Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в нашей стране остро стоит проблема обеспечения объектов, использующих ядерное топливо, (атомных электростанций, атомных подводных лодок и других) высококачественными транспортно-упаковочными комплектами (ТУК) для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) В пристанционных хранилищах накопилось значительное количество отработавшего ядерного топлива АЭС, что создает реальную угрозу экологической безопасности регионов, где эти станции расположены
Принятая в свое время и действующая до сих пор на единственном заводе (Ижорский машиностроительный завод) в нашей стране технология изготовления контейнеров из кованой легированной стали является весьма дорогой и не обеспечивает потребности в таких контейнерах Определенными недостатками обладают также железобетонные контейнеры Существенной экономии затрат использование бетона не дало Уменьшилась стоимость материалов, но возросли производственные издержки Очевидно, что и утилизация таких контейнеров в будущем будет существенно дороже, чем цельнометаллических Кроме того, из-за низкой теплопроводности бетона область применения контейнеров такого типа ограничена
В большинстве индустриально-развитых стран наиболее перспективным материалом по безопасности и технико-экономическим показателям для корпусов ТУКов признан высокопрочный чугун с шаровидным графитом с ферритной металлической основой (ВЧШГ)
Наряду с созданием и развитием отечественной технологии производства корпусов контейнеров из ВЧШГ, актуальной является проблема обеспечения в процессе изготовления необходимых прочностных характеристик контейнеров, соответствующих отечественным и международным требованиям, предъявляемым к таким изделиям
Целью работы является исследование характеристик механических свойств и трещиностоикости ВЧШГ в натурных многотоннажных отливках корпусов, анализ напряженного состояния и прочности контейнеров отечественного производства с корпусами из ВЧШГ в нормальных и аварийных условиях эксплуатации
В рамках настоящей диссертационной работы для достижения данной цели потребовалось решение следующих задач
1 Исследование механических свойств и характеристик трещиностоикости ВЧШГ в
отливках корпусов ТУК при статическом и динамическом нагружении,
-
Численное моделирование напряженного состояния в корпусах ТУКов при нормальных и аварийных условиях эксплуатации (пожар, падение на жесткое основание, удар о металлический штырь)
-
Определение допустимых размеров дефектов в корпусах ТУКов.
-
Исследование прочности опытных образцов ТУКов на основе проведения натурных динамических испытаний
Методы исследования
Экспериментальное исследование механических свойств и характеристик трещиностоикости при статическом и динамическом нагружении выполнялось на
современных сервогидравлических установках и инструментированном копре с записью диаграмм разрушения образцов Характеристики трещиностойкости определялись с использованием аппарата линейной и нелинейной механики разрушения
Расчетная часть работы выполнялась путем численного моделирования методом конечных элементов напряженного состояния и температурных полей в ТУКах в нормальных и аварийных условиях эксплуатации Расчет напряженного состояния осуществлялся в упругопластической постановке на основе теории течения с кинематическим упрочнением Динамические задачи решались с учетом больших пластических деформаций Натурные динамические испытаний опытных образцов
ТУКов проводились с использованием экспериментальных методов измерения ударных ускорений
Научная новизна Исследовано распределение характеристик механических свойств и вязкости разрушения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в крупногабаритных отливках корпусов ТУКов с толщиной стенки до 300 мм и весом до 40 т Определены параметры температурной зависимости вязкости разрушения Kjc(T) в форме мастер-кривой для заданной вероятности разрушения
На основе трехмерного конечноэлементного моделирования исследовано распределение напряжений в ВЧШГ с учетом различных механических свойств ферритной основы и шаровидного графита Показано, что наличие включений шаровидного графита снижает объемность напряженного состояния вдоль фронта трещины и тем самым способствует повышению вязкости разрушения
Разработаны конечноэлементные модели контейнеров ТУК-128, выполнен численный анализ полей температур и температурных напряжений в нормальных условиях эксплуатации и при пожаре, напряженного состояния и уровня перегрузок при ударе контейнера о жесткое основание при различной ориентации контейнера, исследована прочность контейнера при действии прокалывающей нагрузки - падении контейнера на штырь в зависимости от жесткости штыря
По данным расчетно-экспериментальных исследований определены допускаемые и критические размеры поверхностных и внутренних трещиноподобных дефектов в корпусах ТУК из ВЧШГ
Практическая ценность.
Результаты работы использовались при обосновании соответствия транспортно-упаковочного комплекта ТУК-128 требованиям федеральных и международных (МАГАТЭ) правил безопасности при транспортировании радиоактивных материалов, получении сертификата-разрешения в Государственном компетентном органе РФ на конструкцию транспортно-упаковочного комплекта ТУК-128, предназначенного для перевозки и временного хранения отработавших тепловыделяющих сборок исследовательских ядерных реакторов
Достоверность полученных результатов обеспечивается методологией исследований, основанной на трудах отечественных и зарубежных ученых, использованием аттестованной измерительной аппаратуры, проведением тестовых расчетов, сопоставлением результатов расчета и эксперимента, данными натурных испытаний Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы, разработке основных положений научной новизны и практической значимости,
выполнении численных расчетов и экспериментов, натурных испытаний, внедрении полученных результатов
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы были представлены на научных семинарах отдела прочности материалов и конструкций ЦНИИТМАШ, 5-й конференции пользователей профаммного обеспечения CAD-FEM GMBH, апрель 2007, Москва, 46 международной конференции "Актуальные проблемы прочности", 15-17 октября 2007 г, Витебск, Белоруссия По теме диссертации опубликовано 5 работ
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из четырех глав, выводов, списка литературы Работа содержит 145 страниц машинописного текста, 132 рисунка, 17 таблиц Список литературы включает 90 наименований
