Обеспечение надежности и безопасности эксплуатации тепломеханического и электротехнического оборудования при повышении мощности энергоблоков АЭС. Расчеты прочности и обоснование проведения периодических освидетельствований сепаратора-пароперегревателя Смоленской АЭС без гидравлических испытаний корпусов (2007 г.)

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

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.

Пространственная геометрическая модель сепаратора-пароперегревателя СПП-500-1

Установка представляет собой совокупность двух основных элементов: сепаратора и пароперегревателя.

Сепаратор представляет собой цилиндрический сварной сосуд высотой 4367 мм с наружным диаметром 4160 мм. Основными узлами сепаратора являются: Корпус, состоящий из обечайки и приваренного к ней крышки, в крышку вварены два патрубка Ду – 700, один для отбора пара (четвертый обор турбины), другой для присоединения предохранительных клапанов. На обечайке корпуса расположены два патрубка Ду – 200 для слива сепарата и один патрубок для подвода влажного пара.  

В верхней части корпуса СПП расположены:

а) центральная труба Ду-1200, переходящая в верхней части в переходной выходной патрубок, по которому осуществляется отвод перегретого пара из СПП;

б) сепарационное устройство;

г) цилиндрическая проставка с линзовым компенсатором. Проставка помещается между сепарационным устройством и центральной трубой. Сепарационное устройство состоит из 20 унифицированных блоков, расположенных радиально в кольцевом пространстве между обечайкой корпуса и центральной трубой. В сепарационном устройстве отделение влаги осуществляется на поверхности сепарирующих элементов. Сепарирующие элементы – жалюзи, представляют собой волнообразно изогнутые листы, расположенные вертикально и набранные в пакеты. Пакеты жалюзи прикрепляются к вертикальным стойкам каркаса. Каждый пакет в нижней части имеет корыто, по которому сливающийся в него сепарат отводится к центру аппарата.  Каждый унифицированный блок состоит из трех вертикально расположенных пакетов, Для равномерного распределения потока пара по каждому пакету перед ним установлены направляющие лопатки, а за пакетам установлены дырчатые щиты.   Соседние блоки отделены друг от друга радиально расположенным изогнутым листом, образующим вместе с передним блоком клиновидный, сужающийся к низу канал для распределения пара по пакетам, а с задним такой же канал, но расширяющийся к низу для выхода осушенного пара.

Пароперегреватель содержит следующие основные узлы:

а) корпус;

б) теплообменная установка 1-ой и 2-ой ступеней перегрева;

в) четыре камеры подвода греющего пара;

г) четыре камеры отвода конденсата греющего пара;

Корпус пароперегревателя состоит из обечайки и приваренной к ней нижней опорной юбки. Нижняя часть опорной юбки представляет собой плиту толщиной 135 мм. В опорную юбку вварено днище пароперегревателя с патрубком Ду-50 для опорожнения СПП. На обечайке корпуса находятся 8 патрубков в которых расположены камеры подвода греющего пара и отвода его кондесата.

Теплообменная установка 1-ой и 2-ой ступеней перегрева состоит из отдельных однотипных кожухотрубных теплообменников, так называемых модулей, представляющих собой трубы в которые вварены трубные доски. В трубных досках развальцованы и обварены трубки ?25x2 к центру верхней трубной доски каждого модуля. В верхнюю часть патрубка вварен штуцер Ду-20 для отвода неконденсирующихся газов, в нижнюю часть – штуцер Ду-120 для отвода конденсата греющего пара.

Общий вид СПП-500-1

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 разработаны и исследованы 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.

Расчетная модель установки. NDF = 2 257 000

Основными расчетными нагружающими факторами на корпус СПП являются:

• давление гидроиспытаний;
• температурные воздействия и давления СПП в рабочем режиме;
• собственный вес корпуса СПП и весовые нагрузки трубной системы СПП, моделируемые с помощью эффективных плотностей;
• нагрузки и моменты компенсации со стороны присоединенных трубопроводов.

Основными расчетными режимами эксплуатации установки за 25 лет работы с момента ввода в эксплуатацию и 30 лет работы после модернизации являются:

• Режим НУЭ-1 (пуск–остановка) – общее число пусков N₁ = 344:
  N₁₀ = 144 цикла за 25 лет работы с момента ввода в эксплуатацию;
  N_1м = 200 циклов за30 лет работы после модернизации.
   
• Режим НУЭ-2 (пульсация давления нагреваемого пара – +/-5% от рабочего давления) – N₂ = 4,33 ?10¹⁰– общее число циклов:
  N₂₀ = 1,97 ?10¹⁰ пульсаций давления за 25 лет работы с момента ввода в эксплуатацию;
  N_2м = 2,36 ?10¹⁰ пульсаций давления за30 лет работы после модернизации.
   
• Режим ГИ (гидроиспытания) - общее число гидроиспытаний N_ГИ =  18:
  N_ГИ0 = 8 – циклов за 25 лет работы с момента ввода в эксплуатацию;
  N_ГИм = 10 – циклов за30 лет работы после модернизации.

Фрагменты расчетной КЭ модели

На основе разработанных КЭ моделей:

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

 

Распределение модуля вектора перемещений в режиме гидроиспытаний	Распределение интенсивности приведенных напряжений при нормальных условиях эксплуатации

 

Выполненные расчеты показывают, что статическая и циклическая прочность корпуса СПП в соответствии с ПНАЭ и РД обеспечена.

Для обоснования отмены гидроиспытаний при периодических технических освидетельствованиях СПП рассмотрен трещиноподобный дефект, моделирующий несплошность, представлен пространственно ориентированным эллиптическим разрезом (трещиной). Максимально возможный линейный размер рассматриваемого эллиптического разреза выбран в соответствии с ПНАЭ Г-07-016-89, и расположен внутри наиболее нагруженной зоне (по результатам расчетов напряженного состояния СПП) стенки корпуса в местах недоступных для контроля при техническом освидетельствовании СПП-500-1.

Схема расположения одиночного и скопления трещиноподобных дефектов, моделирующих несплошности внутри стенки корпуса

Выполненные расчеты показывают, что циклическая прочность СПП в соответствии с ПНАЭ и РД обеспечена.

На основе детального анализа пространственного напряженного состояния методом многоуровневого субмоделирования с учетом возможного пространственного контактного взаимодействия берегов трещин (дефектов) в окрестности фронтов пространственных криволинейных трещин в наиболее опасныхзонах вычислены коэффициенты интенсивности напряжений K_I. 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 25 лет эксплуатации.

Распределение размаха приведенных напряжений для области корпуса, содержащей скопление возможных дефектов

Расчеты увеличения размеров трещин при статическом и циклическом нагружении корпуса СПП при заданных возможных дефектах основного металла корпуса при консервативной схематизации дефекта в виде трещины в соответствие с РД показывают:

• рост трещины при статическом нагружении незначительный;
• максимальный прирост трещины имеет место в наиболее нагруженной части корпуса пароперегревателя с учетом расчетных режимов и гидроиспытаний при эксплуатации в течение 25 лет составляет при выборе максимального запаса прочности 10 по РД [2], соответственно, Dа ~ 0,00007 мм.  Это означает, что в условиях эксплуатации СПП режимы работы и периодические гидроиспытания не оказывают влияния на прирост размеров внутреннего дефекта основного металла корпуса.