Расчеты прочности сепаратора-пароперегревателя СПП-500-1 с модернизированной сепарационной частью. В рамках программы мероприятий по обеспечению ядерной, радиационной, технической и пожарной безопасности при эксплуатации АЭС (2006 г.)

Лабораторией «Вычислительная механика» по заказу ФГУП концерн «РОСЭНЕРГОАТОМ» выполнены расчеты пространственного теплового и термонапряженного состояния сепаратора-пароперегревателя СПП-500-1 с модернизированной сепарационной частью.

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).

Сепаратор-пароперегреватель является одной из важнейших составных частей АЭС и предназначен для осушки и перегрева пара, поступающего после цилиндра высокого давления турбины, работающей на насыщенном паре.

Установка представляет собой совокупность двух основных элементов: сепаратора и пароперегревателя. Сепаратор представляет собой набор отдельных сепарационных пакетов собранных из перфорированных листов.

В работе выполнены:

а) расчет пространственного теплового и напряженно-деформированного состояния сепаратора-пароперегревателя с модернизированной сепарационной частью;

б) поверочный расчёт на прочность и оценки прочности корпуса элементов сепаратора-пароперегревателя с модернизированной сепарационной частью.

в) определен спектр собственных частот колебаний дырчатого пола входной камеры и вертикальных дырчатых листов на входе и выходе сепарационных блоков и проверку условия их отстройки от детерминированных частот возмущения, а также проверку на отсутствие виброударных взаимодействий элементов конструкций с целью исключения повышенного износа;

г) проведены расчеты на циклическую прочность с учетом вибронапряжений. Расчеты выполнены в соответствии с требованиями нормативных документов на срок службы с момента ввлда в эксплуатацию – 30 лет.

Все выполненные в работе расчеты основаны:

• на "Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) / Госатомэнергонадзор СССР. – М.: Энергоатомиздат, 1089. – 525 с. – (Правила и нормы в атомной энергетике)"
• на "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.
• на методе конечных элементов и программной системе конечно-элеиентного анализа ANSYS, аттестованной бессрочно в Научно-техническом центре 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 паспота аттестации программного средства –  № 450, дата выдачи –  31.10.2002).

Пространственная геометрическая и конечно–элементная модели  сепаратора-пароперегревателя СПП-500-1 с модернизированной сепарационной частью

В процессе эксплуатации установка испытывает как механические нагружения (внутреннее давление, собственный вес и вес внутренних элементов), так и температурные напряжения, вызванные переменными режимами эксплуатации. В рамках проведенной работы в лаборатории “Вычислительная механика” разработаны пространственные геометрическая, конечно-элементная (КЭ) и математическая модели установки, учитывающие все основные элементы конструкции, включающие: сепарационные блоки, патрубки и присоединенные трубопроводы, пароперегреватель, входные и сливные камеры, опоры, и внутренние устройства.

Расчет на вибропрочность проведен в соответствии с ПНАЭ применительно к элементам конструкций, подвергающихся вибрационному нагружению (сепарационные пакеты, а именно перфорированные листы). Расчет на вибропрочность содержит определение спектра собственных частот колебаний и проверку условия их отстройки от детерминированных дискретных частот возмущения и проверку на отсутствие виброударных взаимодействий элементов конструкций с целью исключения повышенного износа, а также расчет на циклическую прочность с учетом вибронапряжений.

Пространственная геометрическая модель модернизированной сепарационной части СПП-500-1	Пространственная геометрическая модель сегмента дырчатого пола входной камеры и вертикальных дырчатых листов на входе и выходе сепарационных блоков

 

Основными расчетными нагрузками на СПП-500-1 являются:

• температурные воздействия и давления СПП в рабочем режиме;
• собственный вес корпуса СПП и весовые нагрузки трубной системы СПП, моделируемые с помощью эффективных плотностей;
• колебания парового пространства входной камеры сепарационной части СПП на характерных турбинных частотах. Амплитуда колебаний парового пространства консервативно принимается равной 10% давления на корпусе сепарационной части СПП.
• для выполнения вибрационного расчета граничными условиями на периметрах (в местах приварки) дырчатого пола входной камеры и вертикальных дырчатых листов на входе и выходе сепарационных блоков приняты жесткие заделки.

Основными расчетными режимами эксплуатации установки за 30 лет работыявляется режим НУЭ при действии вибраций парового пространства сепарационной части, число колебаний равно N = 94 608 000 000 = 9,461·10¹⁰.

Важно отметить, что для расчетов прочности разработаны пространственные конечно-элементные модели, которые позволили учесть все геометрические особенности дырчатого пола входной камеры и вертикальных дырчатых листов на входе и выходе сепарационных блоков.

На основе разработанных КЭ моделей:

Выполнен анализ 3-D термонапряженного состояния элементов установки для различных режимов работы, и выполнены оценки прочности, в соответствии с нормативными документами РДЭО-0330-01 и ПНАЭГ 7-002-86.

Распределение модуля вектора перемещений и распределение интенсивности приведенных напряжений при нормальных условиях эксплуатации

Пространственная конечно-элементная модель дырчатого пола входной камеры

Пространственная конечно-элементная модель вертикальных дырчатых листов на входе и выходе сепарационных блоков

Все расчеты выполнены на основе консервативных методик, т.е., при выполнении расчетов, все параметры и характеристики принимали значения и изменялись в пределах, которые заведомо приводят к более неблагоприятным результатам, следовательно, идут в запас прочности дырчатого пола входной камеры и вертикальных дырчатых листов на входе и выходе сепарационных блоков.

В результате выполненных расчетов установлено, что перемещения в дырчатом листе при гармоническом внешнем воздействии – колебании парового пространства – незначительны, следовательно, условие исключения возможных соударений элементов сепарационного пакета при вибрациях вертикальных дырчатых листов выполнено.

 

Модуль перемещения под действием гармонической нагрузки	Интенсивность напряжений под действием гармонической нагрузки

 

Модуль перемещения под действием гармонической нагрузки	Интенсивность напряжений под действием гармонической нагрузки

 

Выполненные расчеты показывают, что циклическая прочность дырчатого пола входной камеры и вертикальных дырчатых листов на входе и выходе сепарационных блоков в соответствии с ПНАЭ и РД обеспечена. В расчете показано, что условие отстройки от резонанса для дискретных турбинных частот для дырчатого пола номинальной толщиной  и вертикальных дырчатых листов с номинальной толщиной обеспечивается для первых четырех собственных частот.

Проведенные в работе исследования позволяют сделать вывод, что  в соответствии с требованиями нормативных документов ПНАЭ и РД прочность и работоспособность дырчатого пола входной камеры и вертикальных дырчатых листов на входе и выходе сепарационных блоков, обеспечены в течение заданного срока службы 30 лет.