Введение
В соответствии с прогнозами энергопотребления на период после 2020 г. основная доля в обеспечении электроэнергией в мире будет покрываться за счет ядерной энергии. Поэтому развитие современной энергетики характеризуется значительным ростом интенсивности рабочих процессов тепломассообмена, снижением металлоемкости и, следовательно, повышением энергонапряженности агрегатов и оборудования. В связи с этим все более актуальной становится проблема повышения прочности и долговечности основных комплексов современных отечественных ЯЭУ.
Основополагающими в проблеме повышения ресурса и безопасности ЯЭУ остаются вопросы исследования напряжений и прочности, которым посвящено значительное количество публикаций, включая базовые для проведения расчетов в отрасли [1 – 8]. Эти публикации отличаются большим объемом и сложностью восприятия излагаемого материала. Данное пособие с учетом результатов 4 – 8 содержит в сжатом и упрощенном виде как научно-физические основы расчета на прочность, так и систематизированное изложение основных положений комплексного расчетно-экспериментального подхода, отраженного, в первую очередь, в , для проведения расчетов в обоснование прочности реактора и всех его основных компонентов.
Итогом приведенных расчетов является определение ресурса конструкций, подвергающихся действию переменных нагрузок, что непосредственно связано с процессами усталостного разрушения и/или разрушения в результате радиационного охрупчивания материала.
Физика механики разрушения в обоих случаях рассматривается как исследование явлений дислокаций. С течением времени некоторые группы дислокаций растут и переходят на другие зерна, что проявляется в возникновении микротрещин. Развитие микротрещин неравномерное. С течением времени возникают макротрещины размером 1,5…2,0 мм (обнаруживаемые невооруженным глазом). В дальнейшем макротрещины продолжают расти, и наступает разрушение самого материала.
Известен ряд методов для исследования появления и развития усталостных трещин: микроскопический; рентгеновский; измерение твердости и микротвердости; поляризационно-оптический; голографический и др. В случае усталостного разрушения воздействие среды может привести к резкому ускорению процесса разрушения. В случае радиационного охрупчивания с помощью процедуры отжига можно восстановить структуру материала.
Механическая прочность конструкции определяется значениями пределов прочности и текучести, сужения и расширения материала для вырезанных из конструкции образцов с применением методов разрушающего контроля.
Неразрушающий контроль по значениям предела прочности проводится, когда повреждения уже видны. Он является достаточно приближенным методом. Процедура продления ресурса, столь важная в отрасли, осуществляется по результатам контроля металла и ресурса для каждого элемента оборудования I и II классов безопасности.
Контроль ресурса по хрупкой прочности осуществляется при определении удельной вязкости и других параметров, по циклической прочности — по предельному состоянию трещин размером 1,5…2,0 мм.
В настоящем пособии рассматриваются базовые вопросы расчетов на прочность конструкции с учетом всех основных параметров состояния и условий эксплуатации, в том числе силового воздействия потоков теплоносителя при поперечно-продольном обтекании конструкций средами различного агрегатного состояния с анализом параметров возбужденных колебаний. Кроме того, в пособии приводится расчет по выбору основных размеров и поверочный расчет, включая расчеты на статическую прочность, на устойчивость, на циклическую прочность, на вибропрочность и т. д. При этом используются соответствующие методы определения механических свойств конструкционных материалов и сварных соединений при растяжении, ползучести, длительной проч- ности и усталости. Расчетные оценки прочности базируются на применении апробированных в отрасли методик определения критической температуры хрупкости и ее сдвига вследствие термического старения, накопления усталостных повреждений, влияния облучения и т. д. В пособии также используются унифицированные методы расчетного и экспериментального определения напряжений, деформаций, перемещений и усилий, а также методы расчета типовых узлов, деталей и конструкций (в том числе трубопроводов), расчета на сейсмические воздействия и расчетно-экспериментальные оценки вибропрочности типовых элементов конструкций.
Расчетные заключения обычно требуют экспериментального подтверждения, которое должно состоять из данных, полученных как на основании эксплуатации реальных систем, так и в результате специального модельного и натурного экспериментов. В ряде разделов пособия нашли отражение проблемы, возникающие при осуществлении физического моделирования, а также в ходе проведения эксперимента и анализа результатов эксперимента.
Наименее исследованным направлением физического моделирования 6 являются задачи моделирования динамических процессов в гидроупругих системах, состоящих из конструкций и турбулентного потока теплоносителя. Более подробно постановка и решение таких задач дается в приложении к ВВЭР в работах 4, 9.
Перспективы развития расчетно-экспериментального подхода обусловлены в основном научно-техническим прогрессом в атомной энергетике, а также реализацией крупномасштабных проектов с сохранением экологически нормальной окружающей среды, для чего необходимо усовершенствование методов проектирования, изготовления и эксплуатации реакторных установок. Ниже перечислены общие тенденции в развитии расчетов на прочность в энергомашиностроении, начиная с этапов эскизного и технического проектирования.
1. Интенсификация процесса тепломассообмена без существенных изменений самой конструкции и ее масштаба (это приводит к росту удельных параметров нагружения).
2. Совершенствование расчетных методик и соответствующей экспериментальной базы данных в обеспечение продления ресурса (N = 1012…1015, Траб = 50 лет).
3. Использование последних достижений в развитии современных методов расчета (МКЭ, конечностно-разностные методы, методы дискретных вихрей и статистического моделирования).
4. Совершенствование методов расчета акустических составляющих нагружения конструкций ЯЭУ и аппарата модального анализа.
5. Развитие методов расчета на прочность узлов конструкций при комбинированном процессе нагружения (вибрационное воздействие, статическое и малоцикловое нагружение, виброизнос в среде).
6. Совершенствование имеющейся методики определения сдвига критической температуры хрупкости вследствие влияния облучения и коэффициента радиационного охрупчивания.
7. Развитие методов прогнозирования технической и радиационной безопасности населения при эксплуатации ЯЭУ.
Необходимо отметить, что за последние 10 – 15 лет исследователями и специалистами-расчетчиками совместно с программистами и разработчиками программного обеспечения проведена большая работа по модернизации имеющихся программ и созданию комплексов программного обеспечения расчетов на прочность конструкций и систем рассматриваемого типа. Это целенаправленные комплексы программного обеспечения, такие, как CAN, CANPIPE (ИЦП МАЭ — НИКИЭТ), PROB, АЭС ЦИКЛ и KNORM, большие универсальные пакеты программ, такие, как ANSYS, NASTRAN и др. Подобное программное обеспечение позволяет, в частности, рассчитывать ряд конструкций и систем, входящих в состав ЯЭУ.
Области применения программного обеспечения:
– трубопроводы, оборудование, радиационно опасные конструкции;
– аппараты, сосуды давления химического и нефтехимического машиностроения;
– конструкции аэрокосмической промышленности, судостроения, приборостроения;
– строительные сооружения.
Необходимо отметить последние отечественные и зарубежные разработки в области программных комплексов по обработке и анализу опытных данных, такие, как WING (ДИАПРОМ), ЭНЕРГИЯ (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Qua Trix (НИЦ ЦИАМ) и LabView 5 (6, 7) (National Instruments, США), а также системы цифровой обработки сигналов быстропеременных процессов «Мониторинг БПП» (НИЦ ЦИАМ) и др. Программы в основном рассчитаны на применение МКЭ, быстрого преобразования Фурье и т. д. В настоящее время интенсивно проводится большая работа по совершенствованию программ для проведения расчетов на прочность, в частности:
– разрабатываются новые типы элементов;
– создаются новые версии как самих вычислительных ядер, так и пре-постпроцессоров;
– проводится работа по связи программ с лучшими зарубежными CAD-программами, внедряемыми на предприятиях России.
Особо следует отметить достижения в области математического моделирования сложных конструкций и взаимосвязанных процессов в них, а также в области верификации и аттестации программ. Перечислим основные направления исследований.
1. Решение проблем теплопроводности твердых тел.
2. Определение категорий напряжений при использовании МКЭ, программы оценки прочности.
3. Разработка методов решения систем уравнений с применением МКЭ.
4. Применение метода суперэлементов в задачах динамики и статики.
На настоящем этапе развития атомной энергетики одной из важнейших проблем является анализ опасности возникновения техногенных и природно-техногенных катастроф на АЭС с различными типами реакторов (ВВЭР, БН, РБМК), которые могут вызвать региональные и глобальные последствия. Обычно к авариям приводят ошибки следующих трех типов 7 – 10.
1. Технические ошибки, обусловленные неправильной эксплуатацией, неправильным проектированием, включая неправильное расчетное обоснование прочности, и неправильным изготовлением.
2. Организационные ошибки, вызванные тем, что руководитель проекта не предусмотрел организационные меры, предотвращающие технические ошибки.
3. Недостаточная квалификация ответственного лица.
В качестве примера можно привести типовые разрушения крупномасштабных мостовых конструкций в связи с растрескиванием и прогибом сварных ферм, потерей конструктивной устойчивости несущих опор и избыточным прогибом несущих элементов.
Необходимо также отметить существенный консерватизм отечественного подхода в сравнении с зарубежными подходами (США и Германия) к проведению расчетного обоснования прочности и долговечности рассматриваемых конструкций. Этот консерватизм прослеживается на всех этапах расчета (при выборе толщин стенок, коэффициентов снижения прочности; при определении областей применения различных формул и т. д.). Положительный эффект такого консерватизма заключается в снижении элемента риска при эксплуатации, а также в создании дополнительного запаса по ресурсу при обосновании продления ресурса установок.
Пособие представляет собой издание, которое включает в себя краткое описание научно-физических основ и расчетного комплексного подхода для оценки прочности и долговечности конструкций и машин в составе ЯЭУ.
Настоящее учебное пособие базируется на работах НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», ИМАШ РАН и на опыте их использования в учебной работе кафедры «Ядерные реакторы и установки» МГТУ им. Н.Э.Баумана при чтении лекций студентам шестого года обучения.
В пособии не рассматриваются задачи расчета таких тонкостенных конструкций, как ТВЭЛ, а также процессы виброизноса в среде теплоносителя. Однако в пособии нашел отражение опыт автора, приобретенный в ходе исследований при разработке и совершенствовании реализованных в производстве и эксплуатации известных моделей водо-водяных реакторов.
