1. Основы расчетного подхода для обоснования прочности и долговечности конструкций ядерных энергетических установок

1.1. Структура и состав расчетного подхода

Настоящий подход базируется на использовании отраслевых «Норм расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» [1] (в дальнейшем именуемых нормами), которые применяются для оценки прочности оборудования и трубопроводов АЭС, атомных теплоэлектроцентралей, атомных станций теплоснабжения и установок с исследовательскими или опытными реакторами с температурой теплоносителя не выше 873 К (600 С).

Общая структура и состав установленного для отрасли комплекса расчетно-экспериментальных работ в обоснование прочности, а также базовые данные, методы и методики исследования и расчета приведены на рис. 1.1 и 1.2.

В основу принятых в нормах [1] методов расчета положены принципы расчета по следующим предельным состояниям:

1) кратковременное разрушение (вязкое и хрупкое);

2) разрушение в условиях ползучести при статическом нагружении;

3) пластическая деформация по всему сечению детали;

4) накопление предельно допустимой деформации ползучести;

5) циклическое накопление пластической деформации, которое приводит к недопустимому изменению размеров или квазистатическому разрушению;

6) возникновение макротрещин при циклическом нагружении;

7) потеря устойчивости.

Рис. 1.1. Общая структура и основной состав расчетно-экспериментального комплекса в энергомашиностроении

Рис. 1.2. Базовые данные, методы и методики исследования и расчета

При температурах, не вызывающих ползучесть материала конструкции, расчет по указанным предельным состояниям выполняют с применением кратковременных характеристик прочности, пластичности и сопротивления деформированию материала, не зависящих от времени. Если эксплуатация оборудования и трубопроводов происходит при температурах, вызывающих ползучесть материала, то расчет проводят по указанным предельным состояниям с использованием характеристик кратковременной и длительной прочности, кратковременной и длительной пластичности и ползучести.

Расчет на прочность оборудования и трубопроводов при проектировании выполняют в два этапа:

1) расчет по выбору основных размеров;

2) поверочный расчет.

При оценке прочности оборудования и трубопроводов должны быть полностью удовлетворены требования расчета по выбору основных размеров и требования поверочного расчета.

При выполнении расчета по выбору основных размеров учитывают действующее на оборудование и трубопроводы давление (внутреннее и наружное), а для болтов и шпилек — усилие затяга.

В качестве основных характеристик материалов, используемых при определении значений допускаемых напряжений, приняты следующие: временное сопротивление; предел текучести; предел длительной прочности; предел ползучести (при ограничении деформации).

Для расчета по выбору основных размеров служат формулы, полученные методом предельных нагрузок, соответствующих следующим предельным состояниям: вязкое разрушение, охват пластической деформацией всего сечения элемента оборудования или трубопровода; потеря устойчивости и достижение предельной деформации.

После расчета по выбору основных размеров проводят поверочный расчет, включающий необходимые разделы из следующего перечня:

1) расчет на статическую прочность;

2) расчет на устойчивость;

3) расчет на циклическую и длительную циклическую прочность;

4) расчет на сопротивление хрупкому разрушению;

5) расчет на длительную статическую прочность;

6) расчет на прогрессирующее формоизменение;

7) расчет на сейсмические воздействия;

8) расчет на вибропрочность.

Поверочный расчет основывается на оценке прочности по допускаемым напряжениям, деформациям и коэффициентам интенсивности напряжения.

При поверочном расчете учитывают все действующие нагрузки (включая температурные воздействия) и рассматривают все режимы эксплуатации.

Поверочный расчет на статическую прочность проводят для определения напряжений при всех значениях нагрузок и температур в регламентированных проектом режимах работы установки, а также для сопоставления полученных значений с допускаемыми.

Поверочный расчет на устойчивость заключается в определении допускаемых нагрузок или допускаемого ресурса эксплуатации, превышение которых может привести к потере устойчивости при нагружении наружным давлением и сжимающими нагрузками.

Поверочный расчет на прочность при циклическом и длительном циклическом нагружении выполняют на основе анализа общей и местной напряженности элемента конструкции с целью исключения появления трещин.

Допускаемые амплитуды напряжений определяют исходя из характеристик циклической или длительной циклической прочности с введением запасов прочности по долговечности и напряжениям.

Поверочный расчет на сопротивление хрупкому разрушению проводят на основе сопоставления рассчитываемого коэффициента интенсивности напряжений с его критическим значением.

Длительную статическую прочность определяют, сопоставляя действующие напряжения во всех режимах с допускаемыми для исключения разрушения оборудования или трубопроводов при длительном статическом нагружении.

Поверочный расчет на прогрессирующее формоизменение выполняют на основе анализа напряженного состояния для исключения недопустимых остаточных изменений формы и размеров.

Поверочный расчет оборудования и трубопроводов на сейсмические воздействия осуществляют с учетом совместного действия эксплуатационных и сейсмических нагрузок.

Оценку прочности оборудования и трубопроводов проводят по допускаемым напряжениям, по допускаемым перемещениям, по критериям циклической прочности и устойчивости (последнее только для оборудования).

Расчет напряжений без учета концентраций выполняют в предположении линейно-упругого поведения материалов, за исключением особо оговоренных случаев.

При расчетах по выбору основных размеров повышение пределов прочности и текучести под действием облучения не учитывают. Снижение характеристик пластичности, сопротивления хрупкому, усталостному, длительному статическому разрушению и ползучести вследствие влияния облучения учитывают при проведении соответствующих расчетов с использованием этих характеристик.

Влияние рабочих сред на изменение характеристик прочности при необходимости должно учитываться в поверочном расчете на основе представительных экспериментальных данных.