Список выполненных НИОКР

Конечно-элементный анализ пространственного напряженно-деформированного состояния рабочего колеса главного циркуляционного насоса ГЦН-1391, содержащего конструктивные непровары, Оценка работоспособности конструкции (2007 г.)

Отрасли промышленности:
Ключевые слова Главный циркуляционный насос (ГЦН), Тяньваньская АЭС, конструктивный непровар, 3-D криволинейная трещина, трещиноподобный дефект, 20 миллиардов пульсаций, 3-D тепловое состояние, 3-D напряженное состояние, множественное контактное взаимодействие, расчеты прочности, статическая и циклическая рочность, расчетное обоснование работоспособности ГЦН на 40 лет эксплуатации
Программное обеспечение CAD-система, ANSYS
Период проведения 2007 г.

Лабораторией «Вычислительная механика» (CompMechLab) СПбГПУ по заказу ЦКБ машиностроения(«ЦКБ ЭНЕРГОНАСОС») и АтомСтройЭкспорт выполнены расчеты пространственного теплового и термонапряженного состояния рабочего колеса главного циркуляционного насоса ГЦН-1391 (ГЦН), содержащего конструктивные непровары, выполнена оценка статической и циклической прояности, оценка работоспособности рабочего колеса ГЦН, содержащего конструктивные непровары, моделируемые как 3-D криволинейные трещины. 

Для выполнения работы лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab) СПбГПУ обладает:

  • лицензией Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору «На эксплуатацию блоков атомных станций в части выполнения работ и предоставления услуг эксплуатирующей организации»;
  • бессрочной коммерческой лицензией на программную систему конечно-элементного анализа (CAE-систему) ANSYS (напомним, что программная система ANSYS аттестована бессрочно в НТЦ по ядерной и радиационной безопасности Федерального надзора России по ядерной и радиационной безопасности (регистрационный номер программного средства в ЦОЭП при РНЦ “Курчатовский институт” – № 490, дата регистрации –  10.09.2002, регистрационный номер паспорта аттестации программного средства –  № 450, дата выдачи –  31.10.2002).

Главные циркуляционные насосы предназначены для поддержания надежной устойчивой циркуляции теплоносителя через реактор и основное теплообменное оборудование ЯЭУ, что является необходимым условием надежного теплоотвода из активной зоны реактора, транспортирования тепла в теплообменное оборудование и дальнейшего его использование в соответствии с технологической схемой.

На АЭС с реакторами РБМК и ВВЭР используется вертикальный центробежный с уплотнением вала насос (см. общий вид насоса) с приводом от асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Насос и электродвигатель соединены эластичной муфтой. По условиям компоновки ГЦН объединены в группы по четыре (три работающих, один резервный).

Общий вид ГЦН-1391

Общий вид ГЦН-1391

В работе на основе разработанных простраственных конечно-элементных моделей с помощью программной системы конечно-элементного анализа ANSYS выполнены:

а) расчет пространственного теплового и напряженно-деформированного состояния для различных режимов эксплуатации рабочих колес 1391-42-0002 ГЦН-1391, установленных на Тяньваньской АЭС;

б) поверочный расчёт на прочность и оценки прочности рабочих колес при наличии конструктивных непроваров - зон непроплавления в сварных швах приварки лопасти к основному и покрывающему дискам; в качестве моделей конструктивных непроваров выступают пространственные криволинейные трещины переменной ширины.

Расчеты проведены на срок службы – 40 лет.

Все выполненные в работе конечно-элементные расчеты основаны на следующих нормативных документах:

  • "Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-0002-86) / Госатомэнергонадзор СССР. – М.: Энергоатомиздат, 1089. – 525 с. – (Правила и нормы в атомной энергетике, ПНАЭ)";
  • "Руководство по расчету на прочность оборудования и трубопроводов реакторных установок РБМК и ВВЭР на стадии эксплуатации" (РД ЭО 0330-01) / Росэнергоатом. – М.: 2001. – 139 с. (применяемое для оценки прочности оборудования и трубопроводов РБМК и ВВЭР с температурой металла до 350 оС на стадии эксплуатации);

Пространственная геометрическая модель рабочего колеса ГЦН-1391

Пространственная геометрическая модель рабочего колеса ГЦН-1391
(желтым цветом выделена 1/6 часть конструкции)

Основными расчетными режимами эксплуатации установки за 40 лет работы являются:

Режим НУЭ-1 ("Нормальные Условия Эксплуатации", "пуск–остановка") –  общее число пусков N1 = 1 000:

  • N= 0,23 ?N1 = 230 пусков на холодной воде;
  • N= 0,77 ?N1 = 770 пусков на горячей воде.

Режим НУЭ-2 ("пульсациии крутящего момента"  –   ±5 % от Мкр)

  • N2 =  2,10 ?1010 – общее число циклов:
  • N= 0,42 ?1010 – циклов на холодной воде;
  • N = 1,68 ?1010 – циклов на горячей воде.

Кроме режимов НУЭ-1 и НУЭ-2 рассмотрены также обобщенные режимы, составленные консервативно (в запас прочности) - НУЭ-3, ННУЭ, АС-1, АС-2:

Режим НУЭ-3 (диапазон изменения температуры рабочей среды 290 – 275 °C, скорость изменения температуры рабочей среды 1 °C/c)

  • N3 =  35 000 – общее число циклов

Режим ННУЭ ("Нарушение НУЭ"; диапазон изменения температуры рабочей среды 290 – 280 °C, скорость изменения температуры рабочей среды 2,5 °C/c)

  • N4 =  653 – общее число циклов

Режим АС-1 ("Аварийная Ситуация"; диапазон изменения температуры рабочей среды 290 – 268 °C, скорость изменения температуры рабочей среды 1,5 °C/c)

  • N5-1 =  28 – общее число циклов

Режим АС-2 (диапазон изменения температуры рабочей среды 290 – 70 °C, скорость изменения температуры рабочей среды 0,22 °C/c)

  • N5-2 =  20 – общее число циклов

Принимаемая в расчете схематизация дефектов (конструктивных непроваров) должна обеспечивать получение консервативных оценок прочности. Схематизация дефектов основана на следующих принципах (п. 4.2.6. РД):

а)  для возможных несплошностей в сварных швах в качестве расчетного дефекта принята расчетная трещина, как наиболее опасный тип дефекта;

б)  в качестве расчетных дефектов приняты подповерхностные дефекты;

в)  в качестве расчетных размеров дефектов приняты максимально возможные размеры.

Трещиноподобный дефект, моделирующий конструктивный непровар, представлен пространственно-ориентированной полосой (трещиной), имеющей ширину (глубину) от 4 мм до 7 мм, и расположенной вдоль траектории корня сварного шва, определяемой технологией изготовления. Протяженность трещиноподобного криволинейного дефекта равна 700 мм.

Расположение трещиноподобных дефектов (технологических непроваров) в сварных швах между лопастью и основным и покрывающим дисками

Расположение трещиноподобных дефектов (технологических непроваров)
в сварных швах между лопастью и основным и покрывающим дисками

На рисунках представлены пространственная конечно-элементная модель всего рабочего колеса в целом и виды пространственной КЭ модели 1/6 части рабочего колеса с учетом циклической симметрии геометрии и нагрузок.

Трещина рассматривается в виде криволинейного разреза в пространстве. На берегах трещины ставятся условия контактного взаимодействия. Это позволяет описать сложное поведение трещины в процессе деформирования - множественное контактное взаимодействие, когда берега могут вступать в контактное взаимодействие друг с другом (трещина закрыта) или раскрываться (трещина открыта).

Пространственная конечно-элементная модель рабочего колеса в целом

Пространственная конечно-элементная модель рабочего колеса в целом

Пространственная конечно-элементная макромодель 1/6 части рабочего колеса

Пространственная конечно-элементная макромодель 1/6 части рабочего колеса

Основными расчетными нагрузками на рабочее колесо ГЦНА-1391, состоящее из основного диска, покрывающего диска и лопасти между ними,  являются:

  • гидравлическое давление на лопасти, уравновешенное крутящим моментом на рабочем колесе, а также пульсационные поверхностные нагрузки, приложенные к лопасти, составляющие +/- 5% от номинала и вызванные гидродинамическими силами;
  • центробежные нагрузки от вращения рабочего колеса;
  • температурные воздействия, меняющиеся во времени в соответствии с заданными зависимостями;
  • поверхностные нагрузки, распределенные по внутренним и внешним поверхностям основного и покрывающего диска.

На основе разработанных 3-D КЭ моделей:

Выполнен анализ 3-D теплового и термонапряженного состояния колеса ГЦН для различных режимов работы. Выполнены оценки прочности в соответствии с нормативными документами РДЭО-0330-01 и ПНАЭГ 7-002-86.

 Модуль вектора перемещений, м

 Модуль вектора перемещений, м

Распределение приведенных напряжений, МПа

Распределение приведенных напряжений, МПа

При расчете статической прочности рабочего колеса рассматривали категории напряжений Sigma1, Sigma2 и SigmaRV. За максимальные напряжения Sigma1 и Sigma2, соответственно, принимались консервативно (в запас прочности) максимальные мембранные напряжения и максимальные суммы мембранных и изгибных напряжений в рабочем колесе от центробежных сил и поверхностных нагрузок за исключением сингулярных напряжений на фронтах трещин.

Выполненные расчеты показывают, что статическая прочность рабочего колеса в соответствии с ПНАЭ и РД обеспечена.

Выполненные расчеты показывают, что циклическая прочность рабочего колеса за весь срок службы 40 лет в соответствии с ПНАЭ и РД обеспечена.

На основе детального анализа пространственного напряженного состояния с учетом возможного пространственного контактного взаимодействия берегов трещин (конструктивных непроваров) в окрестности фронтов пространственных криволинейных трещин в наиболее опасных зонах вычислены коэффициенты интенсивности напряжений KI, KII, KIII.

На основании уравнения Пэриса, в котором для хромоникелевой коррозионно-стойкой стали аустенитного класса 18?8 и сварных соединений применены коэффициенты, учитывающие коррозионное влияние среды, вычислены возможные приросты фронтов трещин за 40 лет эксплуатации.

Расчеты увеличения размеров трещин при статическом и циклическом нагружении рабочего колеса при заданных конструктивных непроварах в сварных швах приварки лопастей к основному и покрывающему дискам при консервативной схематизации непроваров в виде трещины в соответствие с РД показывают:

  • рост трещин при статическом нагружении незначительный;
  • максимальный прирост трещины имеет место на внешней стороне лопасти, с учетом расчетных режимов НУЭ, ННУЭ, АС при эксплуатации в течение срока службы 40 лет незначителен.

Распределение интенсивности напряжений в области непровара

Распределение интенсивности напряжений в области непровара

С целью оценки размеров допускаемых на конец срока эксплуатации дефектов (конструктивных непроваров), выявленных в основном металле рабочего колеса ГЦН-1391, изготовленного из коррозионно-стойкой аустенитной стали, выполнены расчетные исследования упруго-пластического поведения сварного соединения и анализ условий достижения пластической нестабильности (по предельным пластическим состояниям). Важно отметить, что в расчете различали возможность возникновения как общей пластической нестабильности, которой соответствует разрушение полного сечения сварного соединения с непроваром, так и возможность возникновения локальной пластической нестабильности – разрушение перемычки между дефектом (непроваром, трещиной) и внешней поверхностью сварного соединения. Установлено, что ни локальной, ни общей пластической нестабильности не возникает как для трещин глубиной 7 мм, так и даже для гипотетических трещин глубиной до 20 мм.

Дополнительно к расчетным исследованиям, выполненным на основе российских нормативных документов ПНАЭ и РД, по требованию китайских надзорных органов, выполнен анализ R6-диаграммы “Integrity-Fracture”, который позволяет сделать вывод, что в соответствии с CEGB-нормами Великобритании трещиноподобный дефект (конструктивный непровар) не прорастает во всех режимах эксплуатации.

R6-диаграмма Integrity-Fracture

R6-диаграмма Integrity-Fracture

В работе выполнены конечно-элементные исследования пространственного теплового и напряженно-деформированного состояния рабочего колеса ГЦН-1391, содержащего конструктивные непровары, проведены оценки статической и циклической прочности, выполнены оценки сопротивления хрупкому разрушению при статическом и циклическом нагружении, а также оценки возможности возникновения пластической  нестабильности конструкции с трещинами.

Представленные результаты позволяют утверждать, что в соответствии с требованиями нормативных документов ПНАЭ и РД прочность и работоспособность рабочего колеса ГЦНА-1391 обеспечены во всех режимах эксплуатации в течение заданного срока службы 40 лет.