3.5. Расчет на прочность

3.5.1. Общие положения. Создание современного энергооборудования и обеспечение его прочности и ресурса осуществляется в несколько основных этапов [3]:

• Конструирование и введение запасов прочности.

• Изготовление и контроль материалов и оборудования.

• Доводка и испытания.

• Эксплуатация с контролем ресурса и повреждения.

На стадии конструирования используются в качестве исходных данных: мощность, температура и давление в элементах конструкций, основные эксплуатационные режимы, общий временной и цикловой ресурсы, характер и параметры рассчитываемых аварийных ситуаций, условия и характеристики сейсмических нагрузок и вибраций.

Расчеты прочности включают, как правило:

• нагруженности (усилия, номинальные и местные напряжения);

• испытания (стандартные и нестандартные лабораторные образцы для получения расчетных характеристик механических свойств применяемых конструкционных материалов);

• испытания моделей и узлов оборудования (для получения уточненных данных о нагруженности в тех случаях, когда расчетные методы не позволяют получить необходимых данных, входящих в условие прочности);

• стендовые испытания полноразмерных металлических моделей и натурных элементов энергооборудования для обоснования принятых конструктивных решений, условий эксплуатации и запасов прочности и ресурса.

На стадии изготовления энергооборудования для обеспечения прочности и ресурса существенное значение имеет:

• контроль применяемых материалов, сварных соединений и наплавок по стандартным или унифицированным характеристикам механических свойств (статические стандартные испытания на растяжение, ударную вязкость, а также на

• дополнительные механические и технологические испытания). Основной целью этих испытаний является определение соответствия характеристик механических свойств техническим условиям (ТУ) и ГОСТ;

• дефектоскопический контроль исходных материалов, заготовок и изготовленного оборудования. Этот контроль проводится с целью выявления дефектов (трещин, пор, шлаковых включений, расслоений и т.д.).

На основе данных о фактических механических свойствах материала конструкции и наличии в ней дефектов могут быть выполнены уточненные оценки прочности и надежности конструкции, а также решен вопрос об объеме и необходимости проведения ремонтных работ. После изготовления узлов энергооборудования (особенно при создании головных образцов) осуществляются испытания и доводка энергооборудования с использованием мощного стендового оборудования. В процессе этих испытаний уточняются критерии прочности и ресурс энергооборудования.

3.5.2. Предельные состояния, виды, критерии разрушения. Традиционные инженерные расчеты на прочность деталей машин, элементов конструкций при однократном нагружении основаны, с одной стороны, на номинальных напряжениях, определяемых по формулам сопротивления материалов, теории упругости и пластичности, теории пластин и оболочек, с другой стороны, на характеристике прочности материалов, полученных на образцах.

В зависимости от большого числа конструктивных (вид нагружения, размеры и формы сечения, наличие концентрации и напряжений), технологических (механические свойства применяемых материалов, вид и режим сварки, термообработки) и эксплутационных (скорость нагружения, уровень нагрузок, температура, среда) факторов при однократном нагружении возможно возникновение трёх основных видов разрушения: хрупкое, квазихрупкое, пластичное (вязкое).

Каждый из этих видов разрушений существенно отличается по уровню номинальных и местных разрушающих напряжений, деформаций, скоростям развития трещин и времени живучести деталей с трещинами, по внешнему виду поверхностей разрушения. Применительно к этим видам разрушения выбирают критерии разрушения из трёх основных групп: силовых, деформационных, энергетических.

3.5.3. Принципы положенные в основу норм расчётов на прочность. Нормы расчета на прочность [3] распространяются на энергооборудование, проектирование, изготовление, монтаж, эксплуатация которых производится в полном соответствии с соответствующими Правилами [2, 3]. В основу принятых в Нормах методов расчета положены принципы оценки по последующим предельным состояниям:

• кратковременное разрушение (вязкое или хрупкое);

• разрушение в условиях ползучести при статическом нагружении;

• пластические деформации по всему сечению детали;

• накопление предельной допустимой деформации ползучести;

• циклическое накопление пластической деформации которая приводит к недопустимому изменению размеров или квазистатическому разрушению;

• возникновение макротрещин;

• усталостное разрушение при циклическом нагружении;

• потеря устойчивости.

3.5.4. Порядок проведения расчета прочности оборудования АЭС. Расчет на прочность оборудования и трубопроводов при проектировании проводят в два этапа: расчёт по выбору основных размеров, проверочный расчёт.

При выполнении расчета по выбору основных размеров учитывают действующее оборудование и трубопроводы, давление (внутреннее и наружное), а для болтов и шпилек – усилие затяга. В основу формул, используемых при расчете по выбору основных размеров, положен метод предельных нагрузок, соответствующих следующим предельным состояниям: вязкому разрушению, охвату пластической деформацией всего сечения оборудования или трубопровода, потере устойчивости и достижению предельной деформации.

После выбора основных размеров проводят проверочный расчет, включающий следующие виды расчетов, выполняемых на:

1) статическую прочность;

2) устойчивость;

3) циклическую и длительную циклическую прочность;

4) сопротивление хрупкому разрушению;

5) длительную статическую прочность;

6) прогрессирующие формоизменения;

7) сейсмические воздействия;

8) вибропрочность.

Проверочный расчёт основывается на оценке прочности по допускаемым напряжениям, деформациями коэффициентам интенсивности напряжений.

3.5.5. Допускаемые напряжения. Номинальные допускаемые напряжения определяют по характеристикам материала при расчетной температуре [3]. Для элементов с расчетной температурой, равной Т_t или ниже ее, рассчитывают по пределу текучести и временному сопротивлению. Температура Т_t равна:

- для углеродистых, легированных, кремнемарганцовистых и высокохромистых сталей 623 К (350 ^оС);

• для коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, жаропрочных хромомолибденованадиевых сталей и железноникелевых сплавов 723 К (450 ^оС).

Номинальное допускаемое напряжение для элементов оборудования и трубопроводов, нагруженных внутренним давлением, принимают минимальным из следующих значений:

,

где

При температурах, превышающих Т_t , при заданном ограничении деформации ползучести элементы рассчитывают по пределу ползучести . Коэффициент запаса по пределу ползучести принимают равным 1. В случае отсутствия сведений по пределам ползучести допускается их определение по изохронным кривым в [3].