатации), интенсивные электромагнитные излучения, аварийные пожары на территории объекта и пр.
Техногенные воздействия более очевидны и предсказуемы, чем экстремальные природные события. Их предотвращение в современных условиях, как правило, достаточно надежно осуществляется путем жестких административных и режимных регламентов и защитных технических мероприятий [7].
В свете недавних событий на АЭС «Касивадзаки-Карива» и АЭС «Фукусима-Даичи» защита АЭС от внешних воздействий, в первую очередь сейсмических, занимает важнейшее место в обеспечении безопасности.
Средства измерений и регистрирующая аппаратура
Для испытаний на энергоблоке № 4 ЛАЭС [109-110] лаборатория была усовершенствована: - взамен акселерометра KB 12 был использован аналог ВС 312 отечественной фирмы «Zetms» с выходом по заряду и чувствительностью 500 пКл/д; - изготовлен автономный источник питания для усилителей на базе автомобильного аккумулятора. Введение автономного источника питания, безусловно, существенно повлияло на её независимость от внешних источников питания, что особенно важно в условиях работы на энергоблоках АЭС, однако масса лаборатории с таким нововведением существенно возросла - на 10-15 кг. Новый акселерометр обеспечил хорошую точность регистрируемых данных несмотря на низкую стоимость в сравнении с зарубежными аналогами (в 3-4 раза), но быстро вышел из строя (после 200-300 испытаний).
Для проведения испытаний на 2-м энергоблоке Ростовской АЭС [111] переносная лаборатория претерпела существенные изменения. Все зарядовые акселерометры были заменены на акселерометры нового поколения со встроенной электроникой с выходным сигналом в мВ. Усилители заряда были заменены на автономные источники питания для акселерометров, работающие от батареек. Громоздкий ноутбук заменен на более современный, мощный и компактный нетбук.
Состав оборудования модернизированной переносной лаборатории: - акселерометры 4507 В 006 датской фирмы Bruel & Kier с чувствительностью 500 мВ/g и весом 5 г.; - трехкомпонентный акселерометр 356А26 американской фирмы РСВ Piezotronics с чувствительностью 50 мВ/д и весом 15г.; - автономные источники питания для акселерометров 480Е09 фирмы РСВ
Piezotronics с возможностью усиления входного сигнала; - автономный источник питания для трехкомпонентного акселерометра 480В21 фирмы РСВ Piezotronics; - автономный источник питания со встроенным интегратором 480В10 той же фирмы; - модернизированный аналого-цифровой преобразователь Е14-140М фирмы L-Card; - нетбук Asus на базе процессора Intel Atom с возможностью автономной работы без подзарядки до 8-9 часов.
В результате лаборатория была оснащена на тот момент самым современным и надежным оборудованием, обеспечившим высокую точность измерений, связанную с более равномерными амплитудно-частотными характеристиками датчиков со встроенной электроникой по сравнению с зарядовыми. Всё оборудование было размещено в небольшом алюминиевом кейсе (рисунок 10). Полный вес лаборатории составил не более 5 кг, а время автономной работы возросло до 8-9 часов. Существенное повышение мобильности лаборатории позволило увеличить объем проводимых на площадке испытаний с 10-15 единиц в день до 50-70. Появилась возможность записи ускорений, скоростей или перемещений с использованием интегратора, что во многом облегчило поиск низших частот колебаний.
В таком виде лаборатория существует и на сегодняшний день и использовалась при проведении испытаний на 4-м энергоблоке Калининской АЭС [112]. Единственное изменение, которое она претерпела на сегодняшний день - замена акселерометров фирмы Bruel&Kier на акселерометры РСВ Piezotronics, так как последние оказались более надежными и долговечными. Срок службы датчиков 4507 В 006 оказался на уровне 1000-1200 испытаний.
Используемые датчики обеспечивают гарантированный диапазон частот от 0,1 до 2000 Гц, неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот не более 5%, выдерживают пиковые нагрузки до 50 g и обладают необходимой чувствительностью, что полностью удовлетворяет требованиям к регистрируемым параметрам.
Для регистрации колебаний используется программное обеспечение L-Graph. Рисунок 10. Переносная мобильная лаборатория
Прежде чем приступить к описанию использованных методов обработки экспериментальных данных, автор считает необходимым пояснить некоторые особенности, связанные с проведением ДИ, которые во многом определяют надежность получаемых экспериментальных результатов.
Особое значение имеет правильный выбор точек установки акселерометров на оборудование и приложения динамических воздействий [108]. В процессе испытаний на оборудование задаются малые воздействия. Если оборудование малогабаритное и податливое, то трудностей, связанных с регистрацией колебательного процесса и последующей обработкой данных, как правило, можно избежать. Если же оборудование крупногабаритное, то необходима 100% уверенность в том, что датчики регистрируют колебания непосредственно оборудования, а не колебания вспомогательных элементов в его обвязке.
Известно, что датчики (акселерометры), регистрирующие колебания изделий, должны устанавливаться в областях, где ожидается максимальная амплитуда колебаний. Для идентификации данных областей необходима предварительная оценка форм колебаний изделия, которая может быть визуальной, с проведением аналогий испытуемого оборудования со стандартными моделями, для которых известны точные решения для форм собственных колебаний (например, балка при различных условиях закрепления), либо расчетной.
Визуальная оценка зачастую невозможна ввиду сложности оборудования, а предварительная расчетная требует длительного времени и затруднительна в связи с большими объемами натурных испытаний в условиях АЭС.
В таблице 4 автором предлагаются рекомендации по выбору точек установки датчиков в зависимости от типа исследуемого оборудования, для которого получены сведения о формах колебаний ранее испытанных и рассчитанных аналогичных изделий. Безусловно, данные рекомендации не распространяются на всё испытываемое оборудование, но охватывают большую часть основных видов оборудования, представленного на АЭС.
Установка датчиков на изделия должна осуществляться на существенном удалении от точки приложения динамического воздействия, либо от вибровозбудителя (во избежание отрицательных эффектов в записях акселерограмм колебаний, связанных непосредственно с динамическим воздействием).
При установке датчиков на изделия необходимо обеспечивать максимальный контакт поверхности датчика с поверхностью оборудования с использованием связующих средств (клея, мастики, специальных крепежных элементов). Связующие средства не должны обладать ощутимыми демпфирующими свойствами, которые могут повлиять на оценку параметров затухания колебаний изделий.
Результаты лабораторных исследований и анализа факторов, влияющих на результаты экспериментального определения собственных динамических характеристик оборудования
Результаты лабораторных исследований и анализа факторов, влияющих на результаты экспериментального определения собственных динамических характеристик оборудования
При непосредственном участии автора проводились лабораторные исследования, в результате которых были определены и проанализированы несколько факторов, влияющих на результаты экспериментального определения собственных частот и декрементов колебаний оборудования.
В рамках диссертационного исследования автор считает необходимым рассмотреть два наиболее значимых фактора, связанных непосредственно с производством испытаний,
Первый фактор связан с регистрирующей аппаратурой (параметрами акселерометров) и оказывает влияние на экспериментальное определение собственных частот колебаний [121]. Второй фактор связан с применяемыми способами возбуждения колебаний (интенсивностью динамического воздействия) в оборудовании и оказывает влияние на определение декрементов колебаний [121].
Влияние АЧХ канала записи акселерограмм. Для успешного применения рассмотренных в главе 2 методов определения СДХ большое значение имеет равномерность АЧХ канала записи акселерограмм, который представляет собой последовательное соединение акселерометра (датчика), усилителя низкой частоты и АЦП. Как правило, АЧХ современных усилителей и АЦП достаточно равномерны во всём диапазоне паспортных частот, поэтому основным лимитирующим фактором является неравномерность АЧХ датчика. Единственно возможным способом учета неравномерности АЧХ датчика является корректировка спектра мощности. Поделив поточечно исходный спектр на АЧХ датчика, получим скорректированный спектр [115].
Для анализа влияния АЧХ в лабораторных условиях с использованием калибровочного вибростенда фирмы «Robotron» была снята реальная АЧХ морально устаревшей модели акселерометра той же фирмы, которая использовалась при проведении ДИ на энергоблоках №№1 и 2 Ленинградской АЭС и обладала существенной неравномерностью АЧХ. Попутно следует отметить, что применяемые автором в последнее время современные акселерометры имеют равномерную АЧХ в анализируемых частотных диапазонах.
На рисунке 18а приводится пример спектра мощности акселерограммы вентилятора Ц9-55-№10 (энергоблок № 2 Ленинградской АЭС), записанной с помощью акселерометра KD45 фирмы «Robotron». АЧХ данного датчика, полученная в лабораторных условиях, показана на рисунке 186, на котором очевидно существенное подавление сигналов с частотами ниже 30 Гц. Результат корректировки исходного спектра представлен на рисунке 18в. Такая корректировка слабо влияет на величины декрементов, определенных по СМОД для частот более 10 Гц, но существенна для качественного выделения основных резонансов. К сожалению, этот искусственный прием не позволяет компенсировать отсутствие информации в исходной акселерограмме, особенно в критической области частот 1-10 Гц, где неприменим СМОД.
Подавление низких частот при записи акселерограмм затрудняет определение истинных значений частот и декрементов основных колебаний, так как регистрируемые в самом начале колебания с высокими частотами быстро затухают. Величины их декрементов не столь существенны для оценки сейсмостойкости, как декременты на низких частотах, которые могут быть определены по МС и МО фактически только при анализе сильно эашумленных «хвостов» акселерограмм, что является нерешаемои задачей, т.к. уровень шума превышает полезный сигнал: затухающие колебания на низких частотах.
Пример корректировки исходного спектра вентилятора ЦЭ-55-NIO с помощью АЧХ: а) исходный спектр, б) АЧХ акселерометра, в) скорректированный спектр Таким образом, равномерность АЧХ акселерометров является критическим фактором для корректного определения резонансных характеристик объектов, обследуемых на предмет оценки сейсмостойкости.
Влияние амплитуды возмущения колебаний. Применяемые в ходе экспериментальных исследований СДХ оборудования способы получения акселерограмм колебаний основаны на использовании метода малых возмущений, обеспечивающего неразрушение конструкций при возбуждении колебаний достаточно малых амплитуд. Можно предположить, что декременты таких колебаний могут существенно отличаться от декрементов колебаний, возможных при реальных землетрясениях. Предлагается условно назвать этот фактор фактором «малости возмущений» [121].
С целью выяснения влияния фактора «малости возмущений» на величину декремента при участии автора [121] был проведен модельный эксперимент, в ходе которого регистрировались акселерограммы горизонтальных колебаний с частотами около 6 Гц сварной модели пакгауза при различных величинах возмущающего импульса. Колебания возмущались посредством мягкого удара маятника, отклоняемого до подъема на заданную высоту. Масса модели составляла 22 кг, масса маятника -около 2 кг. Так как частота собственных колебаний модели составила 6 Гц, ДК определялись методами огибающей и сглаживания. По результатам модельного эксперимента можно сделать вывод, что в данном случае колебаний модели с частотой б Гц при переходе от малых возмущений к большим декременты колебаний увеличиваются примерно в 1,5 раза. Причем методы огибающей и сглаживания дают идентичные результаты определения ДК [121]. Результаты эксперимента показаны на рисунке 19.
Необходимо отметить, что коэффициент, связывающий декремент при малых возмущениях с декрементом при реальных сейсмических воздействиях и равный 1,5, получен для конкретной модели с резонансной частотой колебаний 6 Гц носит частный характер. Однако другие экспериментальные данные о влиянии силы возмущения на декременты, в том числе данные о исследованиях параметров демпфирования насосных агрегатов в реальных условиях эксплуатации при различных уровнях вибрационной нагруженности и приведенные в [122], в настоящее время крайне ограничены, поэтому в качестве первого приближения может быть использован коэффициент 1,5. При этом, как это следует из анализа поэтажных спектров ответов для различных площадок АЭС, реальное повышение ДК при переходе от малых воздействий при ДИ к реальным при ПЗ и даже МРЗ относительно невелики. Даже если принять увеличение ДК в 2 раза, то снижение воспринимаемых оборудованием сейсмических ускорений (сил) не превысит 20 %. Этим в расчетах на сейсмостойкость допустимо пренебречь, поскольку такое снижение пойдет в приемлемый по величине запас по динамической прочности.
Обобщенный анализ влияния параметров жесткости арматуры на значения декрементов колебаний
Помимо статистического анализа частот и декрементов колебаний для трубопроводной арматуры, автором выполнен подробный анализ минимальных значений декрементов колебаний и тенденции изменения средних значений декрементов в зависимости от диаметров условных проходов трубопроводов, направлений динамических воздействий и наличия или отсутствия опоры непосредственной под арматурой. На рисунке 39 приводятся зависимости зредних значений ДК от диаметров условных проходов трубопроводов.
Зависимости построены следующим образом: рассматривается диапазон декрементов от 0,005 до 0,1 в трёх частотных диапазонах 0-10 Гц, 10-20 Гц и 20-30 Гц; значения декрементов для диаграмм определялись как средние арифметические значения для рассматриваемых частотных диапазонов и диапазонов диаметров условных проходов трубопроводов; по полученным точкам (Ду; Осред) строились зависимости в виде линейных аппроксимаций. Полученные диаграммы позволяют определить тенденцию к возрастанию или убыванию ДК трубопроводной арматуры, соответствующих резонансным частотам, с ростом диаметра условного прохода стыкуемой трубы.
Из рисунков 39 можно сделать следующие выводы: - для арматуры без собственных опор более высокие средние значения декрементов колебаний соответствуют более низким частотным диапазонам. Т.е. значения декрементов колебаний арматуры, соответствующие частотам колебаний в диапазоне 0-10 Гц, в среднем выше значений, соответствующих частотам в диапазоне 10-20 Гц, которые в свою очередь выше значений, соответствующих частотам в диапазоне 20-30 Гц. Для арматуры с собственными опорами такая закономерность четко просматривается только для направления OZ; - зависимости средних значений декрементов от Ду для арматуры без собственных опор неоднозначны, и из-за слабого влияния Ду на ДК этим влиянием можно пренебречь; - для арматуры с собственными опорами для горизонтальных направлений ОХ и OY просматривается явная тенденция к снижению ДК. Для вертикального направления отмечен незначительный рост значений ДК.
На рисунке 40 приводятся зависимости минимальных значений декрементов колебаний, определенных автором, от диаметров условных проходов трубопроводов, построенные следующим образом: для каждого условного прохода в трех частотных диапазонах 0-10 Гц, 10-20 Гц и 20-30 Гц определены минимальные значения ДК; по полученным точкам (Ду; Дмин) строились зависимости в виде аппроксимаций полиномами 2-й степени. Значения приводятся с учетом фактора «малости возмущений» в виде коэффициента-множителя к=1,5 (пунктирные линии на графиках 40) и без учета фактора (сплошные линии).
Линейная (0-10 Гц) Линейная (10-20 Гц) Линейная (20-30 Гц) Рисунок 39. Зависимости декрементов колебаний трубопроводной арматуры без собственных опор (а, в, д) и с собственными операми (б, г, е) от диаметров стыкуемой трубы: а,б - зависимости для направления вдоль трубопровода (ОХ); в,г - зависимости для направления поперек трубопровода (OY); д,е - зависимости для направления вдоль штока арматуры (OZ) Автором впервые предлагается в случае отсутствия реальных экспериментальных данных принимать значения декрементов в соответствии с полученными диаграммами (рисунок 40), выведенными эмпирически по результатам многочисленных испытаний и связанными с набором параметров оборудования, условно характеризующих его жесткость (диаметр стыкуемой трубы, наличие опор, направление и собственная частота колебаний).
Следует отметить, что полученные минимальные значения декрементов (без учета фактора «малости возмущений») не превышают нормативного значения 0,02 из ПНАЭ Г-7-002-86 и находятся в диапазоне от 0,004 до 0,017. Минимальному значению 0,004 соответствуют зарегистрированные колебания с частотами в диапазоне 0-10 Гц арматуры без собственных опор Ду10-32 в направлениях OY и OZ, Ду 125-600 с частотами 20-30 Гц в тех же направлениях и колебания арматуры Ду 65-250 с собственными опорами с частотами 20-30 Гц в тех же направлениях. В направлении ОХ значению 0,004 соответствуют колебания арматуры без собственных опор Ду50-125 с частотами 10-20 Гц. С учетом фактора «малости возмущений» минимальные значения декрементов находятся в диапазоне от 0,006 до 0,026.
На рисунке 41 приводятся зависимости полученных автором минимальных значений декрементов трубопроводной арматуры от частоты колебаний с учетом дифференциации по условным проходам трубопроводов, предлагаемой в НП-031-01 (таблица 1): Вся рассматриваемая арматура разделяется только в две подгруппы: Ду 300 мм и Ду 300 мм.
Зависимости на рисунке 41 построены аналогично зависимостям на рисунке 40, только полученные точки (F; Дмин) аппроксимировались степенной функцией. Значения приводятся с учетом фактора «малости возмущений» в виде коэффициента-множителя к=1,5 (пунктирные линии на графиках 41) и без учета фактора (сплошные линии).
Из полученных графиков видно, что предлагаемые в НП-031-01 значения декрементов не соответствуют реально полученным экспериментальным данным, несмотря на четкую в данном случае дифференциацию по условному проходу трубопроводов (отсутствуют пересечения зависимостей для Ду 10-250 и Ду 300-600). Значения декрементов для арматуры «малых» диаметров отличаются от тех же значений для «больших» диаметров в направлениях ОХ и OY в среднем на 0,004, а не на 0,01, как в НП-031-01. Кроме того, значения декрементов существенно зависят от частоты и направления колебаний. С ростом частоты колебаний наблюдается уменьшение декремента в два и более раз. В направлении OZ минимальные значения декрементов колебаний арматуры с собственной опорой почти не изменяются на всём частотном диапазоне и составляют 0,006 для Ду10-250 и 0,011 для Ду 300-600.
Таким образом, предложенные автором зависимости (рисунок 40) для определения декрементов колебаний трубопроводной арматуры в случае отсутствия экспериментальных данных свидетельствуют о необходимости уточнения действующих нормативных требований. По мнению автора необходимо при расчетном обосновании сейсмостойкости учитывать несколько декрементов колебаний, соответствующих различным направлениям воздействий. Необходимо учитывать диаметр условного прохода стыкуемого трубопровода и принимать во внимание значения собственных частот колебаний. Это позволит задавать консервативные и максимально возможные, но экспериментально обоснованные нагрузки на арматуру от сейсмических воздействий.
Более того, прянятое в НД [25] однозначное влияние диаметра (рост декрементов при переходе от Ду 300 к Ду 300) качественно справедливо только при неизменной частоте. В общем же случае за счет влияния собственных частот такое влияние диаметра условного прохода трубопроводов необоснованно.
