Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса. Задачи исследований 9
1.1 Характеристика нормативных подходов к обеспечению целостности и работоспособности элементов АЭУ 10
1.2 Методы расчетного исследования работоспособности корпусного оборудования и трубопроводов 16
1.3 Влияние эксплуатационных факторов на трещиностойкость материалов корпусов и трубопроводов 26
1.4 Методы расчетного анализа целостности элементов АЭУ по критериям механики разрушения 33
1.5 Методы анализа процессов динамического взаимодействия элементов АЭУ с «летящими»(падающими) предметами 40
1.6 Вероятностные методы оценки работоспособности 48
1.7 Характеристика расчетных процедур концепции «течь перед разрушением» трубопроводов АЭУ 54
1.8 Выводы и задачи исследований 65
Глава 2 Методология расчетно-экспериментального обоснования концепции «течь перед разрушением» АЭУ 70
2.1 Общие положения 72
2.2 Методология детерминистского обоснования концепции «течь перед разрушением» 74
2.2.1 Анализ объекта исследований. Проверка соответствия требованиям НТД 74
2.2.2 Экспериментальные исследования материалов 75
2.2.3 Расчетные исследования в обоснование концепции ТПР 76
2.2.4 Методы расчетного анализа несущей способностикорпусного оборудования при контактных динамических воздействиях 84
2.3 Вероятностный анализ потери работоспособности элементов АЭУ по критериям механики разрушения 86
2.3.1 Основные положения 86
2.3.2 Математические модели расчетного анализа 87
2.3.3 Методы механики разрушения, применяемые в расчетных анализах 93
2.3.4 Критерии оценки предельных состояний 98
2.3.5 Алгоритм расчетного анализа потери работоспособности по критериям механики разрушения 105
2.3.6 Модель оценки вероятностных показателей 106
2.3.7 Описание программы "АНКОРТ" 108
2.4 Выводы 113
Глава 3 Исследования закономерностей развития трещин в корпусных сталях. определение характеристик трещиностойкости 116
3.1 Определение механических свойств корпусного материала 117
3.1.1 Механические свойства 117
3.1.2 Результаты испытаний на ударную вязкость 117
3.1.3 Исследование влияния технологии изготовления по сопротивлению разрушению 118
3.1.4 Определение характеристик трещиностойкости 123
3.2 Исследование механизмов развития сквозных и поверхностных трещин при статическом и циклическомнагружениях 126
3.2.1 Постановка испытаний 126
3.2.2 Результаты испытаний 129
3.3 Анализ результатов циклических испытаний 155
3.4 Анализ результатов статических испытаний 158
3.5 Выводы 168
Глава 4 Экспериментальные исследования условий реализации критерия течи в корпусах сосудов 169
4.1 Технические решения и задачи испытаний 170
4.2 Особенности усталостного развития трещин в корпусах и образование локальной нестабильности 175
4.3 Размеры неплотности корпуса со сквозной трещиной 187
4.4 Расчетный анализ кинетики трещин в корпусах и масштабов их разгерметизации 201
4.5 Уточнение методики расчетных исследований процессов и оценки масштабов разгерметизации корпуса реактора 214
4.6 Выводы 215
Глава 5 Исследование безопасности корпуса реактора АСТ-500 на основе концепции «течь перед разрушением» 217
5.1 Принципы обеспечения безопасности реакторной установки 218
5.2 Особенности конструктивного исполнения и изготовления корпуса реактора 227
5.3 Конструкционные материалы корпуса. Контроль дефектности в процессе изготовления и при эксплуатации 230
5.4 Условия эксплуатации реактора. Характеристика спектра нагружений 235
5.5 Анализ результатов теплогидравлических расчетов. Выбор режимов, определяющих прочность 237
5.6 Расчетный анализ напряженно-деформированного состояния в проектных условиях 239
5.7 Определение уровня напряженно-деформированного состояния головного корпуса в процессе гидравлических испытаний 253
5.8 Экспериментальные исследования устойчивости РУ к внешним воздействиям 256
5.9 Анализ закономерностей распространения трещин в корпусе реактора АСТ-500 259
5.10 Условия образования и оценка размеров разгерметизации корпуса реактора 271
5.11 Выводы 278
Глава 6 Обоснования безопасности аэу различного назначения с использованием концепции "течь перед разрушением" 281
6.1 Анализ несущей способности корпуса реактора АСТ-500 в авариях с полной потерей теплоотвода 281
6.2 Оценка вероятности разрушения системы "корпус реактора- корпус страховочный" РУ АСТ-500 284
6.3 Вероятностный анализ системы корпусов реакторной установки БН-600 294
6.4 Анализ вероятности потери работоспособности корпусов парогенератора ПГС-1000 303
6.5 Численные исследования ударного взаимодействия летящей крышки парогенератора с корпусом страховочным ВПБЭР-600 309
6.6 Анализ аварии, связанной с обрывом патрубка ГЦН 316
6.7 Выводы 325
Основные результаты и выводы 327
Литература 331
- Влияние эксплуатационных факторов на трещиностойкость материалов корпусов и трубопроводов
- Методы механики разрушения, применяемые в расчетных анализах
- Особенности усталостного развития трещин в корпусах и образование локальной нестабильности
- Расчетный анализ напряженно-деформированного состояния в проектных условиях
Введение к работе
Актуальность темы: Уровень безопасности атомных энергетических установок (АЭУ) характеризуется свойствами самозащищенности и живучести при проектных и запроектных авариях. К числу наиболее тяжелых из них относятся аварии, связанные с разгерметизацией контура циркуляции и потерей теплоносителя.
Для реакторных установок потеря герметичности опасна не только выходом радиоактивного теплоносителя за пределы контура, но и возможным нарушением теплоотвода от активной зоны, что может привести к недопустимым с точки зрения сохранения работоспособности и безопасного функционирования последствиям.
Современный подход к обоснованию безопасности АЭУ характеризуется применением концепции «течь перед разрушением» (ТПР), что позволяет отказаться от рассмотрения постулированной аварии гильотинного разрыва трубопроводов с двухсторонним истечением теплоносителя.
Автор принимал непосредственное участие в обосновании и допустимости такого подхода. Настоящая работа является обобщением исследований возможности и условий реализации концепции ТПР, проведенных при непосредственном участии автора, начиная с 70-х годов.
Доказательство в рамках концепции ТПР проектной разгерметизации элементов АЭУ ограниченными размерами снимает излишний консерватизм систем безопасности и существенно улучшает экономику АЭС.
Актуальность настоящей диссертационной работы связана с необходимостью выполнения принципиально нового требования нормативной документации 121 по обеспечению безопасности ACT «при повреждениях любого сосуда РУ в пределах возможной величины». Представленная работа соответствует планам НИОКР ОКБМ и директивным документам:
1. Распоряжение СМ СССР № 1312р от 14.0б.77г. о строительстве ACT;
2. Постановление СМ СССР № 515-179 от 09.04.83г. о повышении
эффективности, надежности и безопасности РУ ACT.
Положения, выносимые на защиту:
- методология обоснования концепции "течь перед разрушением" АЭУ;
результаты экспериментальных исследований закономерностей развития трещин и условий реализации критерия течи в элементах АЭУ;
результаты экспериментальной проверки критериев линейной и нелинейной механики разрушения, используемых для оценки работоспособности и потери несущей способности элементов АЭУ;
результаты практической реализации концепции "течь перед разрушением" применительно к корпусу реактора АСТ-500;
методика расчетного анализа потери работоспособности корпусного оборудования в вероятностной постановке;
результаты расчетных и экспериментальных исследований, выполненных в обоснование безопасности АЭУ различного назначения.
Практическая ценность работы. Основную практическую значимость в настоящей работе составляет сформулированная и обоснованная методология, давшая возможность создания инженерных методик, расчетных моделей и вычислительных программ, предназначенных для анализа безопасности проектируемых и эксплуатируемых АЭУ в рамках концепции "течь перед разрушением", а также результаты расчетных и экспериментальных исследований, полученных в настоящей работе.
Результаты выполненных исследований внедрены при обосновании безопасности реакторных установок типа ACT, АБВ, АСПТ, БН, ВГМ, ВПБЭР, ЛФ-2 и др..
Обоснованность положений, сформулированных в диссертации подтверждена комплексом представительных экспериментальных исследований и соответствующим теоретическим анализом результатов, накопленным мировым опытом проектирования, изготовления и эксплуатации объектов атомной энергетики, использованием современных достижений в области расчетного и экспериментального исследования работоспособности оборудования в проектных условиях и несущей способности в аварийных ситуациях.
При выполнении настоящей работы достоверность научных исследований и результатов обеспечена правильным выбором методик и моделей, прошедших экспериментальную проверку непосредственно на объектах путем термо- тензо- и
> 8
виброметрирования и другими методами испытаний. Методы и критерии механики
разрушения выбраны с учетом результатов испытаний крупномасштабных образцов и
моделей сосудов, изготовленных из широкоприменяемых материалов по штатной
технологии.
Результаты исследований получили поэтапное обсуждение и рассмотрение специалистами ведущих организаций и научных центров страны.
Важным мероприятием явилась экспертиза проекта АСТ-500 специалистами стран-участниц МАГАТЭ, а также российские и международные семинары по обсуждению проблем безопасности АЭУ.
Апробация результатов работы и публикации.
Основные результаты исследований по теме диссертации обсуждались на НТС и научно-технических семинарах ОКБМ, российских и международных научных конференциях и семинарах, при экспертизах проектов АЭУ.
По теме диссертации автором опубликовано свыше 30 научных трудов в виде статей в журналах, текстов докладов. Кроме того, выпущено более сорока научно-технических отчетов и обзоров в ОКБ Машиностроения.
Влияние эксплуатационных факторов на трещиностойкость материалов корпусов и трубопроводов
Коррозионная среда оказывает двоякое влияние на кинетику усталостных трещин. Она может способствовать разрушению, вызывая возникновение начальных концентраторов вследствие локальных анодных процессов и развитие из них трещин при совместном действии среды и напряжений.
Само развитие трещин преимущественно связывается с действием растягивающих напряжений / 44-48 /. При этом считается, что среда на докритическую скорость сказывается только во время возрастания нагрузки в цикле /47, 48, 49, 50, 51, 45, 46/.
Рост трещины может затормозиться при контакте со средой. Этот факт связан с явлением локальной деконцентрации, приводящей к увеличению радиуса кривизны ps устья трещины в результате интенсивного анодного растворения / 52-55 /. Рост радиуса кривизны приводит к уменьшению КИН, обратно пропорционального корню квадратному из рь /45/. Интенсивное растворение металла в вершине трещины вызывает чисто коррозионное подрастание / 56 /. Экспериментально Д.Дэвидсоном и Дж.Аэнкфордом /57/ установлено, что коррозионная среда вызывает смену характера разрушения с вязкого на хрупкое. Это объяснено тем, что активная среда изменяет объем деформируемого металла в вершине растущей трещины, уменьшая зону пластической деформации и увеличивая ее интенсивность / 58 - 60 /. В работах / 60, 61 / отмечено влияние на процессы упрочнения и разупрочнения. Коррозионная среда может изменять форму кинетической диаграммы усталостного разрушения /54, 62, 63/. Она (форма) определяется величиной порогового КИН KISCC, при котором начинается коррозия под напряжением при статическом нагружении. Если K1SCC больше циклической вязкости разрушения KfC, то процесс роста описывается "истинной коррозионной усталостью" /54, 63, 64/ т.е. совместным действием среды и циклического нагружения (рис. 1.3.а). При Klscc Kfc и Kmax Klscc доминирующая роль принадлежит коррозии под напряжением. Форма кривой роста в этом случае соответствует рис. 1.3.б, а сам процесс принято называть "усталостью при коррозии под напряжением". Возможна комбинация этих двух процессов (рис. 1.3.в). Авторы / 65, 66, 45, 67 / считают, что среда не оказывает практического влияния на статическую вязкость Кс . Большинство исследователей склонны также утверждать, что среда не оказывает воздействия на KfC. Наиболее известными являются две теории механизма коррозионно-усталостного разрушения: - электрохимическая Ю.Р. Эванса / 68 /; - адсорбционно-электрохимическая П.А. Ребиндера и Г.В. Карпенко. В основу первой теории положено представление о возникновении при действии на металл циклических напряжений и коррозионной среды специфических пар - дно концентраторов напряжений, их стенки и наружная поверхность металла. Анодные процессы локализуются по месту концентрации напряжений, что способствует преимущественному развитию. Эванс подчеркивает, что пары составляют относительно небольшие анодные и большие катодные участки. Это создает условия, для интенсивной коррозии.
Авторы второй теории доказывают, что при одновременном действии на металл циклической нагрузки и коррозионной среды происходят периодические микродеформирования, различные по интенсивности на нескольких его участках, а также адсорбционные, диффузионные и электрохимические процессы, активированные деформацией. Предполагается, что перед началом коррозионного процесса происходит адсорбция поверхностно-активных элементов среды (адсорбция ионов из электролита или целых молекул из слабых электролитов, а при коррозии с водной деполяризацией Кинематические диаграммы коррозионно-усталостного разрушения адсорбция водорода на катодных участках). Водород диффрундирует в область вершины трещины и скапливается в районе максимума 3-х-осных растягивающих напряжений /65,69-73 /, способствуя разрушению.
Существует еще целый ряд теорий / 74 /, которые лишь уточняют некоторые аспекты теории Ребиндера и Карпенко. Г.П. Черепанов / 67 / предложил теорию электромеханического механизма роста трещин. Он же, а также Тройано, Герберич, Ориан разработали теорию водородного охрупчивания. В работах /75, 161 показано, что коррозионно-усталостное разрушение происходит в результате одновременного действия обоих механизмов. Однако, /77, 78/ значимость каждого из них зависит от пары материал-среда. В работах /79 - 81/ показано, что развитие происходит в результате анодного растворения металлов кончика трещины и водородного охрупчивания. При низких КИН преобладает анодное растворение, а при высоких - водородный механизм. По мере возрастания КЙН влияние водорода ослабевает и при Ктах, близких к KfC становится несущественным / 63 /. Механизм водородного охрупчивания отстаивается в работах / 57, 82, 83 /. Подводя итог обзорному исследованию, автор пришел к выводу, что в расчетах кинетики трещин влияние среды может быть учтено простым увеличением скорости роста, либо введением соответствующего коэффициента запаса. Так, авторами / 84 / по результатам исследований коррозионно-усталостного разрушения сталей перлитного класса предложено учитывать воздействие теплоносителя с помощью коэффициентов запаса: nN = 1 - при коэффициенте асимметрии R = 0,1 - 0,2; Одним из главных факторов, определяющих долговечность корпусов реакторов, является влияние нейтронного облучения на прочность, пластичность и вязкость материалов.
Методы механики разрушения, применяемые в расчетных анализах
Метод является универсальным средством вероятностного анализа, применяемым в различных областях науки и техники. Этот метод широко применяется и для оценки надежности. Описание метода приведено в работах /198-202/.
Моделирование по методу Монте-Карло выполняется с целью вычисления интеграла по области отказов П На первом этапе формулируются случайные числа по одному на каждую случайную величину Xj - подчиняющиеся совместной плотности вероятности fx(xі, X2,...,Xn) Затем устанавливается, попала ли точка (xi, Х2,...,хп), построенная на этапе 1, внутрь области Q. Каждое повторение называется попыткой, а набор попыток -«моделированием». Вероятность отказа равна Pf = Nf INT , поскольку при интегрировании в пределах всех возможных значений (хь Х2,...,х„) значение интеграла должно равняться единице. Требуемое число попыток зависит от совместной плотности вероятности и от области отказов, а, следовательно, и от самой вероятности отказа. Как правило, число попыток должно быть больше, чем ниже вероятность отказа. Процесс нахождения вероятности отказа можно рассматривать как прямое моделирование явления разрушения. Этап 1 формирования случайной точки (хь Х2,...,хп) эквивалентно случайному выбору исследуемого сосуда давления. Этап проверки попадания построенной точки внутрь области отказов эквивалентен вычислению параметров нагрузки и несущей способности, а также их сравнению. Т.е. осуществляется проверка, произойдет ли отказ случайно выбранного сосуда давления. Подсчет числа попаданий сформулированных точек внутрь области отказов эквивалентен подсчету числа отказов случайно выбранных сосудов давления. Вероятность отказа будет оцениваться как отношение числа разрушившихся сосудов Nf одинакового устройства к полному числу сосудов NT. Таким образом, процедура моделирования по методу Монте-Карло можно рассматривать и как численное моделирование явления отказа, и как метод решения математической задачи вычисления интеграла. Значение вероятности отказа не является точным. Отличие расчетного значения от точного называется ошибкой. Методы снижения разброса в задачах оценки надежности сосудов давления и трубопроводов можно найти в работах /203-205, 206-210/. Метод Монте-Карло широко применяется для оценки надежности : сосудов давления по отношению к хрупкому разрушению /205, 206, 207, 211/; трубопроводов к хрупкому разрушению /195, 212-216/; сосудов давления по отношению к пластическим деформациям и потере устойчивости /209, 217-219/; устройств ЯЭУ по отношению к сейсмическим воздействиям /220-222/. Подводя итог обзорному анализу, ниже перечислены важнейшие практические приложения методов оценки надежности сосудов давления и ТП ЯЭЦ : анализ целостности корпусов реакторов при тепловом ударе /207,211,205/; надежность трубопроводов : влияние предварительного и эксплуатационного контроля, случайных и эксплуатационных нагрузок на вероятность гильотинного разрыва и двух-концевого истечения теплоносителя /216, 223, 224, 213, 215/. Показано, что вероятность разрыва труб от землятресения чрезвычайно мала; оценка целостности защитной оболочки при повышении внутреннего давления/218,219/; сейсмическая надежность компонентов АЭУ; Работы /74, 86-89/ продемонстрировали высокий уровень безопасности ЯЭУ по отношению к землетрясению. В работах /220, 222/ оценена вероятность разрыва ТП с трещиной за счет разрушения опор трубы или других рядом расположенных элементов. Показано, что вероятность лежит в пределах 10"5 - 10"6 , т.е. мала, но превышает вероятность гильотинного разрыва. в работах /225, 226/ исследовано влияние сочетания нагрузок. Показано, что расчет конструкций на сумму абсолютных значений пиковых нагрузок неверен. Нужно учитывать временные характеристики изменения нагрузок. последствия отказов сосудов давления - выбор имеет место установки сосудов и оптимальной постановки защитных барьеров - рассмотрены в /227/. анализ различных решений по конструкции, ремонту, графику контрольно проверочных работ и т.д. изложен в /228, 229, 230/. Результатом многолетних и целенаправленных исследований ученых, специализирующихся в области совершенствования технологий обеспечения безопасности объектов атомной энергетики, явилось создание нормативных процедур, регламентирующих применение концепции «течь перед разрушением». Следует отметить, что до настоящего времени во всех ведущих странах, обладающих объектами ядерной энергетики, указанные нормативы разработаны и введены в действие применительно к трубопроводам. В России первая «Методика...» М-ТПР-01-93 была разработана на основе положений норматива США /233/ и распространялась на расчеты трубопроводов в рамках концепции ТПР. В 1999 году введен в действие новый документ Р-ТПР-01-99 /232/, содержащий методологию и основные требования к процедуре применения концепции ТПР к трубопроводам АЭУ. Концепция ТПР США основана на двух нормативных процедурах NRC /NUREG-1061 /233/ и Standart Reviewplan 3.6.3 /234/. Расчетному анализу подлежат зоны сварных швов трубопроводов с высокой запасенной энергией, где имеется наибольшая вероятность возникновения и распространения дефектов. Область применения процедуры - трубопроводы номинальным диаметром более 150 мм, изготавливаемые из вязких материалов. Цель процедуры - демонстрация стабильности постулируемой сквозной трещины, обнаруживаемой средствами контроля, при воздействии максимальной аварийной нагрузки (например МРЗ).
Процедура основана на детерминированной механике разрушения, с применением которой ведутся обоснования стабильного состояния трубопровода с постулированной трещиной с введением коэффициентов запаса на максимальную расчетную нагрузку и размер обнаруживаемой сквозной трещины, на обнаруженные течи.
Особенности усталостного развития трещин в корпусах и образование локальной нестабильности
В настоящем разделе приведены основные результаты разработки методологии анализа условий потери работоспособности элементов АЭУ по критериям механики разрушения в вероятностной постановке. Процедура вероятностного анализа реализована в расчетном коде "АНКОРТ" / 282, 284/.
Предполагается, что рассматриваемый объект перед началом эксплуатации может иметь дефект в виде трещины, размеры которой (глубина и длина) являются независимыми случайными величинами с заданными законами распределения. Кроме того, объект характеризуется определенным набором механических свойств, значения которых также являются независимыми случайными величинами с заданными законами распределения.
В процессе эксплуатации объект подвергается воздействию статических и циклических нагрузок, которые приводят к росту исходного дефекта. При определенных значениях механических свойств в течение срока службы объекта может произойти потеря его работоспособности того или иного вида. Поставленная задача анализа потери работоспособности корпусной конструкции сводится к математическому описанию поведения дефекта, моделируемого трещиной способной к развитию, начиная с первого цикла нагружения. Рост трещины и условия реализации предельного состояния, наступающего вследствие ее развития, описывается критериями и методами механики разрушения.
Предлагаемая методика предусматривает оценку предельных состояний в хрупкой, квазихрупкой и вязкой областях. Для первой используются параметры и их критические значения линейной механики разрушения и коэффициент интенсивности напряжений (КИН). Для второй и третьей рекомендуется к использованию формализованный подход нелинейной механики разрушения при помощи коэффициента интенсивности деформаций (КИД) в интерпретации коэффициента условно упругих напряжений / 17 /. Такая постановка позволяет создать более экономичный (с точки зрения затрат машинного времени) алгоритм, использующий одни и те же алгоритмические выражения параметра трещиностойкости.
При оценке предельных состояний имеется возможность воспользоваться нормативными значениями механических свойств и характеристик трещиностойкости, полученных для основных используемых в реакторостроении корпусных сталей.
Расчетные модели построены на основе результатов известных ранее и выполненных в ОКБМ экспериментальных исследований развития трещин в корпусах сосудов. Они включают усталостный рост поверхностных трещин, реализацию предельных состояний хрупкого разрушения и локальной разгерметизации, а также проверку расчетных зависимостей по определению ее масштабов.
В качестве показателя надежности сосуда используется вероятность потери работоспособности на заданном интервале времени или в результате возникновения определенного переходного или аварийного режима. Для расчета указанного показателя используется метод дискретизации. С точки зрения эксплуатационной - потеря работоспособности корпуса сосуда давления проявляется в следующем: -потеря герметичности свыше допустимого размера (регистрируемого средствами контроля); -крупномасштабное разрушение корпуса, (сопровождающееся освобождением запасенной энергии, образованием осколков и летящих предметов, воздействием струй рабочего тела). Физически процесс потери работоспособности связан с поведением появившейся в процессе эксплуатации или присутствующей как следствие несовершенства технологии изготовления или монтажа, трещины в конструкции корпуса. В последнем случае процесс разрушения многостадиен: зарождение микродефектов, их рост под действием напряжений, слияние с соседними неоднородностями, образование микротрещин и их последующее развитие до предельного состояния. Исходя из предпосылки существования в корпусе оборудования исходного дефекта(ов), механизмы потери работоспособности характеризуются наступлением следующих предельных состояний: 1. Исходный дефект под воздействием циклически меняющейся нагрузки прорастает сквозь толщину стенки корпуса, образуя "точечную" разгерметизацию (рис.2.1а). Экспериментально показано, что подобный механизм разгерметизации реализуется для трещин начальной длины 2-Х,., не превышающей 2-3 толщин стенки корпуса, при напряжениях циклирования, не превышающих допускаемых "Нормами расчета на прочность..." для нормальных условий эксплуатации. 2. Исходный дефект под воздействием циклической нагрузки развиваясь, достигает предельной глубины ар и происходит упруго-пластический разрыв перемычки с образованием сквозной трещины ограниченного размера (см. рис.2.16). Результаты испытаний показывают, что размер возникающей сквозной трещины Х,с значительно (не менее, чем в 2 раза) меньше длины исходной трещины Х0. 3. Исходный дефект от воздействия усталостного нагружения достигает критических размеров ас,Хс и наступает хрупкое или вязкое разрушение сосуда, масштабы последствий которого трудно прогнозировать. Как уже отмечалось, нарушение физической сплошности металлов связано с наличием или зарождением и последующим развитием вследствие циклического нагружения трещиноподобных дефектов. Поэтому расчетный анализ потери работоспособности конструкции должен быть построен на численном исследовании поведения трещиноподобных дефектов и оценке предельного состояния, создаваемого вследствие его развития. Исходя из главного постулата о существовании в конструкции корпуса исходной трещины, полагая тем самым в запас прочности отсутствие стадии зарождения, последовательность расчетного анализа процесса работоспособности должна быть следующая: х 1. Наличие исходного дефекта(ов) с некоторой вероятностью и, следовательно, пропуск в эксплуатацию корпуса с трещиной, способной развиваться, означает, что первое же нагружение механического и температурного происхождения может привести либо к лавинообразному, либо к стабильному росту.
Расчетный анализ напряженно-деформированного состояния в проектных условиях
Известно, что такая оценка успешно выполняется при помощи кинетического уравнения усталостного разрушения, связывающего скорость роста (увеличение характерных размеров) дефекта с количеством циклов нагружения.
Естественно, расчет усталостного развития трещины должен закончиться оценкой возникающего предельного состояния вследствие достижения критических размеров. По сути, это повторение первого этапа расчетной модели, проводимого с текущим (изменяющимся от цикла к циклу) значением размера трещины. Особенность заключается в том, что в данном случае ответ на поставленный вопрос о механизме потери работоспособности - крупномасштабное разрушение или потеря герметичности.
В процессе оценки предельного состояния, вызываемого изменяющейся или развивающейся трещиной, важное значение имеет его правильное описание. В мировой практике различают три предельных состояния тел с трещинами: хрупкое, квазихрупкое и вязкое. Их реализация находится в зависимости от конфигурации рассматриваемого элемента корпуса, характеристик материала (трещиностойкости, механических свойств), уровня действующих напряжений, включая термосилового происхождения и остаточные, а также воздействие на трещиностойкость факторов, сопутствующих работе реактора (радиационное охрупчивание. коррозионное воздействие среды и т.п.). Расчет в хрупкой области проводится методами линейной механики разрушения с использованием КИН и температурных зависимостей вязкого разрушения от приведенной температуры Т - Ть (где Т - температура эксплуатации, Тк критическая температура хрупкости). В квазихрупкой и вязкой областях расчет выполняется методами нелинейной механики разрушения. Элементы корпусов и ТП, изготавливаемые из коррозионностойких сталей аустенитного класса и не подвергающиеся облучению, оцениваются только по предельным пластическим состояниям. 4. Заключительным этапом расчетного анализа потери работоспособности является оценка предельного состояния, приводящего к потере герметичности корпуса (ТП) и его размеров. С технической точки зрения при создании определенных условий потеря герметичности дефектного корпуса (ТП) наступит гораздо раньше, чем он разрушится. Оценка подобной ситуации связана с анализом условий выполнения критерия "течь перед разрушением". Расчетные и экспериментальные исследования показывают, что количественный анализ условий реализации критерия течи сводится к оценке конечной стадии развития поверхностной трещины разрыва перемычки между движущимся фронтом и поверхностью стенки. Важное, с точки зрения безопасности, значение имеет знание масштабов разгерметизации, количества теряемой рабочей среды во времени. Оценка исследований аварийной разгерметизации сводится к определению расхода теплоносителя через образовавшуюся несплошность металла корпуса (ТП). Для этого необходимо знать эквивалентную площадь раскрытия сквозной трещины под действием напряжения. 5. В процессе эксплуатации материалы корпусного оборудования т ТП ЯЭУ (в первую очередь, корпуса реактора) работают в уникальных условиях одновременного воздействия циклических и статических термомеханических нагрузок, высокой температуры, радиационного потока и коррозионной среды, которые могут оказать существенное влияние на поведение трещины. В связи с этим, безусловно, расчетные модели должны учитывать те из них, которые могут повлиять и на рост дефекта и на реализацию предельного состояния. 5.1 Влияние коррозионной среды на кинетику усталостных трещин. С практической точки зрения нужно согласиться с мнением большинства исследователей, что в расчетах кинетики трещин влияние среды может быть учтено простым увеличением скорости роста. Одним из главных факторов, определяющих долговечность корпусов реакторов является влияние нейтронного облучения на прочность, пластичность и вязкость материала. Исходным моментом радиационного повреждения являются смещения атомов из узлов кристаллической решетки вследствие соударений с нейтронами и образование точечных дефектов вакансий и межузловых атомов. Характерной особенностью облучения является возникновение в металле микроскопических областей структурного повреждения с высокой концентрацией точечных дефектов. Под влиянием температуры состояние повреждения меняется в результате миграции точечных дефектов, сопровождаемой образованием и диссоциацией скоплений. Влияние радиационного повреждения на прочность и пластичность стали выражается в повышении предела текучести Rpoj и приближении его к пределу прочности Rm. , а также в уменьшении относительного удлинения S. Исследования совместного воздействия коррозионной среды и облучения показали, что скорость роста незначительно возросла лишь для металла сварного шва, облученного до флюенса 8«1022м"2. Установлено также, что скорость роста в облученных перлитных сталях до флюенса 3.4 1022м"2 и 4.5 1023м"2 [Е 1мэв) не увеличивается по сравнению с необлученными. 5.3 При исследовании зависимости сопротивления корпусной стали разрушению от температуры выявлена особенность: с повышением температуры происходит увеличение абсолютных значений скорости роста трещин da/dN. Причиной является процесс деформационного старения материала, развивающийся при совместном действии пластической деформации и температуры. Деформационное старение проявляется в снижении пластичности и некотором повышении предела текучести. Для него характерно наиболее интенсивное проявление в узком интервале температур. Методика учета температурного старения изложена в "Нормах расчета на прочность...". 6. Большое влияние на результаты расчетных оценок могут оказать факторы, связанные с технологией изготовления и инспекционными проверками.
Первое предполагает учет остаточных напряжений в металле корпуса, которые практически присутствуют всегда, несмотря на проведение термообработки. Их величина может достигать весьма существенных значений. В частности, при отсутствии специальных экспериментальных обоснований, нормативная документация рекомендует принимать их равными пределу текучести металла. Поскольку остаточные напряжения самоограничивающиеся, их следует учитывать при анализе усталостного роста трещины.
