Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ проблемы обеспечения работоспособности коллекторов горизонтальных ПГ 11
1.1 Динамика возникновения повреждений 11
1.2 Механизм повреждения 13
1.3 Предотвращение повреждений коллекторов парогенераторов 19
1.3.1 Меры по предотвращению повреждений коллекторов в зоне перфорации 19
1.3.2 Меры по предотвращению повреждений коллекторов в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ 21
1.4 Задачи исследований 26
Выводы 26
2 Расчетный анализ напряженного состояния коллектора 28
2.1 Постановка задачи 28
2.2 Исходные данные 28
2.2.1 Компоновка РУ с ВВЭР-1000 28
2.2.2 Рабочие условия 31
2.2.3 Материалы 31
2.3 Методика расчета 32
2.3.1 Нагружающие факторы 32
2.3.2 Расчетная область 33
2.3.3 Сетка конечных элементов 34
2.4 Результаты расчета напряженного состояния коллектора 38
2.4.1 Действие давления гидравлических испытаний по первому контуру 38
2.4.2 Действие давления гидравлических испытаний по второму контуру 41
2.4.3 Действие расчетного давления по первому и второму контурам 43
2.4.4 Действие температурного поля в номинальном режиме 44
2.4.5 Действие рабочего давления по первому и второму контурам и температурного поля 47
2.4.6 Сопротивление в опорах парогенератора при разогреве 48
2.4.7 Сопротивление в опорах парогенератора при расхолаживании 50
2.4.8 Монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода 51
2.4.9 Воздействие трубного пучка на коллектор 52
2.5 Анализ напряженного состояния коллектора 55
Выводы 60
3 Конструктивные меры по снижению напряжений в коллекторах ПГ и численное исследование их эффективности 61
3.1 Снижение напряжений в коллекторах вновь разрабатываемых парогенераторов 61
3.2 Снижение напряжений в коллекторах действующих парогенераторов 67
3.2.1 Использование механических устройств 67
3.2.2 Температурный метод снижения напряжений 71
3.3 Влияние снижения напряжений на циклическую повреждаемость узла соединения коллектора с корпусом 82
Выводы 93
4 Экспериментальное исследование метода снижения напряжений 95
4.1 Экспериментальная установка 95
4.2 Численное моделирование эксперимента 104
4.3 Результаты эксперимента на физической модели 111
4.4 Сравнение результатов численного моделирования и экспериментов на физической модели 117
Выводы 122
Заключение 123
Список литературы 125
- Меры по предотвращению повреждений коллекторов в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ
- Действие давления гидравлических испытаний по второму контуру
- Использование механических устройств
- Сравнение результатов численного моделирования и экспериментов на физической модели
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время на АЭС в России, как и во всем мире, наблюдается преобладание ядерных реакторов, охлаждаемых водой под давлением. В последние годы объемы строительства и ввода в эксплуатацию новых мощностей АЭС в России заметно возросли. Этому способствует Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», в которой предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР. В России разрабатываются проекты перспективных реакторных установок с реакторами ВВЭР-600, ВВЭР-1200 и ВВЭР-ТОИ.
Одним из важнейших компонентов АЭС с ВВЭР является парогенератор (ПГ), значительно влияющий на надежность и безопасность всей реакторной установки (РУ). В настоящее время все разрабатываемые проекты РУ планируется оснащать современными парогенераторами, такими как ПГВ-1000МКП, ПГВ-1000МКО. Одними из основных элементов горизонтального парогенератора являются цилиндрические коллекторы, вертикально соединенные с корпусом ПГ сварным соединением № 111. Коллектор теплоносителя является узлом закрепления теплообменных труб и границей, сдерживающей радиоактивную среду первого контура.
Опыт эксплуатации ПГ с ВВЭР-1000, оснащенных парогенераторами ПГВ-1000 и ПГВ-1000М, показывает, что конструкция коллектора теплоносителя наряду с многочисленными достоинствами имеет ряд недостатков, приводящих в совокупности с условиями эксплуатации к повреждениям коллекторов и простоям энергоблоков.
Наиболее масштабные повреждения, повлекшей за собой простои и недовыработку электроэнергии на АЭС, возникли в перфорированной зоне "холодных" коллекторов. Первое повреждение коллектора в перфорированной зоне было обнаружено в 1986 г. на ПГ-1 2-го блока Южно-Украинской АЭС. В дальнейшем аналогичные повреждения были обнаружены на 25-ти парогенераторах. В середине 90-х данная проблема была решена путем совершенствования конструкции перфорированной зоны коллектора, технологии закрепления теплообменных труб и оптимизации условий эксплуатации, в результате чего повреждения коллекторов в зоне перфорации прекратились.
Однако, в настоящее время отмечаются повреждения в узле присоединения коллекторов теплоносителя к патрубку Ду1200 корпуса парогенератора ПГВ-1000М - в зоне
сварного соединения № 111. Первые повреждения были обнаружены на ПГ-1 блока №5 НВАЭС в 1998 году. В дальнейшем (до момента написания данной работы), подобные повреждения были обнаружены на 17 парогенераторах и на пяти из них повторно. Разработка мероприятий по предотвращению повреждений в узлах присоединения коллекторов к корпусу парогенератора ПГВ-1000М является сложной научно-технической задачей, которая до настоящего времени не решена, и повреждения продолжаются.
Актуальность диссертационной работы заключается в разработке оптимизированного, с точки зрения напряженного состояния, узла соединения коллектора теплоносителя с корпусом парогенератора для новых АЭС с ВВЭР, а также в разработке мероприятий, позволяющих повысить надежность и долговечность коллекторов теплоносителя парогенераторов существующих блоков АЭС с ВВЭР.
Цель научного исследования
Целью диссертационной работы является изучение и исследование работоспособности коллекторов теплоносителя ПГ, а также разработка мероприятий для обеспечения надежной эксплуатации узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенератора реакторной установки ВВЭР-1000 за счет эффективного снижения остаточных и эксплуатационных напряжений в зоне сварного соединения № 111.
Научная новизна
В результате проведенных исследований:
- выполнен анализ закономерностей повреждений и основных повреждающих
факторов узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенератора;
выявлена аналогия между повреждениями коллектора теплоносителя в перфорированной зоне и повреждениями узла присоединения коллектора в зоне сварного соединения № 111. Установлена важная роль напряженного состояния в повреждениях узла присоединения коллектора к корпусу ПГ. Предложены методы снижения напряжений в коллекторах действующих и проектируемых АЭС с ВВЭР;
разработан, обоснован расчетами и экспериментально подтвержден метод снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения его наружной поверхности воздухом;
для вновь проектируемых парогенераторов выполнена модернизация конструкции узла присоединения коллектора к патрубку корпуса, позволившая снизить напряжения в данном узле на 40 %.
Научная и практическая значимость
Разработанный метод снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом позволяет повысить надежность и увеличить ресурс коллектора теплоносителя эксплуатируемых ПГ с ВВЭР-1000.
Экспериментальные данные по исследованию возможности снижения напряжений в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса ПГ путем охлаждения данного узла воздухом нашли отражение в РКД на кожух коллектора теплоносителя, которым в ближайшее время планируется оснастить коллекторы теплоносителя действующих ПГ АЭС с ВВЭР-1000.
Метод по снижению напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом может быть использован при решении аналогичных задач на других узлах и элементах РУ АЭС.
В парогенераторах РУ вновь разрабатываемых и сооружаемых энергоблоков проектов АЭС 2006, АЭС «Белене», АЭС с ВВЭР-ТОИ применена модернизированная конструкция коллектора теплоносителя, позволившая снизить напряжения в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ на 40 %. Такие парогенераторы уже изготовлены для НВАЭС-2 и ЛАЭС-2.
Достоверность
Достоверность расчетных данных подтверждается использованием апробированных инженерных методик расчета, применением верифицированных программных кодов и сходимостью расчетных характеристик с данными, полученными экспериментально.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных методов измерения и повторением каждого из экспериментов.
Личный вклад автора
Автор диссертационной работы:
- непосредственно участвовал в исследованиях повреждений узлов присоединения
коллекторов к патрубкам парогенераторов ПГВ-1000М;
разработал методы снижения уровня напряжений в узлах присоединения коллекторов парогенераторов новых проектов и находящихся в эксплуатации на АЭС, а также провел необходимые расчетные обоснования;
провел модернизацию конструкции коллектора теплоносителя, обеспечившую снижение напряжений в узле присоединения к патрубку корпуса парогенератора для проектируемых и строящихся АЭС с ВВЭР.
- принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях влияния наружного охлаждения на уровень напряжений в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса ПГ.
На защиту выносятся
Результаты расчетов и экспериментальных исследований напряжений в узле присоединения коллектора к патрубку корпуса парогенератора.
Модернизированная конструкция коллектора теплоносителя для проектируемых и строящихся АЭС с ВВЭР.
Результаты разработки и исследований метода снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем наружного охлаждения.
Апробация работы
По результатам работы сделаны сообщения: на 5-й и 6-й Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ( Подольск 2007 г. и 2009 г.); конференции молодых специалистов ОКБ "Гидропресс" (Подольск 2007 г. и 2008 г.); 7-м Международном семинаре по горизонтальным парогенераторам (Подольск 2006 г.); Молодежной международной конференции по энергетике ( Будапешт, Венгерская республика 2007 г.); молодежной международной конференции «Полярное сияние» ( Санкт-Петербург 2009 г.).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 научных работах и докладах, из них 4 в ведущих рецензируемых научно-технических журналах «Вопросы атомной науки и техники», вып. 19, 2007 г. и вып. 21, 2008 г., «Атомная энергия», том 104, вып. 1, январь 2008 г., «Теплоэнергетика» №3, март 2011 г., а также в описаниях к двум патентам на полезную модель (№ 69199 от 10.12.2007 г. и № 85607от 10.08.2009 г).
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, изложена на 128 листах, включая 100 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 38 наименований.
Меры по предотвращению повреждений коллекторов в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ
Рассмотрим причины влияния факторов, приводящих к повреждению коллекторов в перфорированной зоне по механизму ЗДКР.
Причиной влияния температуры как фактора, приводящего к повреждению, является существенное снижение деформационной способности стали 10ГН2МФА в температурном интервале 260 -275 С, совпадающим с температурным режим эксплуатации «холодного» коллектора парогенератора. Снижение деформационной способности в определенном интервале температур является особенностью и других легированных сталей.
Причиной влияния коррозионно-активной среды как фактора, приводящего к повреждению, являлось накопление коррозионно-активных примесей в зазоре между теплообменными трубками и стенками отверстий перфорированной зоны коллектора парогенератора. Образование зазора обусловлено особенностью взрывной технологии раздачи теплообменных труб (не на всю толщину коллектора). При работе ПГ имелись случаи нарушения ВХР второго контура, при которых увеличивалось содержание коррозионно-активных примесей в воде ПГ.
Причиной формирования высокого уровня напряжений - фактора, приводящего к повреждению, являлось наличие в конструкции коллектора геометрически неоднородной перфорированной зоны и технология раздачи теплообменных трубок в коллекторе при помощи энергии взрыва. Наличие одностороннего неперфорированного клина в коллекторе также способствует концентрации напряжений. Другая сторона коллектора равномерно перфорирована отверстиями. Все повреждения коллекторов возникали в перфорированной зоне над неперфорированным клином. Технология раздачи теплообменных труб в коллекторе при помощи энергии взрыва явилась одной из наиболее значимых причин возникновения остаточных напряжений. Для определения НДС зоны клина коллектора использовался метод фотоупругости на моделях из оптически чувствительного материала на основе эпоксидной смолы. Как показали эксперименты, проведенные на смоляных моделях, напряжения в зоне клина могли достигать 700 МПа [9,10].
Рассмотрим проведенные мероприятия по исключению факторов, приводящих к повреждению в действующих ПГ. Температурный фактор исключен быть не мог, так как невозможно изменить свойства стали коллектора, а тем более и саму сталь в действующем ПГ. Также нельзя изменить и температурный режим эксплуатации парогенератора, так как он выбирался при проектировании РУ.
Для исключения воздействия коррозионно-активной среды, как фактора приводящего к повреждению, были ужесточены нормы ВХР. Была модернизирована система раздачи питательной воды парогенератора [11], что привело к уменьшению содержания примесей в воде второго контура возле коллекторов.
Исследования влияния шлама, состоящего из оксидов меди и железа, на склонность стали 10ГН2МФА к ЗДКР показали, что при концентрациях оксида меди в шламе менее 10 % ЗДКР не проявляется [6]. Из этого напрашивается рекомендация, что для предотвращения процесса ЗДКР необходимо исключить медьсодержащие сплавы из оборудования второго контура.
Были разработаны и реализованы мероприятия, направленные на снижение остаточных технологических напряжений, такие как разневоливание коллекторов и низкотемпературная термообработка участков закрепления труб в коллекторах и самих коллекторов. Для разневоливаниия проводилась механическая обработка внутренней поверхности патрубков Ду 800 парогенераторов, в результате чего коллектора освобождались от защемления вследствие изгиба оси коллектора при закрепления теплообменных труб энергией взрыва. В результате разневоливания фланец коллектора мог свободного перемещаться, тем самым разгружая перфорированную зону. Низкотемпературная термообработка при 450С перфорированной зоны коллектора способствовала релаксации технологических напряжений и снижению их уровня.
После проведения комплекса приведенных мероприятий повреждения коллекторов в перфорированной зоне прекратились, что говорит о их высокой эффективности.
Рассмотрим проведенные мероприятия по исключению факторов, приводящих к повреждению коллектора теплоносителя в зоне клина, для вновь проектируемых ПГ (с 1991 года). Температурный режим эксплуатации парогенератора изменен не был, так как он выбирался при проектировании РУ. Для исключения воздействия коррозионно-активной среды как фактора, приводящего к повреждению, были ужесточены нормы ВХР и проведена механическая довальцовка теплообменных трубок на выходе из коллектора. Это мероприятие устранило зазор, в котором происходило накопление и концентрация примесей.
Проведено конструктивное сглаживание неперфорированного "клина", в результате чего была уменьшена концентрация напряжений в этой области. Взамен раздачи трубок в коллекторе энергией взрыва введена новая технология гидравлической раздачи, благодаря чему на порядок были уменьшены остаточные технологические напряжения от этой операции.
Для наглядности мероприятия по исключению факторов, приводящих к повреждению коллекторов в перфорированной зоне, показаны в виде схемы на рисунке 1.10. Рядом с каждым проведенным мероприятием указывается некоторое количество плюсов, с помощью которых оценивается эффективность проведенных мероприятий: один плюс - мероприятие слабой эффективности; два плюса - средняя эффективность; три плюса - высокая эффективность проведенного мероприятия.
Из рисунка 1.10 видно что для новых парогенераторов, по сравнению с действующими, проведен значительно больший объем мероприятий направленных на исключение возможности повреждения коллекторов в перфорированной зоне. Так как на действующих ПГ повреждения в данной зоне прекратились, то возможность возникновения таких повреждения на новых ПГ практически исключена.
Анализ причин возникновения факторов, приводящих к повреждению коллекторов в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ (зона сварного соединения № 111), проведен аналогично рассмотренному ранее анализу по повреждениям коллекторов в перфорированной зоне [12]. Влияние температуры как фактора, приводящего к повреждению, связано со свойствами материала и режимом эксплуатации парогенератора (рассмотрено выше).
Воздействие коррозионно-активной среды обусловлено конструкцией "кармана" коллектора и условиями эксплуатации парогенератора. Конструктивно "карман" коллектора является узким зазором между коллектором и патрубком корпуса. "Карман" является наиболее низкой точкой во втором контуре парогенератора. Здесь идет интенсивное накопление коррозионно-активных примесей и шлама, особенно при неоптимальном ВХР и неудачном алгоритме работы системы продувки [13]. При работе ПГ имелись случаи нарушения ВХР второго контура, при которых увеличивалось содержание коррозионно-активных примесей в воде ПГ и, как следствие, в "кармане" коллектора. В некоторых случаях эксплуатации ПГ линии по которым осуществлялась продувка кармана, были полностью забиты твердыми шламовыми отложениями.
Действие давления гидравлических испытаний по второму контуру
Первоначально расчет влияния давления гидравлических испытаний по первому контуру на область сварного соединения № 111 проведен для расчетной области реакторной установки "малой" серии.
При расчете влияния давления гидравлических испытаний по первому контуру на область сварного соединения № 111 в качестве кинематических граничных условий задается запрещение нормальных перемещений по плоскостям четырех опор парогенератора, по плоскости опор ГЦН и по плоскости опоры реактора. В плоскости осевого разреза реактора также задается запрещение нормальных перемещений. По внутренней поверхности цилиндрической части реактора задается запрещение поворота относительно своей оси. Таким образом, реактор зафиксирован по всем направлениям и может только увеличиваться по диаметру и высоте от действия давления по первому контуру или температурного поля. Парогенератор и ГЦН могут свободно перемещаться в плоскости своих опор, что имитирует роликовые катки в опорах.
В качестве силовых граничных условий задаётся действие давления гидравлических испытаний по первому контуру. Действие давления на не рассмотренные в расчетной области крышку реактора и крышки коллекторов теплоносителя заменено соответствующей распределенной силой.
Расчетная модель реакторной установки "малой" серии показана на рисунке 2.11. Расчетная модель реакторной установки серии 320 аналогична РУ "малой" серии.
В результате расчета определены все составляющие напряжений. Так как повреждения коллектора в зоне сварного соединения № 111 происходит под действием растягивающих напряжений, то для анализа напряженно-деформированного состояния рассмотрены величины только наибольших главных напряжений. На галтели «кармана» коллектора наибольшие главные напряжения совпадают с осевыми растягивающими напряжениями.
Распределение напряжений по внутренней поверхности узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 корпуса ПГ ("кармана" коллектора), для удобства, рассматривается по линии перехода галтели во внутреннюю поверхность патрубка Ду 1200 на расстоянии 20 мм от дна "кармана" коллектора (далее под распределением напряжений у галтели "кармана" коллектора подразумевается распределение напряжений по данной линии перехода). Максимальные напряжения во многих расчетных случаях располагаются ниже линии перехода галтели во внутреннюю поверхность патрубка Ду 1200 на поверхности галтели "кармана" коллектора. На графике распределения напряжений у галтели "кармана" коллектора экстремум функции совпадает по окружной координате с максимальным значением напряжения на поверхности галтели. Значения максимальных главных напряжений для всех рассмотренных случаев нагружения приведено в разделе 2.4.
Распределение главных напряжений у галтели "кармана" коллектора для РУ «малой» серии и серии 320 показано на рисунках 2.12 и 2.13 соответственно. На рисунке 2.12 (и на всех последующих аналогичных рисунках) за 0 принята длинная образующая патрубка Ду 1200 корпуса ПГ, 90 соответствуют средней образующей, ближайшей к центру центральной обечайки корпуса ПГ, 180 соответствуют короткой образующей, а 270 соответствуют средней образующей, ближайшей к днищу ПГ.
В качестве кинематических граничных условий задается запрещение нормальных перемещений по плоскостям четырех опор парогенератора, по плоскости опор ГЦН и по плоскости опоры реактора. В плоскости осевого разреза реактора так же задается запрещение нормальных перемещений. По внутренней поверхности цилиндрической части реактора задается запрещение поворота относительно своей оси. Таким образом, реактор зафиксирован по всем направлениям и может только увеличиваться по диаметру и высоте от действия давления по первому контуру или температурного поля. Парогенератор и ГЦН могут свободно перемещаться в плоскости своих опор, что имитирует роликовые катки в опорах.
В качестве силовых граничных условий задаётся действие давления гидравлических испытаний по второму контуру. Действие давления на не рассмотренные в расчетной области днища ПГ, крышки патрубков Ду 800 корпуса ПГ и крышки коллекторов теплоносителя заменено соответствующей распределенной силой.
Эпюра главных напряжений у галтели "кармана" "горячего" коллектора РУ «малой» серии показана на рисунке 2.14. Распределение главных напряжений у галтели "кармана" коллектора для РУ «малой» серии и серии 320 показано на рисунках 2.15 и 2.16 соответственно.
В качестве кинематических граничных условий задается запрещение нормальных перемещений по плоскостям четырех опор парогенератора, по плоскости опор ГЦН и по плоскости опоры реактора. В плоскости осевого разреза реактора так же задается запрещение нормальных перемещений. По внутренней поверхности цилиндрической части реактора задается запрещение поворота относительно своей оси. Таким образом, реактор зафиксирован по всем направлениям и может только увеличиваться по диаметру и высоте от действия давления по первому контуру или температурного поля. Парогенератор и ГЦН могут свободно перемещаться в плоскости своих опор, что имитирует роликовые катки в опорах.
В качестве силовых граничных условий задаётся действие давления по первому и второму контурам. Действие давления на не рассмотренные в расчетной области крышку реактора, днища ПГ, крышки патрубков Ду 800 корпуса ПГ и крышки коллекторов теплоносителя заменено соответствующей распределенной силой.
Использование механических устройств
Анализируя распределения значений главных напряжений, максимальные значения этих напряжений на галтели "кармана" "горячего" коллектора и места обнаружения повреждений для РУ "малой" серии и серии 320 можно сделать следующие выводы: - действие давления гидравлических испытаний по первому контуру характеризуется наличием одного экстремума главных напряжений о\=36 МПа и не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние зоны сварного соединения № 111; - действие давления гидравлических испытаний по второму контуру характеризуется наличием двух экстремумов главных напряжений. Напряжения в экстремумах практически одинаковы между собой для РУ "малой" серии и серии 320 и составляют аі 470 МПа. Экстремумы располагаются по средним образующим патрубка Ду 1200 со смещением к короткой образующей. Расположение экстремумов главных напряжений коррелирует с местами обнаружения повреждений, а в случае с повреждениями на НВАЭС 5ПГ-2 и 5ПГ-4 обнаруженные дефекты полностью совпали с одним из экстремумов. Хотя при проведении гидравлических испытаний по второму контуру уровень температуры недостаточен для развития процесса ЗДКР, дефекты могут получать развитие по усталостному механизму; - действие расчетного давления по первому и второму контурам не может в реальной конструкции существовать без температурного поля и рассматривается здесь только для анализа влияния последнего на перераспределение напряжений. Данный режим характеризуется наличием двух экстремумов главных напряжений, расположение которых совпадает с расположением экстремумов от действия давления гидравлических испытаний по второму контуру, но их уровень существенно меньше ai 320 МПа; - действие рабочего давления по первому и второму контурам и температурного поля (номинальный режим) характеризуется наличием двух экстремумов главных напряжений. Учет температурного поля для РУ «малой» серии привел к увеличению напряжений в экстремуме около средней образующей патрубка Ду 1200 со стороны «горячего» днища и небольшому его смещению к короткой образующей. Данный экстремум практически совпадает с зоной всех первичных повреждений на РУ «малой» серии, что свидетельствует о наличии условий для роста дефектов в номинальном режиме эксплуатации. Учет температурного поля для РУ серии 320 привел к неравномерному снижению обоих экстремумов главных напряжений. Обнаруженные дефекты частично совпадают с одним из экстремумов, что также свидетельствует о наличии условий для роста дефектов в номинальном режиме эксплуатации. Особенно интересно отметить, что экстремум главных напряжений находится на галтели «холодного» коллектора и смещен от средней образующей патрубка Ду 1200 со стороны «холодного» днища в сторону короткой образующий. На сегодняшний момент обнаруженные повреждения на ШГ-4 БлкАЭС и на 2ПГ-2 ЗАЭС находятся в непосредственной близости от экстремума главных напряжений на галтели «холодного» коллектора; - сопротивление в опорах парогенератора при разогреве для РУ «малой» серии характеризуется наличием одного экстремума главных напряжений а і =29 МПа, сдвинутого от длиной образующей патрубка Ду 1200. Данные напряжения не оказывают существенного влияния на напряженно-деформированное состояние зоны сварного соединения № 111. Для РУ серии 320 сопротивление в опорах парогенератора при разогреве характеризуется наличием одного экстремума главных напряжений расположенного в зоне всех обнаруженных первичных повреждений. Данный факт говорит о том, что сопротивление в опорах ПГ при разогреве является фактором, усугубляющим напряженно-деформированное состояние зоны сварного соединения № 111 парогенератора РУ серии 320;- сопротивление в опорах парогенератора при расхолаживании РУ характеризуется обратной картиной по сравнению с разогревом РУ. Так в «горячем» коллекторе РУ «малой» серии имеется один экстремум расположенный четко в зоне всех обнаруженных первичных повреждений. В РУ серии 320 экстремум главных напряжений сдвинут от длиной образующей патрубка Ду 1200 и не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние зоны сварного соединения № 111; - монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода для РУ «малой» серии характеризуется наличием области действия растягивающих напряжений от длинной образующей патрубка Ду1200 до средней образующей ближней к центру ПГ, что не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние зоны сварного соединения № 111. Для РУ серии 320 монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода приводит к росту растягивающих напряжений в зоне всех обнаруженных первичных повреждений и является фактором, усугубляющим напряженно-деформированное состояние зоны сварного соединения № 111; - воздействие трубного пучка на коллектор слабо влияет на напряженное состояние зоны сварного соединения № 111, так как по своей конструкции опора теплообменных труб не способна воспринимать боковую нагрузку от возможного зажатия теплообменных труб. 1. Повреждение коллекторов парогенераторов в результате развития процесса замедленного коррозионного растрескивания обусловлены высоким уровнем осевых растягивающих напряжений - на уровне предела текучести материала. Такие напряжения возникают в номинальном режиме и при гидравлических испытаниях по второму контуру, но при проведении гидравлических испытаний уровень температуры недостаточен для развития процесса ЗДКР. В РУ "малой" серии действие номинального температурного поля приводит к увеличению экстремума главных напряжений, а в РУ серии 320 к его снижению. В РУ серии 320 максимальные главные напряжения в зоне сварного соединения № 111 в номинальном режиме эксплуатации на 24 % меньше, чем в РУ "малой" серии. 2. Для РУ "малой" серии фактором, усугубляющим напряженно-деформированное состояние (приводящим к росту растягивающих напряжений на галтели коллектора), является сопротивление в опорах парогенератора при охлаждении РУ. Для РУ серии 320 факторами, усугубляющими напряженно-деформированное состояние (приводящими к росту растягивающих напряжений на галтели коллектора), являются сопротивление в опорах парогенератора при разогреве РУ и монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода. Воздействие трубного пучка на коллектор слабо влияет на напряженное состояние зоны сварного соединения № 111.
Сравнение результатов численного моделирования и экспериментов на физической модели
Разница температуры поверхности модели в месте установки термопары и спая термопары составила 30 С. При продольном обтекании термопары и при неплотном креплении спая или фольги разница могла быть еще больше. Таким образом, термопары, установленные под кожух, выдавали некорректную заниженную температуру.
Моделирование теплоотдачи от среды первого и второго контуров к модели электрическими нагревателями привело к сильным градиентам температуры (в реальном ПГ температура со стороны первого и второго контуров постоянна и не имеет градиентов) и перегреву отдельных зон, что дало большую погрешность при сопоставлении результатов экспериментов с натурным ПГ используя критерий Био.
Как видно из таблицы 4.9, значения напряжений по показаниям тензорезисторов в рассматриваемых точках качественно совпали с результатами расчета, а средние по опытам №7 и № 8 сжимающие напряжения(а =112 МПа) на внутренней поверхности «кармана» модели совпали со средними расчетными напряжениями(а =110 МПа) с различием в 2 %. При определении напряжений на поверхности модели основной вклад в общую погрешность результатов вносила погрешность преобразователя напряжений (тензорезистора), которая не превышает 7 %. 1. Создана экспериментальная установка для изучения возможности создания сжимающих напряжений на внутренней поверхности узла присоединения коллектора при наружном охлаждении воздухом. Проведено численное моделирование эксперимента с применением программного комплекса FloSimulation. 2. Расчетом определены значения температур и компоненты напряжений во всех точках рассматриваемой модели при расходе охлаждающего воздуха 2000 м3/час. Определены радиальные напряжения, образующие на галтели модели напряженное состояние сжатия. Показана область сжимающих напряжений, которые можно зафиксировать тензорезисторами при эксперименте. 3. Проведены исследования по влиянию наружного охлаждения модели узла присоединения коллектора на напряженное состояние внутренней поверхности модели. При сравнении значений температур экспериментальной модели с расчетом имеет место различие в ряде точек. Данное различие обусловлено как локальным перегревами отдельных зон модели, так и некорректными показаниями ряда термопар. Тем не менее, напряжения по показаниям тензорезисторов в рассматриваемых точках качественно совпали с результатами расчета, а средние по опытам № 7 и № 8 сжимающие напряжения на внутренней поверхности «кармана» модели совпали со средними расчетными напряжениями с различием в 2 %. При определении напряжений на поверхности модели основной вклад в общую погрешность результатов вносила погрешность преобразователя напряжений, которая не превышает 7 %. Возможность и эффективность снижения растягивающих напряжений на внутренней поверхности узла присоединения коллектора при наружном обдуве воздухом данного узла была подтверждена. 4. Максимальные сжимающие напряжения в модели узла присоединения колектора, измеренные при максимальном расходе 2000 м /час, достигают 166 МПа. 1. Выполнен анализ проблемы обеспечения работоспособности коллекторов парогенераторов ПГВ-1000М. Показана общность причин повреждения коллекторов в перфорированной части и в узле присоединения к патрубку корпуса (зона сварного соединения №111). Показана необходимость снижения эксплуатационных и остаточных напряжения для предотвращения повреждений коллекторов в узле присоединения. 2. Для определения напряженного состояния узла присоединения коллектора и адекватного учета всех нагружающих факторов проведены расчеты на 3-D модели парогенератора, включающей всю циркуляционную петлю в компоновке серии 320 и «малой» серии. Определены режимы, в которых имеют место способствующие развитию процесса замедленного деформационного коррозионного растрескивания повреждающие факторы: температура в интервале 260 -275 С, соответствующая минимальной пластичности стали 10ГН2МФА, и высокие растягивающие напряжения - на уровне предела текучести материала при воздействии коррозионной среды. Подобные напряжения возникают в номинальном режиме и при гидравлических испытаниях по второму контуру, но при проведении гидравлических испытаний уровень температуры недостаточен для развития процесса ЗДКР. В РУ "малой" серии изгиб ГЦТ вследствие воздействия номинального температурного поля приводит к увеличению экстремума главных напряжений, а в РУ серии 320 - к снижению. 3. В результате анализа НДС конструкции узла соединения коллектора с корпусом вновь проектируемых ПГ проведены вариантные расчеты и разработана конструкция коллектора с максимально возможными, из конструктивных соображений, радиусами галтельных сопряжений. В модернизированной конструкции узла присоединения коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора максимальные местные растягивающие напряжения, по отношению к базовому варианту, снижены на 147 МПа (42 %) и составляют 201 МПа. Модернизированная конструкция узла присоединения коллектора принята в проектах вновь разрабатываемых парогенераторов для АЭС-2006, АЭС «Белене», АЭС с ВВЭР-ТОИ (ПГВ-1000МКП, ПГВ-1000МКУ и д.р.). 4. Для снижения напряжений в узле присоединения коллектора действующих парогенераторов предложены механический и температурный методы. Механический метод труднореализуем на реальном ПГ в связи со сложностью установки механических устройств и в связи с ухудшением условий для проведения УЗК. Температурный метод снижения напряжений лишен подобных недостатков. Снижение напряжений достигается охлаждением узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку Ду1200. Для этого на узел присоединения коллектора устанавливается тонкий стальной кожух, под который вентиляторами подается воздух с расходом 5000 - 7000 м3/час. Это позволяет создать разность температур между внутренней и наружной поверхностями узла присоединения коллектора, что приводит к разгрузке внутренних слоев металла в зоне галтели. При этом снижаются все составляющие напряжений, в наибольшей степени осевые растягивающие напряжения (первые главные). Снижение осевых растягивающих напряжений в зоне наблюдаемых повреждений составит не менее 30 %; уровень напряжений станет существенно ниже предела текучести, что будет способствовать увеличению ресурса парогенератора ПГВ-1000М и уменьшению предпосылок для повреждения коллектора в зоне сварного соединения № 111. 5. Для количественной оценки влияния конструкторских решений (с максимально возможным радиусом галтельных сопряжений) узла присоединения коллектора вновь разрабатываемых ПГ и системы обдува узла присоединения коллектора действующих ПГ на ресурс, в рамках нормативной методики, проведены расчеты накопленного циклического повреждения. Расчетами показано, что конструкция ПГ с охлаждением узла присоединения коллектора к корпусу имеет вдвое меньшую (до 54 %) величину накопленной циклической повреждаемости по сравнению с базовой конструкцией ПГ (без обдува). Накопленная циклическая повреждаемость в модернизированном узле соединения коллектора теплоносителя с корпусом ПГ по сравнению с базовым снизилась в зоне действия максимальных растягивающих напряжений на 79 % или почти в 5 раз.
