Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ условий работы и конструкций узлов уплотнений разъемных соединений РУ с ВВЭР 11
1.1. Основные принципы обеспечения герметичности разъемных соединений РУ 14
1.2. Прокладки и прокладочные материалы узлов уплотнений и их свойства 18
1.3. Модернизация разъемных соединений РУ с применением материала на основе терморасширенного графита 26
Выводы по главе 1 33
Глава 2. Типы испытательных стендов и методика экспериментов по обоснованию узлов уплотнений разъемных соединений РУ ... 34
2.1. Методические стенды 34
2.2. Одноконтурные стенды с естественной циркуляцией теплоносителя... 37
2.3. Двухконтурные стенды с принудительной циркуляцией теплоносителя 40
2.4. Стенды горячих обкаток 45
2.5. Методика определения усилий затяжки узлов уплотнений и снижения усилий затяжки в процессе горячих циклических испытаний 47
2.6. Методика определения деформаций элементов узлов уплотнений 56
2.7. Методика определения герметичности узлов уплотнений разъемных соединений 61
Выводы по главе 2 63
Глава 3. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений разъемных соединений РУ с ВВЭР 64
3.1. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений верхнего блока РУ 64
3.2. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений приводов СУЗ ШЭМ-ЗРУВ-1000 117
3.3. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений коллекторов и люков лазов парогенераторов РУ с ВВЭР 135
3.4. Экспериментальное обоснование узлов уплотнений блоков ТЭН КД РУВ-1000... 171
Выводы по главе 3 185
Глава 4. Использование полученного опыта экспериментального обоснования узлов уплотнений в дальнейшей модернизации разъемных соединений РУ 187
4.1. Задачи по экспериментальному обоснованию узлов уплотнений главного разъема реактора и пути их решения 187
4.2. Перспективные работы по экспериментальному обоснованию узлов уплотнений новых и действующих РУ 198
Основные результаты и выводы диссертации 203
Список литературы
- Прокладки и прокладочные материалы узлов уплотнений и их свойства
- Модернизация разъемных соединений РУ с применением материала на основе терморасширенного графита
- Методика определения усилий затяжки узлов уплотнений и снижения усилий затяжки в процессе горячих циклических испытаний
- Экспериментальное обоснование узлов уплотнений коллекторов и люков лазов парогенераторов РУ с ВВЭР
Введение к работе
Актуальность темы Проблема герметичности разъемных соединений реакторных установок была и остается на сегодняшний день одной из актуальных при проектировании, изготовлении, эксплуатации и ремонте оборудования РУ Нарушение герметичности разъемных соединений может приводить к авариям, связанным с выходом радиоактивного теплоносителя за пределы соответствующего контура РУ, а так же вызвать коррозионное повреждение (или разрушение) элементов конструкции РУ
Прочность и герметичность уплотнительных устройств является одним из определяющих условий безаварийной работы РУ Работа РУ с нарушением герметичности разъемных соединений не допускается
Разъемные соединения РУ с ВВЭР эксплуатируются (на некоторых блоках) более 30 лет Традиционно практически все разъемные соединения уплотнялись никелевыми прокладками При обжатии прокладок никель, в силу его свойств нагартовываться при деформациях, приобретает твердость, сопоставимую с твердостью уплотнительных поверхностей фланцев разъемных соединений, выполненных, в основном, из аустенитной стали 08X18 Н10Т или имеющих наплавку из этой стали При уплотнении происходит пластическое деформирование уплотнительных поверхностей с изменением их геометрии С годами эти процессы усугубляются, пластические деформации накапливаются, и узел уплотнения теряет герметичность Уплотнительные поверхности приходится ремонтировать, восстанавливая проектную геометрию, однако это не всегда приносит положительный результат В начале 1990 годов течи в разъемных соединениях РУ стали носить массовый характер, что приводило к вынужденному простою блоков АЭС из-за переуплотнений Проблемы с герметичностью разъемных соединений РУ заставили вплотную подойти к вопросам модернизации разъемных соединений
Модернизация разъёмных соединений РУ - это длительный по времени, методически сложный и трудоемкий процесс, который начался в начале 1990-х годов и продолжается по настоящее время
Модернизация включала в себя - разработку конструкции узла уплотнения, расчетно-экспериментальное обоснование выбранной конструкции, оформление решения на опытно-промышленную эксплуатацию, опытно-промышленная эксплуатация узлов уплотнений на действующих РУ и корректировку технического проекта РУ с введением в технический проект модернизированного узла уплотнения
В качестве прокладочного материала при модернизации узлов уплотнений автором предложен терморасширенный графит (ТРГ), который по сравнению с никелем имеет более высокие эксплуатационные свойства
Учитывая повышенные требования к надежности работы разъемных соединений, практически все вновь проектируемые или модернизируемые разъемные соединения проходят экспериментальное обоснование в условиях, максимально приближенных к штатным Это связано с тем, что расчетные оценки герметичности разъемных соединений не всегда могут учесть множество факторов, влияющих на герметичность, таких как шероховатость уплотнительных поверхностей, релаксация напряжений в крепежных элементах УУ, деформации фланцев в переходных режимах работы РУ и тд Поэтому экспериментальное обоснование является единственно надежным инструментом для подтверждения работоспособности разъемного соединения
Целью настоящей диссертационной работы является
систематизация накопленного методического опыта экспериментального
обоснования работоспособности вновь проектируемых и модернизируемых узлов
уплотнения оборудования РУ с ВВЭР,
разработка новых методик экспериментального обоснования разъемных соединений РУ,
разработка технологий экспериментального обоснования разъемных соединений РУ,
разработка стендов для экспериментального обоснования разъемных соединений РУ,
разработка моделей узлов уплотнений,
проведение экспериментов в теплогидравлических режимах нормальной эксплуатации оборудования РУ,
проведение экспериментов в теплогидравлических режимах с нарушением нормальной эксплуатации РУ,
проведение экспериментов моделирующих аварийные режимы работы РУ,
выдача обоснованных рекомендаций по конструкции узлов
уплотнений, включая решения по их оптимизации,
выдача рекомендаций по технологии изготовления прокладок из ТРГ,
выдача обоснованных усилий затяжки разъемных соединений РУ, для включения в технический проект РУ,
выдача рекомендаций по методам контроля усилий затяжки,
выдача рекомендаций по типам применяемых смазок
Направление исследований
Исследование узлов уплотнений разъемных соединений РУ с применением нового прокладочного материала - терморасширенного графита (ТРИ
Определение усилий затяжки узлов уплотнения, обеспечивающих герметичность разъемных соединений во всем спектре теплогидравлических режимов работы РУ, включая аварийные режимы
Определение геометрических размеров прокладок из ТРГ и элементов узлов уплотнений
Влияние зазоров в сопряжениях элементов узлов уплотнений на обеспечение герметичности узлов уплотнений
Определение зависимости изменения диаметра прокладок из ТРГ после извлечения их из прессформы от плотности и размеров прокладок
Анализ результатов опытно-промышленной эксплуатации
модернизированных узлов уплотнений с прокладками из ТРГ на действующих
блоках АЭС
На зашиту выносятся:
Результаты исследований и испытаний узлов уплотнений разъемных соединений РУ с ВВЭР
Систематизация методов испытаний и исследований разъемных соединений РУ с ВВЭР
Оптимизация выбора испытательных стендов и моделей для экспериментального обоснования узлов уплотнений разъемных соединений РУ с ВВЭР
Предложенные автором пути дальнейшей модернизации разъемных соединений, включая главный разъем реактора (ГРР), как действующих, так и вновь проектируемых разъемных соединений РУ
Научная новизна
Проведенные автором исследования легли в основу для постановки на опытно промышленную эксплуатацию (впервые в России) модернизированных узлов уплотнений с прокладками из ТРГ
Автором разработаны и систематизированы методики и технологии экспериментального обоснования разъемных соединений РУ с новым нетрадиционным в атомной энергетике, прокладочным материалом -терморасширенным графитом (ТРГ)
Автором предложены принципиально новые пути решения уплотнения
главного разъёма реактора (ГРР) с применением прокладок из ТРГ
Практическая значимость работы
Экспериментально обоснованные автором и под его руководством
узлы уплотнений введены в технические проекты Реакторных Установок с
реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 как действующих, так и вновь сооружаемых
АЭС В-428 (Китай), В-446 (Иран), В-412 (Индия), а также в проекте АЭС-2006
Результаты экспериментального обоснования узлов уплотнений с
прокладками из ТРГ легли в основу при разработке нормативно технической
документации
- стандарт предприятия ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС» «Уплотнительные
устройства Испытания, эксплуатация» СТП 140-2006
- технические условия «Прокладки из расширенного графита»
ТУ 95 2531-94
Узлы уплотнений с прокладками из ТРГ, практически без отказов, эксплуатируются на всех Блоках АЭС с ВВЭР в России, в Украине, Болгарии, Чехии, Словакии, Венгрии и Китае
Практическим результатом внедрения прокладок из ТРГ в узлы уплотнений РУ стало значительное (в разы) снижение нарушений и отказов в работе разъемных соединений РУ, что в конечном итоге положительно повлияло на повышение коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) Блоков АЭС
Сократилось время ремонтно-восстановительных работ узлов уплотнений, что позволило снизить дозовые нагрузки на обслуживающий персонал
Комплекс работ по разработке и внедрению модернизированных узлов уплотнений с прокладками из терморасширенного графита был высоко оценен Министерством Атомной Энергии, и Промышленности в связи, с чем группа разработчиков, в том числе и автор диссертации, была удостоена отраслевой Премии им Н А Доллежаля «За лучшую конструкторскую разработку в области атомной техники»
Личное участие автора Результаты исследований являются итогом многолетней работы автора, как специалиста, непосредственно занимающегося разработкой и исследованиями узлов уплотнений разъемных соединений РУ Диссертант в качестве ответственного исполнителя принимал непосредственное участие в проведении большинства экспериментов, результаты которых изложены
в диссертации, начиная со стадии постановки задач исследований, написании программ, методик исследований, разработке стендов, конструкций прокладок из ТРГ, проектировании прессформ, проведении экспериментов и написании отчетов
Автор лично участвовал в работах на нескольких блоках АЭС по уплотнению разъемных соединений РУ с прокладками из ТРГ на стадии их опытно-промышленной эксплуатации Автор принимал непосредственное участие в измерениях геометрии главных разъемов реакторов и выдачи рекомендаций по уплотнениям ГРР практически на всех блоках РУ с ВВЭР
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на Заседании международной группы экспертов по повышению технического уровня и совершенствованию арматуры АЭС (МГА) 12-16 марта 2001 г, МХО Интератомэнерго Москва, Миссии технической поддержки в г Моховце, Словацкая республика ВАО АЭС МЦ, 2004 г, 2-ой Всероссийской конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (г Подольск, Московская обл , 2001 г)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе
-
монография,
-
статьи в сборниках трудов конференций,
-
статьи в сборниках трудов ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС»,
1 отчет об основных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполненных в ОКБ «Гидропресс»,
5 журнальных статей,
3 патента на полезную модель
Структура и объем работы
Прокладки и прокладочные материалы узлов уплотнений и их свойства
Особенностью при проектировании, изготовлении и эксплуатации узлов уплотнений является условия их работы.
Узлы уплотнения 1 контура РУ с ВВЭР относятся к элементам нормальной эксплуатации, важным для безопасности, и классифицируются обозначением 2Н в соответствии с общими положениями обеспечения безопасности атомных станций (ОПБ 88/97) /1/ и. группой В в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-008-89» 121.
Выбор конструкции узлов уплотнения обусловлен следующими факторами: - высокое давление до 15,7 МПа, при ГИ до 24,5 МПа); - высокая температура до 320 С; - высокоактивная и высокоагрессивная уплотняемая среда; - наличие нейтронного и гамма-излучения в зоне размещения уплотнительных устройств; - многократные изменения температуры и давления уплотняемой среды в процессе эксплуатации; - повышенные требования по герметичности; - сложность проведения ремонтных работ, т.к. они связаны с радиационным облучением персонала, проводящего ремонт; - возможное изменение физико-механических свойств материала деталей уплотнительных устройств при эксплуатации реактора из-за значительных интегральных потоков; - необходимостью создания системы дистанционного контроля герметичности уплотнительного устройства; - длительный срок эксплуатации. » Проведенный перечень требований к узлам уплотнений достаточно хорошо иллюстрирует сложность при проектировании, эксплуатации, а так же при экспериментальном обосновании узлов уплотнений.
Расчетные оценки герметичности разъемных соединений не всегда могут учесть множество факторов, влияющих на герметичность, таких как шероховатость уплотнительных поверхностей, релаксация напряжений в крепежных элементах УУ, деформации фланцев в переходных режимах работы РУ и т.д. Поэтому экспериментальное обоснование является единственным инструментом для подтверждения работоспособности разъемного соединения.
К наиболее распространенным типам неподвижных разъемных соединений относятся фланцевые, бугельные, штуцерные и муфтовые соединения /3/. В РУ с ВВЭР нашли, в основном, применение фланцевые соединения. Фланцевое соединение (уплотнительное устройство) состоит из фланцев, имеющих соответствующие уплотнительные поверхности, уплотнительной прокладки и силовых элементов (шпилек, болтов, винтов), предназначенных для создания требуемого усилия на прокладке и предотвращения перемещения фланцев относительно друг друга при воздействии давления и температуры в уплотняемом оборудовании РУ.
Фланцевые соединения, в свою очередь, можно разделить на две группы: 1) фланцевые соединения, в которых при затяжке вся нагрузка, создаваемая силовыми элементами, передается на прокладку; 2) фланцевые соединения, в которых упругая прокладка сжимается на заданную величину, а часть нагрузки передается на ограничительное кольцо или на стык фланцев. Условие замыкания фланцев реализуется для податливых прокладок и при значительных диаметрах разъемного соединения, когда возникает значительная гидростатическая нагрузка на фланцы.
Выбор материала уплотнительной прокладки зависит от рабочей среды, температуры и давления в уплотняемом оборудовании, а группа фланцевого соединения - от габаритов уплотнительного устройства и давления рабочей среды.
В зависимости от специфики механизма герметизации различают также активные и пассивные уплотнительные устройства. Активные (самоуплотняющиеся) уплотнительные устройства характеризуются догрузкой прокладки от воздействия давления уплотняемой среды, пассивные - отсутствием догрузки или разгрузкой прокладки. Эффект самоуплотнения может быть реализован как конструкцией уплотнительного устройства в целом, так и конструкцией прокладки.
В зависимости от предъявляемой герметизирующей способности (степени герметичности) уплотнительные устройства разделяются на классы негерметичности по допускаемой величине удельной утечки /4/.
Под герметичностью неподвижных разъемных соединений понимается непроницаемость жидкости или газа, находящихся под некоторым избыточным давлением, через уплотняемый стык. Основным механизмом утечки в неподвижных соединениях является течение уплотняемой среды через неплотности и микроканалы между уплотняемыми поверхностями, возникающие вследствие шероховатости и волнистости уплотняемых поверхностей, наличия дефектов, температурных и силовых деформаций.
Герметичность любого неподвижного соединения достигается в том случае, если каналы, оставшиеся между уплотнительными поверхностями прокладки и фланцев после затяжки уплотнительного устройства, настолько малы, что рабочая среда по ним протекать не будет. Теоретически диаметр канала должен быть меньше диаметра молекулы уплотняемой среды, а с учетом облитерации - меньше трех диаметров молекул. С учетом сил поверхностного натяжения, препятствующих проникновению рабочей среды в каналах, диаметр канала для жидких рабочих сред может быть несколько больше. Однако даже при самой тщательной обработке уплотнительных поверхностей невозможно избежать образования каналов, через которые будет происходить утечка. Неровности, оставшиеся на уплотнительных поверхностях после обработки, можно устранить путем взаимного сжатия поверхностей, но это требует больших (практически трудноосуществимых) усилий сжатия. Причем неровности обусловлены не только шероховатостью уплотнительных поверхностей, но и их погрешностью формы. Поэтому наиболее целесообразным методом уплотнения неподвижных фланцевых соединений является установка между уплотняемыми деталями пластичной прокладки.
При затяжке силовых элементов уплотнительного устройства материал пластичной прокладки заполняет микровпадины на уплотняемых поверхностях, обеспечивая герметичность соединения. При этом прокладка не должна повреждать уплотняемые поверхности, что позволяет производить многократную сборку и разборку разъемного соединения.
Модернизация разъемных соединений РУ с применением материала на основе терморасширенного графита
Стенд состоит из модели узла уплотнения 1, водяного контура (имитация Іконтура РУ), пароводяного контура (имитация II контура РУ), контура технической воды, систем химводоподготовки I и II контура и газовой системы. контур модели является замкнутым водяным контуром с принудительной циркуляцией воды и состоит из узла уплотнения коллектора, циркуляционного насоса поз.2, сильноточного нагревателя поз.З, холодильника поз.5, компенсатора объема поз.6, емкости расхолаживания поз.4, емкости разогрева поз.7, емкостей приготовления раствора I контура поз. 12, подпиточного насоса поз.Ю, трубопроводов и контрольно-регулирующего оборудования.
Сильноточный нагреватель поз.З служит для разогрева и поддержания в заданном режиме температуры воды в I контуре. Холодильник поз.5 служит для охлаждения I контура при его расхолаживании. . Емкость расхолаживания поз.4 служит для быстрого охлаждения I контура в режимах имитации расхолаживания парогенератора при срабатывании А31, открытии и последующем незакрытии ПК в паропроводе парогенератора и разрыве паропровода парогенератора.
Емкость разогрева поз.7 служит для быстрого разогрева I контура в режиме имитации подключения ГЦН и разрыва паропровода парогенератора.
II контур модели является замкнутым пароводяным контуром с естественной циркуляцией воды и состоит из имитатора II контура ПГВ-ЮООМ, конденсатора поз.8, встроенного подофевателя II контура поз.14, емкостей приготовления раствора II контура поз.13, подпиточного насоса поз.11, трубопроводов и контрольно-регулирующего оборудования. Конденсатор поз.8 служит для охлаждения насыщенного пара, поступающего из модели. Встроенный подогреватель II контура поз.14 служит для догрева и поддержания в заданном режиме температуры во II контуре.
Температура и давление сред I и II контуров стенда во время испытаний контролируется и регистрируется щитовыми самопишущими приборами, представленными в таблице 2.2. Места установки первичных датчиков измеряемых величин, указанных в таблице 2.1, представлены на рисунке Л »3.
Во время проведения режимов, параметры стенда дублируются регистрирующей аппаратурой "IMPACT-3590", позволяющей вести опрос регистрируемых параметров со скоростью 1 измерение в секунду.
На этом стенде был проведен комплекс работ по обоснованию узлов уплотнений коллекторов парогенераторов ПГВ-440 и ПГВ-1000 как с прутковыми никелевыми прокладками, так и с прокладками из терморасширенного графита, узла уплотнения люка-лаза парогенератора ПГВ-1000 с прокладками из ТРГ. Были испытаны прокладки из ТРГ фирмы «Burgmam» (ФРГ) и «Helicoflex» (Франция) для коллектора парогенератора ПГВ-440, однако результаты этих испытаний были неудовлетворительные. На модели коллектора парогенератора ПГВ-440 была отработана технология доработки уплотнительной поверхности фланца коллектора парогенератора ПГВ-440 под прокладки из ТРГ при помощи станка фирмы «Protem» (Франция). Эта технология впоследствии была реализована при доработке коллекторов под прокладки из ТРГ на Кольской (1-4-м блоке), Нововоронежской (3,4 блоки) и Ровенской (1,2 блоки).
Стенды горячих обкаток напрямую не предназначены для экспериментального обоснования узлов уплотнений разъемных соединений РУ.
Назначение этих стендов - это гидравлические и ресурсные испытания тепловыделяющих сборок для РУ В-440 и В-1000, а так же испытания приводов СУЗ для РУ В-1000. Однако, поскольку в конструкции модернизированного привода СУЗ ШЭМ-3 имеются три узла уплотнения с прокладками из ТРГ, при обосновании этих узлов был задействован стенд горячей обкатки ГО В-1000.
Принципиальная схема стенда горячей обкатки приведена на рис. 2.4. Основной циркуляционный контур стенда включает в себя: колонку 1 с внутрикорпусными устройствами, насос циркуляционный 2, фильтр механический 3 и соединительные трубопроводы с арматурой. Для создания давления в контуре и компенсации объема воды при изменениях температуры служит газовый компенсатор давления 6. Разогрев стенда до рабочих параметров осуществляется сильноточным электронагревателем 4 со ступенчатым регулированием мощности и за счет тепла, выделяемого в потоке воды за счет гидравлического трения. Плавная регулировка температурного режима в колонке производится с помощью теплообменника 5. На стенде предусмотрены также системы подпитки и химводоподготовки, и измерительно-регулирующие приборы. На колонку 1 устанавливается привод 7, при этом патрубок колонки имитирует патрубок СУЗ верхнего блока реактора ВВЭР- 1-колонка; 2-насос циркуляционный; 3-фильтр механический; 4-электронагреватель; 5-теплообменник; 6-компенсатор давления; 7-привод СУЗ ШЭМ-3; 8-выгородка; 9-вентилятор; 10-электроподогреватель воздуха; 11-гребенка газовая; 12-насос питательный; 13-бак питательный.
Стенды горячей обкатки имеют сложную конструкцию. Геометрические повысотные отметки стенда соответствуют повысотным отметкам на реакторе. Параметры стенда по давлению, температуре, расходу теплоносителя так же соответствуют штатным параметрам РУ, поэтому несмотря на большую энергоемкость стенда (вместе с вспомогательными системами она достигает 600 квт), обоснование разъемных соединений приводов СУЗ ШЭМ является представительным. На стенде горячей обкатки ГО В-1000 были экспериментально обоснованы узлы уплотнения «чехол-заглушка» с прокладками из ТРГ, «ДПШ-заглушка» с прокладками из ТРГ, и узел уплотнения «чехол-ДПШ» с прокладками из ТРГ.
Методика определения усилий затяжки узлов уплотнений и снижения усилий затяжки в процессе горячих циклических испытаний
Усилие затяжки разъемного соединения является одним из основных факторов, влияющих на герметичность соединения. Неправильно выбранное усилие затяжки может привести как к потере герметичности с одной стороны, так и к повреждению или, далее, разрушению элементов узла уплотнения. При экспериментальном обосновании используются следующие методы определения усилия затяжки Ikl.
Применением шпилек с центральным ненагруженным стержнем, закрепленным на нижней торцевой поверхности шпильки. В этом случае усилие в шпильке определяется по удлинению шпильки относительно центрального ненагруженного стержня с помощью индикатора перемещения часового типа, закрепленного в специальной оправке на верхнем торце шпильки.
Методика определения усилий затяжки узлов уплотнений и снижения усилий затяжки в процессе горячих циклических испытаний
Во второй главе представлены основные типы испытательных стендов и изложена методика экспериментального обоснования узлов уплотнений разъемных соединений РУ, принятая в ОКБ «Гидропресс». В главе 2 описаны методы контроля усилий затяжки, так как фактор усилия в крепежных элементах разъемного соединения является одним из основных факторов влияющих на герметичность. Изложены методы контроля снижения усилий затяжки в процессе испытаний. Прогнозирование заданного ресурса работы разъемного соединения является основной задачей при экспериментальном обосновании узлов уплотнений, поэтому вопрос контроля усилий затяжки и контроля снижения усилий затяжки, вследствии процессов релаксации и ползучести, является весьма актуальным. Во второй главе изложена методика определения деформаций элементов узлов уплотнений в процессе экспериментального обоснования. Деформация элементов узлов уплотнений, как упругая, так и пластическая происходит при затяжке.разъемных соединений при воздействии температуры, давления и времени. При деформациях изменяется геометрия уплотнительных поверхностей, меняются размеры прокладки, профиль уплотнительных канавок, образуются намины на уплотнительных поверхностях, происходят угловые и радиальные перемещения фланцев. Все эти факторы так же являются одними из основных факторов, которые могут привести к потере герметичности. Восстановление проектной геометрии уплотнительных поверхностей в условиях АЭС - весьма трудоемкий процесс, связанный с большими дозовыми нагрузками на ремонтный персонал. Поэтому вопросам измерения деформации элементов узлов уплотнений уделяется большое внимание при экспериментальном обосновании разъемных соединений.
В главе также изложены основные методы определения герметичности разъемных соединений в процессе испытаний.
Определены подходы к выбору методов определения герметичности в зависимости от задач, которые ставятся при экспериментальном обосновании, параметров работы разъемных соединений (температура, давление, среда), а также от требований к герметичности разъемного соединения. В настоящей главе изложены результаты работ по экспериментальному обоснованию модернизированных узлов уплотнений с прокладками из ТРГ. Практически все экспериментально-обоснованные конструкции разъемных соединений с прокладками из ТРГ в настоящее время либо уже эксплуатируются на РУ и включены в состав технического проекта РУ, либо проходят опытно-промышленную эксплуатацию на действующих АЭС. В новых проектах: РУ В-428, В-446, В-412, В-448 в реакторе уже нет прокладок из никеля (кроме УУ главного разъема реактора), поэтому результаты ранее проведенных работ по экспериментальному обоснованию УУ с прокладками из никеля в настоящее время потеряли актуальность и в настоящей главе не рассматриваются. Все рассматриваемые в настоящей главе работы были проведены на стендах экспериментальной базы ОКБ «Гидропресс». Прокладки для испытаний так же были изготовлены на производственном участке ОКБ «Гидропресс».
В базовой конструкции узлов уплотнения чехлов датчиков КНИ с никелевой прокладкой есть дополнительная существенная особенность. Она заключается в высокой чувствительности к повышению крутящего момента на ключе при затяжке разъёмного соединения, что приводит к потере герметичности узла. Причина этого заключается в том, что в условиях максимальной компактности узла стопорные устройства, предотвращающие проворот чехла датчика КНИ, при затяжке имеют ограниченные размеры и при превышении регламентного крутящего момента деформируются, что приводит к дополнительному угловому перемещению и «подрыву» уже уплотнённой никелевой прокладки.
При потере герметичности главная опасность заключается в повреждении окружающих элементов конструкции, попадающих в зону воздействия пароводяной струи коррозионно-активного теплоносителя. К этим элементам относятся шпильки, гайки и фланцы патрубков СУЗ, ТК, КНИ, а также сами патрубки и наружная поверхность крышки реактора, выполненные из высокопрочных, но не коррозионностойких сталей /22/.
В конце 80-х, начале 90-х годов по мере износа уплотнительных поверхностей чехлов датчиков КНИ течи этих узлов приняли массовый характер, что стало приводить к длительным простоям энергоблоков с реакторами ВВЭР-1000 и необходимости выполнять сложные ремонты поврежденного оборудования. Эта ситуация предопределила работы по модернизации этих узлов для повышения надежности при эксплуатации. Была разработана конструкция узла уплотнения чехла датчика КНИ прокладками из терморасширенного фафита. Два варианта этой конструкции были испытаны в стендовых условиях ОКБ «Гидропресс
Следует отметить, что это была первое экспериментальное обоснование узла уплотнения с прокладками из ТРГ.
Имитаторы чехлов датчиков КНИ в данном варианте выполнены сверлеными и оснащены мерными стержнями для контроля вытяжки чехлов в. процессе затяжки с последующим определением усилий в чехлах.
Отличие варианта 1 от базовой конструкции заключалось в том, что прокладка из никеля заменена на прокладку из ТРГ поз.11 той же конфигурации, что и никелевая прокладка , а так же наличием центрирующей нажимной втулки поз.З и резервной прокладки поз.4, позволяющей создать межпрокладочную полость для контроля протечек через основную прокладку.
В предлагаемом варианте уплотнение чехлов датчиков КНИ поз.1 производится при помощи прокладок из терморасширенного графита. Узел уплотнения чехлов датчиков КНИ представляет собой сальник с прокладками из ТРГ. В процессе уплотнения усилие на прокладки поз.4 и поз.5 (одинаковые) передается от гайки поз.2, через втулку поз.З и втулки поз.6. Втулка поз.6 также служит для отбора протечек через основную прокладку поз.5.
В данном узле уплотнения втулка поз.7 опирается на разрезное кольцо поз.8. С целью предотвращения проворота нажимной втулки поз.З при затяжке она фиксируется шпонкой поз. 18 относительно фланца поз.11.
Отличительным, положительным признаком данного варианта 2 относительно варианта 1 является возможность автономной замены и уплотнения чехлов датчиков КНИ без демонтажа фланца поз.11, а также наличие резервных прокладок с организацией межпрокладочной полости для контроля протечек через основные прокладки.
Экспериментальное обоснование узлов уплотнений коллекторов и люков лазов парогенераторов РУ с ВВЭР
Проведенные испытания 2-х вариантов уплотнительных устройств приводов СУЗ ШЭМ-3 подтвердили правильность выбранной конструкции узлов уплотнений с прокладками из ТРГ. В отличие от вышеописанных работ по экспериментальному обоснованию узлов уплотнений разъемных соединений на верхнем блоке, настоящие испытания проводились не на моделях, а в составе штатного привода СУЗ ШЭМ-3 на стенде горячей обкатки ГО В-1000. Такой подход к экспериментальному обоснованию был выбран из следующих соображений:
1. Условиями работы привода в составе РУ, которое характеризуется: расходом воды через канал привода в реакторе 500-600 м3/час; перепадом давления на кассете ТВС - (0,147 МПа); расходом охлаждающего воздуха на э/оборудование привода - 250 +1 м3/час; вибрацией элементов привода (в том числе и вибрацией узлов уплотнения);
2. Моделирование вышеприведенных параметров в части создания нового испытательного стенда было не целесообразно из экономических соображений, поэтому в качестве испытательного стенда был выбран стенд горячей обкатки ГО В-1000 (хотя, как уже говорилось в разделе 2.4, этот стенд напрямую не предназначен для испытаний узлов уплотнений разъемных соединений).
Несмотря на высокую энергоемкость этого стенда, было экономически оправдано провести испытания на нем, не создавая новый стенд.
Целью испытаний, кроме описанных выше, ставилось так же и то, что при уплотнении разъемных соединений в приводе (и в первую очередь в узле уплотнения «чехол-патрубок СУЗ») прокладками из ТРГ изменялась жесткость сопрягаемых элементов «патрубок - чехол привода»). Поэтому в процессе испытаний узлов уплотнений была проверена работоспособность и самого привода, измерялось время падения ОР СУЗ по сигналу A3, электрические характеристики электрооборудования элементов привода СУЗ ШЭМ-3 и т.д.
Таким образом, проведенные испытания узлов уплотнений привода СУЗ ШЭМ-3 с прокладками из ТРГ стали частью экспериментального обоснования всей конструкции модернизированного привода. Из 2-х вариантов испытанных узлов уплотнений предпочтение следует отдать варианту 2, как более простому в обслуживании. Именно этот вариант был реализован в приводах для 3 блока Калининской АЭС, 5 и 6 блоков АЭС «Козлодуй» и 1 и 2 блоков АЭС «Куданкулам». Привода по варианту 1 (по требованию китайского заказчика) реализованы на 1 и 2 блоках АЭС «Тяньвань».
Многолетний опыт эксплуатации уплотнительных устройств разъемных соединений парогенераторов с прутковыми никелевыми прокладками выявил ряд недостатков, которые по мере эксплуатации усугубляются.
Такими недостатками являются накапливаемые с годами повреждаемость уплотнительных поверхностей фланцев и крепежа, поскольку уплотнительные устройства с никелевыми прокладками чувствительны к качеству уплотнительных поверхностей фланцев и прокладок и требуют достаточно высоких усилий затяжки. Также данные уплотнительные устройства чувствительны к отклонению от проектных требований при эксплуатации.
Так, на Ровенской АЭС в 1982 г. по причине нарушения проектных условий эксплуатации уплотнительного устройства коллектора первого контура парогенератора ПГВ-440 произошел разрыв шпилек и выход среды первого контура во второй контур парогенератора /31/, /32/, /33/. На аварийном коллекторе произошло коррозионно-усталостное разрушение шпилек и частичное разрушение шпилечных гнезд во фланце, обусловленное повышением агрессивности теплоносителя на перефетых поверхностях при протечках из первого контура во второй, усиленное значительным превышением усилия затяжки шпилек над проектным. На рисунке 3.38 изображен поврежденный коллектор.
Герметичность уплотнительных устройств зависит от многих, трудно учитываемых факторов, конструкции и условий эксплуатации, поэтому расчеты на герметичность не всегда дают надежные результаты. После аварии на Ровенской АЭС в ОКБ «Гидропресс» было принято решение об испытаниях вновь проектируемых и эксплуатируемых «проблемных» уплотнительных устройств разъемных соединений оборудования РУ на полномасштабных моделях в условиях максимально приближенных к натурным.
В 1997 году были предприняты попытки решения проблемы с уплотнением коллекторов парогенераторов. На стенде испытаний модели узлов уплотнений парогенераторов были проведены испытания прокладок «Helicoflex» французской фирмы «CARBONE LORRAINE». Прокладка «Helicoflex» изображена на рисЗ.39.
Материал прокладок инконель X 750 с покрытием серебром. При испытаниях был получен отрицательный результат. При гидравлических испытаниях, при исходном усилии затяжки шпилек Fowum =252,3 кН протечки через внутреннюю прокладку составили 300 мл/ч.
Прокладки «Helicoflex» допускают такую протечку. На реакторах «Westingtiouse» и «Framatome» конструкция узлов уплотнений также содержит канал МПП, однако, назначение этого канала - не контроль герметичности, как в ВВЭР, а сбор протечек и контроль их величины, т.е. нормативные документы для зарубежных реакторов регламентируют определенную величину протечек, изменение этой величины свидетельствует о нарушении в работе узла уплотнения.
К недостаткам прокладок «Helicoflex» следует так же отнести очень высокие требования к чистоте уплотнительных поверхностей {не менее Ra 0,63) и отсутствием дефектов в виде мелких рисок, царапин и т.д. Серебряное покрытие прокладок приводит к загрязнению контура радиоактивным серебром .и, как следствие этого, повышение радиоактивности в центральном зале блока АЭС в период ППР.
На первый взгляд конструкция такой прокладки кажется привлекательной с точки зрения отсутствия доработки фланца коллектора. Прокладка устанавливается в ту же канавку, что и прутковая никелевая прокладка, однако, проведенные испытания также показали отрицательный результат. При имитации аварийных режимов с резкими скачками температуры и давления прокладки были не герметичны. Причиной этого явилась недостаточная жесткость бандажных колец. Кроме этого при анализе состояния уплотнительных поверхностей канавок на фланцах парогенератора выяснилось, что на различных парогенераторах это состояние разное, имеются намины на боковых стенках канавок (на одних больше, на других меньше) от никелевых прокладок и, следовательно, для разных парогенераторов необходима разная масса материала ТРГ, что практически не реально осуществить в одних и тех же штампах.
В предыдущих разделах описаны работы по экспериментальному обоснованию узлов уплотнений на верхнем блоке реактора и в приводе СУЗ ШЭМ-3.
Размеры прокладок из ТРГ в этих узлах не превышают 0 116 мм. Для коллектора парогенератора ПГВ-440 необходимо было изготовить прокладки 0 500 мм. Это уже качественно новый тип прокладок. Для их изготовления была разработана специальная технология оснастки, позволяющая обеспечить минимальные зазоры в сопрягаемых деталях прессформы, влияющие на характеристики изготавливаемых прокладок. Так же был приобретен пресс усилием 250 т.
Модель представляет собой натурную верхнюю часть коллектора 1 контура ПГВ-440, помещенную в герметичную емкость поз.5, в которой создаются параметры 2 контура ПГВ-440. Емкость поз.5 служит для моделирования натурного теплогидравлического окружения коллекторов средой 2 контура. Через штуцера поз.8 и 9 производится соответственно подвод и отвод воды 1 контура в процессе испытаний. Через штуцер поз. 10 производится подвод во встроенный теплообменник воды 1 контура, что повышает эффективность разогрева воды 2 контура. Через штуцер поз.7 контролируется наличие воды и давления в межпрокладочной полости.
Разогрев и расхолаживание модели производится за счет циркуляции воды заданных параметров через 1 контур модели и встроенный теплообменник.
Емкость поз.5 в нижней части имеет фланцевый разъем, служащий для доступа к узлу уплотнения коллектора.
Наружная поверхность емкости поз.5 теплоизолирована. Толщина теплоизоляции 150 мм. Для определения деформации прокладок при затяжке и гидроиспытаниях контура по оси модели на периферии крышки коллектора укреплялись 4 группы индикаторов перемещения (через 90 по периметру) типа ИЧ-10 поз.8 рис. 3.43. Ножки индикаторов упирались в пластины, укрепленные на фланце коллектора.
Для определения радиальных перемещений фланца относительно крышки модели узла уплотнения коллектора при затяжке и гидроиспытаниях 1 контура на крышке укреплялись 2 индикатора перемещения (через 90 по периметру) типа ИЧ-10 поз.9 рис. 3.43 с упором ножек в боковую поверхность фланца.
