close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка методов расчетно-экспериментального обоснования сейсмической безопасности оборудования АЭС в натурных условиях

код для вставкиСкачать
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы: На вводимых в эксплуатацию и действующих энергоблоках (ЭБ)
российских атомных электростанций (АЭС) в соответствии с действующими нормативными
документами
проводится
расчетно-экспериментальное
подтверждение
сейсмостойкости
оборудования, важного для безопасности. Необходимость этих работ связана с резонансным
характером сейсмических воздействий и обусловлена тем, что сейсмические нагрузки на
оборудование в значительной степени зависят от его динамических характеристик: собственных
частот и декрементов колебаний, надежное определение которых возможно только по результатам
динамических испытаний в натурных условиях раскрепления и трубопроводной обвязки
оборудования.
В связи со значительной трудоемкостью выполнения этих работ для многочисленного
состава важного для безопасности оборудования ЭБ АЭС, включающего 2 – 3 тысячи единиц
оборудования только первой категории сейсмостойкости, возникает актуальная задача поиска,
определения и реализации возможностей снижения объемов и стоимости работ при сохранении
требуемого уровня достоверности и надежности оценки сейсмостойкости за счет повышения
эффективности
расчетно-экспериментальной
оценки
сейсмостойкости
оборудования
и
использования результатов предшествующих проверок.
Целью диссертационной работы является разработка методов повышения эффективности
расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС в натурных условиях,
направленных на снижение трудоемкости работ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать
методы
выбора
оборудования
АЭС,
подлежащего
расчетно-
экспериментальному подтверждению сейсмостойкости.
2. Разработать методы применения отечественной базы данных сейсмической квалификации
оборудования.
3. Разработать условия применения методики оценки запаса сейсмостойкости на АЭС
отечественных проектов.
Научная новизна:
1. По результатам натурных исследований на различных ЭБ АЭС установлены основные типы
оборудования, имеющего низкие собственные частоты в резонансной области сейсмических
воздействий
и
подлежащие
обязательному
расчетно-экспериментальному
подтверждению
сейсмостойкости.
2. Разработаны критерии обоснованного сокращения перечня оборудования на этапе анализа
проекта и натурных испытаний путем исключения из списка оборудования первой категории
сейсмостойкости единиц, для которых проверка не является необходимой.
3. Обоснована возможность проведения исключений на основании данных о расположении,
обвязке, назначении, массовых характеристиках каждой конкретной единицы оборудования, в том
числе с использованием предложенной методики предварительной аналитической оценки низших
собственных частот колебаний системы оборудование – обвязка – опорные конструкции.
4. Разработаны критерии и алгоритмы выбора типопредставителя(ей) из группы идентичных
единиц оборудования для проведения расчетного анализа на основании результатов испытаний по
определению собственных динамических характеристик.
4
5. На основании ранее разработанных критериев и методов обоснованного сокращения
трудоемкости расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС и на
основе систематизации и обобщения результатов расчетно-экспериментальных обследований
определены набор параметров для включения в базу данных сейсмической квалификации и ее
структура для оценки сейсмостойкости оборудования косвенными методами.
6. Разработана
модифицированная
методика
оценки
запаса
сейсмостойкости,
предусматривающая возможности обоснованного сокращения объемов работ, в том числе
исключения расчетно-экспериментальной оценки, основанные на использовании отечественной
базы сейсмической аттестации собственной разработки.
Степень достоверности результатов исследований подтверждается:
1. Применением современных методов постановки, проведения и обработки результатов
исследования
с
использованием
физических
особенностей
технологических
процессов,
протекающих в РУ, конструкционных особенностей основного оборудования РУ и используемых
средств измерений.
2. Применением математических и статистических методов исследований с использованием
современной вычислительной техники.
3. Положительными результатами практического использования разработанных методов.
Практическая значимость результатов работы:
1. Снижена
трудоемкость
расчетного
анализа
сейсмостойкости
оборудования
путем
применения разработанных критериев выбора единицы для расчета из ряда идентичных или из
серии. Поскольку данные единицы представляют наибольшую опасность в условиях действия
сейсмических нагрузок, подтверждение их сейсмостойкости гарантирует сейсмостойкость
остальных единиц группы, для которых расчеты проводить не требуется.
2. Показана возможность снижения трудоемкости расчетно-экспериментальной оценки
сейсмостойкости оборудования АЭС за счет применения разработанной автором отечественной
базы данных сейсмической квалификации оборудования.
3. Определены возможности и разработаны условия снижения трудоемкости оценки
сейсмостойкости оборудования АЭС за счет применения модифицированной методики оценки
запаса сейсмостойкости на АЭС отечественных проектов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методы
выбора
оборудования
АЭС,
подлежащего
расчетно-экспериментальному
подтверждению сейсмостойкости.
2. Разработка и методы применения отечественной базы данных сейсмической квалификации
оборудования.
3. Разработка условий применения методики оценки запаса сейсмостойкости на АЭС
отечественных проектов.
Личный вклад автора в полученные результаты.
Исследования, представленные в настоящей диссертации, выполнены лично соискателем в
процессе научно-исследовательской и практической деятельности. В работы, выполненные в
соавторстве, автор внес определяющий вклад в части, относящейся к теме диссертации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и
обсуждались на 5-й МНТК молодых ученых и специалистов атомной отрасли "КОМАНДА-2013",
5
Санкт-Петербург, 2013 г., 9-й МНТК "Обеспечение безопасности на АЭС с ВВЭР", г. Подольск,
ОКБ "Гидропресс", 2015 г., 17-й ежегодной конференции молодых специалистов по ядерным
энергетическим установкам, г. Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2015 г., 22-й МНТК студентов и
аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика», Москва, 2016 г., 4-й МНТК «Ввод АЭС в
эксплуатацию», Москва, ОАО «Атомтехэнерго», 2016г., а также на семинарах, заседаниях НТС и
совещаниях в АО «Концерн «Росэнергоатом», ОАО «Атомэнергопроект», АО «Атомтехэнерго» и
на различных АЭС в России.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в в 8-ми печатных работах, в том
числе 3-х публикациях в ведущих рецензируемых научно-технических журналах, а также в ряде
отчетов о работах при вводе в эксплуатацию ЭБ АЭС с РУ ВВЭР-1000, ВВЭР-1200, БН-800, в
программах и методиках испытаний при вводе в эксплуатацию ЭБ №№3,4 Ростовской АЭС, №4
Белоярской АЭС, №6 Нововоронежской АЭС, №1 Ленинградской АЭС-2.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и
списка использованной литературы из 67-ми наименований. Общий объем диссертации составляет
140 страниц, включая 48 рисунков и 14 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, определена цель работы,
изложено ее краткое содержание, приведены положения, составляющие научную новизну работы и
являющиеся предметом защиты.
В первой главе приведен обзор предшествующих работ и нормативных документов по
проблеме обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС в натурных условиях. Показана
необходимость экспериментального исследования собственных динамических характеристик
ответственного за безопасность оборудования для обеспечения его устойчивости к внешним
воздействиям резонансного характера.
Обсуждены действующие российские и международные нормативные требования к
обоснованию сейсмостойкости, показана сложившаяся в настоящее время структурная схема
специальной
нормативной
документации,
регулирующей
обеспечение
сейсмостойкости
оборудования и систем АЭС и по сути предписывающей обязательную проверку сейсмостойкости
оборудования непосредственно на АЭС в реальных условиях монтажа, раскрепления и обвязки.
Рассмотрены роль и место в этой структуре методики натурного подтверждения динамических
характеристик систем и элементов ЭБ АЭС, важных для безопасности, дополняющей действующую
нормативную базу в части методических требований к определению собственных динамических
характеристик и позволяющей на основе знания этих характеристик гарантировать адекватность
оценок сейсмостойкости. Рассмотрено содержание методики, показано, что она надежна и
эффективна, однако такой подход сопряжен с определенными трудностями, такими как:
 наличие
большого
количество
единиц
оборудования,
подлежащего
расчетно-
экспериментальному анализу. На одном ЭБ обследуется до 2000 единиц оборудования и
трубопроводов систем безопасности;
 длительность проведения работ;
 потребность в существенном количестве трудовых и финансовых ресурсов для
обеспечения своевременного выполнения работ.
6
Рассмотрены применяемые за рубежом метод граничной сейсмостойкости и методика
оценки запаса сейсмостойкости (seismic margin assessment (SMA)) в сравнении с методикой,
применяемой в России. Показано, что принятое в зарубежных методах исключение расчетноэкспериментальной оценки в натурных условиях приводит к снижению достоверности и
надежности,
связанному
с
недостаточной
методической
обоснованностью
использования
зарубежных баз данных сейсмической аттестации оборудования, особенно в отечественных
условиях, поскольку эти базы недоступны.
Тем не менее, мировой опыт сейсмической квалификации ЭБ АЭС по методике SMA
необходимо учитывать и использовать в целях снижения затрат и трудоемкости работ.
В качестве актуальной цели настоящей работы определена разработка методов расчетноэкспериментального обоснования сейсмической безопасности оборудования АЭС в натурных
условиях путем реализации возможностей снижения объемов и стоимости работ при сохранении
требуемого уровня достоверности и надежности оценки сейсмостойкости оборудования.
На рис. 1 представлен разработанный автором обобщенный алгоритм диссертационного
исследования. В соответствии с ним для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
– Разработать методы выбора оборудования АЭС, подлежащего расчетно-экспериментальному
подтверждению сейсмостойкости, в том числе:
o установить основные типы оборудования, имеющего низкие собственные частоты;
o разработать критерии и обосновать возможность исключения из списка единиц, для которых
проверка не является необходимой;
o снизить трудоемкость расчетного анализа путем разработки и применения критериев выбора
типопредставителей из групп идентичных единиц.
– Разработать отечественную базу данных сейсмической квалификации оборудования и
методы ее применения, в том числе:
o определить набор параметров для включения в базу;
o определить структуру базы;
o модифицировать методику оценки запаса сейсмостойкости для реализации возможностей
обоснованного сокращения объемов работ за счет использования базы.
Во
второй
главе
рассмотрена
проблема
сокращения
количества
оборудования,
подлежащего расчетно-экспериментальному подтверждению сейсмостойкости.
Возможно исключение из перечня обследуемого оборудования единиц, для копий которых в
ходе предыдущих проверок получены экспериментальные значения собственных частот выше 20
Гц, не попадающие в резонансную область сейсмических воздействий. Также исключаются из
рассмотрения: вспомогательное малогабаритное оборудование; вспомогательная малогабаритная
трубопроводная арматура с ручным приводом; крупногабаритное оборудование массой свыше 100
т; автономное электротехническое оборудование (без внешних связей, влияющих на его
динамическое поведение), сейсмостойкость которого изучалась на вибростендах или расчетноэкспериментальным методом при строгом воспроизводстве условий монтажа и раскрепления.
7
Разработка методов расчетно-экспериментального обоснования сейсмической безопасности оборудования АЭС в
натурных условиях
Выбор оборудования, подлежащего расчетно-экспериментальной
проверке сейсмостойкости
Методы и средства
экспериментальных
исследований собственных
динамических характеристик
Методы обработки и
анализа
экспериментальных
данных
Разработка методов и процедур
испытаний
Сокращение перечней
оборудования, подлежащего
расчетно-экспериментальной
проверке сейсмостойкости, на
основании предварительной
оценки низших собственных
частот
Методы расчетного
анализа сейсмостойкости
оборудования в натурных
условиях
Разработка отечественной
базы данных сейсмической
квалификации
оборудования АЭС
Определение критериев и
разработка алгоритмов
выбора единицы для
расчета из ряда
идентичных или из серии
Состав
данных
БДСК
Выбор оборудования для
проведения расчетного
анализа
Структура и
содержание
БДСК
Критерии
отбора
Выбор оборудования,
подлежащего расчетноэкспериментальному
подтверждению сейсмостойкости
Сравнительный анализ
зарубежных и российских
методологий оценки
сейсмостойкости
Методология оценки запаса
сейсмостойкости (SMA)
Процедуры
расчетноэкспериментально
й оценки
сейсмостойкости
оборудования АЭС
с применением
базы данных
Имплементация
методологии SMA на
АЭС отечественных
проектов
Обоснование сейсмостойкости
оборудования с применением
БДСК
Натурное расчетно-экспериментальное обоснование сейсмостойкости оборудования АЭС
Рис. 1. Обобщённый алгоритм диссертационного исследования
Разработаны методы сокращения объёма исследований и продолжительности расчетноэкспериментального подтверждения сейсмостойкости на основании предварительной оценки низших
собственных частот. Разработаны критерии отбора типопредставителей из группы идентичного
оборудования для проведения расчетного анализа на основании результатов испытаний по
определению собственных динамических характеристик, для котороых положительные результаты
расчетной оценки сейсмостойкости будут гарантировать сейсмостокость всей группы.
Выявлены основные типы оборудования, имеющие низкие собственные частоты, лежащие в
резонансной области сейсмических воздействий. Также выявлены типы оборудования, отказ от
испытаний которых станет возможным при дальнейшем пополнении базы данных сейсмической
квалификации.
Помимо сокращения перечня с обращением к базе данных возможен способ, основанный на
предварительной оценке низших собственных частот аналитическим методом. Данный способ
требует подробных данных о конструкции, однако не требует наличия результатов предыдущих
исследований.
Собственные частоты могут быть рассчитаны с применением частотных уравнений для
изгибных и продольных колебаний систем с одной степенью свободы. Для схем, одинаковых по
структуре, но отличающихся по значениям параметров, автором предлагается строить графики
зависимостей низшей собственной частоты ν от параметров системы, например, от массы M, и
использовать их для быстрой оценки низшей частоты собственных колебаний.
На рис. 3 представлены зависимости низших частот собственных колебания для консольного
стержня с сосредоточенной массой на конце (рис. 2), где l – высота опорной конструкции, E – модуль
упругости материала, F, J – суммарная площадь и наименьший момент инерции горизонтального
поперечного сечения опорной конструкции.
Рис. 2. Консольный стержень с сосредоточенной массой на конце
Уравнение для продольных колебаний системы представленной на рис. 2 имеет вид:
 l
E
 




 tg 





 l    F l
 0,

M
E
  

(1)
где

-
плотность
материала
опорной
конструкции; ν - частота.
Корни данного уравнения определяются численно. На рис. 4 показаны зависимости низшей
собственной частоты ν продольных колебаний системы от высоты опорной конструкции l как с
учетом, так и без учета её массы. Видно, что учет массы опорной конструкции снижает оцененную
собственную частоту, но расхождение уменьшается с уменьшением площади сечения конструкции, и
предварительная грубая оценка окажется более справедливой для конструкций с сечением меньшей
площади.
9
J, см4
J, см4
а)
б)
Рис. 3. Зависимости низших частот собственных колебаний ν от геометрических характеристик
опорных конструкций J и l: а – изгибные колебания, б – продольные
200
100
l, м
Рис. 4. Зависимость низшей частоты собственных продольных колебаний системы (рис. 2) от высоты
конструкции: (······) – без учета массы опорной конструкции; (–––) – с учетом массы опорной
конструкции
Графики рис. 4 могут быть построены для различных значений массы оборудования.
Пользуясь ими, можно ограничить области значений параметров системы, при которых ожидаются
высокие (например, выше 50 Гц) экспериментальные собственные частоты.
Для случая изгибных колебаний системы, представленной на рис. 2, с учетом массы опорной
конструкции в графическом виде представлена связь частотного параметра
(2)
c параметром M/ml, показанная пунктирной линией на рис. 5, где m – масса единицы длины опорной
конструкции (интенсивность массы). Автором получена зависимость, аппроксимирующая эту связь в
виде соотношения:

l M

M

 1.379  exp   0.35 
ml

 ml 

0.8

  0.496


(3)
Относительная разность значений при такой аппроксимации составляет не более 15% в
интервале значений 0<(M/ml)<1, не более 10% в интервале значений 0<(M/ml)<3 и не более 6% в
интервале 0<(M/ml)<∞. Как видно из рис. 5, оценка собственной частоты с применением
аппроксимирующей функции для интервала 0<(M/ml)<1 может оказаться завышенной на величину до
15% по отношению к оценке, выполненной по методике, представленной в справочной литературе.
10
Полученные погрешности следует учитывать при выполнении оценки низшей собственной частоты
каждой конкретной системы.
α·l
2
1,5
[2]
1
0,5
Рис. 5. Связь между параметрами колебательной системы, представленной на рис. 2
После преобразования уравнения (3) явное выражение для первой собственной частоты
изгибных колебаний системы, представленной на рис. 2, с учетом массы опорной конструкции
принимает вид:
изг
0.8




1.379  exp   0.35   M    0,496 



 ml  



2
2
EJ
ml
(4)
Графическое представление данной связи показано на рис. 5. Приняты следующие значения
параметров системы: l =0,6 м, J =10000 см4.
Предварительную оценку значений собственных частот можно выполнить численно с
помощью метода конечных элементов, имея в наличии программу. Автором написана программа,
автоматически выполняющующая построение расчетной модели согласно введенным значениям
параметров типовой системы.
Автором исследовано влияние массы опорной конструкции на низшую собственную частоту ν
системы, представленной на рис. 2. Соответствующие графики, позволяющие оценить частоту по
значениям основных параметров систем, представлены на рис. 6.
На графике рис. 6 показано влияние сосредоточенной массы на низшую собственную частоту
системы, представленной на рис. 2.
Рис. 6. Зависимость низшей собственной частоты изгибных колебаний системы,
представленной на рис. 2
11
По
завершении
испытаний
расчетно-экспериментальная
оценка
сейсмостойкости
предусматривает проведение расчетного анализа, которому подлежат не все единицы, а
типопредставители,
подтверждение
сейсмостойкости
которых
гарантирует
сейсмостойкость
одновременно нескольких идентичных единиц.
Расчет на сейсмостойкость проводится одним из следующих методов:
 статическим (в случаях, когда низшая экспериментальная собственная частота единицы
выше 20 Гц);
 линейно-спектральным. Данный метод более трудоемок.
В случае, когда в группе идентичных единиц, расположенных в одинаковой конфигурации,
все представители имеют низшую частоту выше 20 Гц, вопрос о выборе одной наиболее опасной
перестаёт быть актуальным, поскольку нагрузка в данном диапазоне частот слабо зависит от частоты
(рис. 6). В данном случае группу единиц возможно квалифицировать и на основании обращения к
разработанной автором базе данных, если оборудование ранее было рассчитано на более высокие
нагрузки.
Рис. 6. Пример поэтажного спектра ответа, определяющего нагрузки на оборудование в условиях
землетрясения.
В случае, когда лишь одна единица из группы имеет низшую частоту меньше 20 Гц, вопрос о
выборе также неактуален, так как расчет единственной «выпавшей» единицы следует выполнять
линейно-спектральным методом. Для случая, когда более чем одна единица из группы имеет низшие
собственные частоты в диапазоне 0-20 Гц, то есть при необходимости выполнять расчет линейноспектральным методом, в диссертации представлен алгоритм ввода критериев выбора единиц,
представляющих наибольшую опасность, подтверждение сейсмостойкости которых расчетом
гарантирует сейсмостойкость оставшихся единиц с учетом данных динамических испытаний по
определению собственных динамических характеристик. Алгоритм основан на определении
спектральных ускорений, соответствующих экспериментальным собственным частотам, вычислении
по значениям ускорений специальных параметров, характеризующих сейсмическую нагрузку, и их
сравнении для различных единиц. Данные параметры учитывают спектральные ускорения с
весовыми коэффициентами вклада соответствующих форм колебаний при перемещениях вдоль
рассматриваемой оси.
В третьей главе представлена верификация расчетной модели. Показаны возможные
причины несоответствий расчетных и экспериментальных данных.
Использование критериев отбора наиболее нагруженной единицы из группы идентичных,
12
описанных ранее, проверено практическим путем. Рассмотрен алгоритм верификации расчетной
модели на примере расчета клапана запорного сильфонного с электроприводом. Данная арматура
относится к первой категории сейсмостойкости, т.к. разрыв системы может привести к утечке
радиоактивных веществ. Из 66-ти идентичных клапанов ВВЭР-1000 в качестве типопредставителя
выбран горизонтально расположенный клапан без собственной опоры. Расчетная схема включает два
клапана на линии проверки обратного клапана.
Расчетная конечно-элементная модель представлена на рис. 7.
Рис.
3
7.
–
Расчетная
клапан
модель:
обратный;
–
1
4
клапан
–
опора
запорный
1;
2
–
клапан
скользящая;
5
–
трубопровод
запорный
2;
(18x2,5мм);
6 – опора неподвижная; 7 – опора скользящая направляющая; 8 – связи конечной жесткости;
9 – трубопровод (38х3,5);
Полученные в результате первичного расчета собственные частоты не согласуются с
результатами динамических испытаний. А именно, имеют значительные отличия экспериментальных
собственных частот от расчетных.
Для случаев отсутствия согласованности расчетных и экспериментальных данных, автором
выявлены следующие возможные причины:

некорректное проведение испытаний;

значительное несоответствие модели, построенной по чертежам проекта, реальному
объекту;

некорректный выбор границ расчетного участка;

субъективность в интерпретации экспериментальных результатов, а именно – спектров
Фурье затухающих колебаний.
При выявлении несоответствий расчетных и экспериментальных результатов следует
проанализировать влияние каждого из перечисленных факторов на результаты расчета собственных
частот.
В первую очередь предлагается пересмотреть результаты обработки экспериментальных
данных.
При
фиксации
значений
собственных
частот
по
спектрам
Фурье
записанных
13
экспериментальных акселерограм вследствие влияния человеческого фактора возможна ошибочная
оценка соответствия пиков реальным значениям собственных частот системы. В особенности, с
учетом помех, таких как колебания посторонних объектов, влияние среды.
При проведении испытаний неверной интерпретации может способствовать близость
собственных частот одной и той же системы, соответствующих кардинально отличающимся формам
колебаний, Например, при возбуждении трубопроводной системы с установкой датчика на приводе
одной из двух близко расположенных идентичных арматур есть вероятность получения двух близких
значений частот колебаний арматуры относительно трубопровода. Кроме того, существенное
влияние может оказывать некорректность выбора места установки датчика и места приложения
усилия.
В случае, когда пересмотр результатов обработки экспериментальных данных не приводит к
достижению соответствия расчета и эксперимента, автором предлагается пересмотреть выбор границ
расчетного участка.
Наиболее трудоемкими являются проверка корректности проведения испытаний и не
обнаруженных в результате осмотра неочевидных несоответствий реального объекта проекту и
построенной по чертежам проекта расчетной модели. Такая проверка требует повторного доступа к
оборудованию, ее следует выполнять в последнюю очередь.
После уточнения данных производится повторный расчет собственных частот модели.
Уточнение данных продолжается до достижения удовлетворительной согласованности расчетных и
экспериментальных результатов.
По завершении верификации расчетной схемы проводится расчет усилий в модели в условиях
действия
сейсмических
нагрузок.
Нагрузки
задаются
поэтажными
спектрами
ответа,
соответствующими отметке и ориентации оборудования. Спектры выбираются с учетом полученных
по результатам обработки экспериментальных данных декрементам затухающих колебаний объекта.
Как правило, в целях обеспечения консервативности все три спектра по направлениям X, Y, Z
выбираются соответствующими наименьшему из полученных декрементов для всех трех осей
воздействия и частот в интервале 0-33 Гц.
По результатам расчетной оценки участка трубопровода на устойчивость к сейсмическим
воздействиям рассматриваемая в диссертации схема не является сейсмостойкой в исходном
исполнении. Принимались следующие критерии сейсмостойкости:
 прочность трубопроводов в местах присоединения клапанов и опор;
 прочность неподвижной опоры под клапаном по допускаемым напряжениям одновременно
не выполняется. Напряжения категории ( s ) 2 по нормам прочности в трубопроводе от действия
нагрузок при нормальных условиях эксплуатации и максимальном расчетном землетрясении в
сечении присоединения арматуры превышают допускаемые []=212 мПа (рис. 8).
Проведен расчетный анализ всех возможных случаев раскрепления клапанов DN15 системы
ввода бора по результатам динамических испытаний, проведенных на ЭБ №3 Ростовской АЭС
(РСТАЭС), при этом установлено:
 несейсмостойкими являются все задвижки, расположенные горизонтально и не имеющие
собственных опор;
 длинные неподкрепленные участки трубопроводов обуславливают наличие низких
собственных частот.
14
Рис. 8. Приведенные напряжения (МПа) от совместного действия статических нагрузок и
сейсмического воздействия одновременно по осям x, y, z
Данный результат, полученный для оборудования ЭБ №3 РСТАЭС, подтверждает ожидания,
сформулированные по результатам предшествующей проверки, выполненной на ЭБ №4 Калининской
АЭС (КлнАЭС): наибольшую опасность с точки зрения сейсмостойкости представляет арматура на
трубопроводах малых диаметров. Для рассматриваемых в главе клапанов недостаточная
сейсмостойкость обусловлена характерной особенностью: массивный электропривод монтируется на
корпус клапана и отстоит от места крепления патрубков на значительное расстояние - 400 мм.
Результаты, полученные в данной работе, подтверждают справедливость предложенного критерия
выбора оборудования для расчетного анализа сейсмостойкости по результатам определения
собственных динамических характеристик. С целью повышения стойкости к сейсмическим
воздействиям
рассмотренного
несейсмостойкого
объекта
автором
предложено
введение
дополнительной опоры (рис. 9). Представлен расчет усовершенствованного варианта, в результате
его сейсмостойкость подтверждена.
Таким образом, при верификации расчетной модели показана возможность повышения
достоверности расчета сейсмических нагрузок за счет выявления факторов, влияющих на
несоответствие расчетных и экспериментальных данных и снижения степени влияния этих факторов.
В
четвертой
главе
предложены
методы
повышения
эффективности
расчетно-
экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС с применением разработанной
автором отечественной базы данных сейсмической квалификации. Описана процедура оценки с
обращением к базе данных.
В настоящее время по результатам проведенных обследований накоплен значительный объем
данных по квалифицированному на сейсмостойкость оборудованию (более
8000 единиц
оборудования – трубопроводной арматуры, насосов, теплообменников, резервных дизельных
электростанций и др.) как на этапе ввода в эксплуатацию, так и при продлении сроков эксплуатации
ЭБ АЭС. База данных включает в себя материалы проведенных обследований. Объем данных по
каждой квалифицированной единице оборудования содержит до 30 численных значений параметров
каждого объекта, а также графики, чертежи, паспортные и расчетные данные и другую информацию.
15
Документом МАГАТЭ (Evaluation of seismic safety for existing nuclear installations // Vienna.:
International atomic energy agency. Safety guide No.NS-G-2.13, 2009.) рекомендуются косвенные
методы квалификации оборудования на сейсмостойкость с применением специальных процедур,
основанных на сравнении характеристик рассматриваемого оборудования и его “аналога” из
существующих в США баз данных. В диссертации показано, что существующие в США базы данных
не могут быть использованы для оценки сейсмостойкости российских АЭС и требуется наличие
отечественной базы.
Рис. 9. Приведенные напряжения (МПа) от совместного действия статических нагрузок и
сейсмического воздействия одновременно по осям x, y, z
Разработанная
база
данных
содержит
универсальные
квалификационные
карты
обследованных единиц оборудования, включающие в себя полный набор параметров, получаемых в
ходе исследования. Поскольку российские нормативные документы требуют обязательного изучения
собственных динамических характеристик оборудования в натурных условиях монтажа и
трубопроводной
характеристиках,
обвязки,
а
отечественая
именно:
база
данных
экспериментальные
содержит
значения
информацию
низших
и
собственных
об
этих
частот и
соответствующие декременты затухающих колебаний.
Интерфейс базы данных создается на платформе электронной площадки АО «Атомтехэнерго»
с открытым доступом для специалистов предприятия. Основополагающими принципами создания
БДСК являются удобство ввода и поиска информации, получаемой и обрабатываемой на всех этапах
расчетно-экспериментальных обоснований сейсмостойкости, возможность автоматического анализа
и сопоставления различных данных.
В главе перечислены параметры, вносимые в базу на каждом из следующих этапов:
- составление перечня;
- подготовка к испытаниями и визуальному осмотру;
- испытания по определению собственных динамических характеристик;
- обработка экспериментальных результатов;
- анализ испытаний, выбор оборудования для расчетного анализа, составление расчетных схем;
16
- проведение расчетов;
- оформление отчетной документации в соответствии с универсальными шаблонами.
В 2015 г. при определяющем участии автора завершено полнообъемное исследование
сейсмостойкости важного для безопасности тепломеханического оборудования ЭБ №3 РСТАЭС при
вводе в эксплуатацию. Данные, содержавшиеся в базе данных, были использованы автором при
оценке сейсмостойкости оборудования ЭБ №3 РСТАЭС. Данная работа явилась вторым
обследованием ЭБ с реактором типа ВВЭР-1000, выполненным в полном объеме, а впервые такая
работа была выполнена в рамках ПНР ЭБ №4 КлнАЭС в 2011-12 гг. На момент начала работ на ЭБ
№3 РСТАЭС БДСК уже содержала результаты расчетно-экспериментальной проверки оборудования
ЭБ №2 РСТАЭС и ЭБ №4 КлнАЭС, которые были использованы при обследовании ЭБ №3 РСТАЭС.
Посредством обращения к базе квалифицировалась большая часть оборудования ЭБ №3
РСТАЭС, имеющего низшие собственные частоты свыше 20 Гц. Это связано с тем, что для
высокочастотного оборудования сейсмические нагрузки выражаются конечным набором чисел
(спектральных значений) и, соответственно, подлежат сравнению. Для совпадающих по функции
единиц оборудования сравнивались следующие параметры:
-
номенклатура, основные геометрические размеры, массы, рабочие характеристики;
-
экспериментальные резонансные частоты, декременты колебаний;
-
конфигурация и рабочие характеристики трубопроводной обвязки.
В случае установления соответствий по перечисленным параметрам обследуемая единица
оборудования ЭБ №3 РСТАЭС квалифицировалась без проведения расчета на сейсмостойкость на
основании результатов ранее выполненного обследования соответствующей единицы на ЭБ №4
КлнАЭС или ЭБ №2 РСТАЭС. В результате проведенного анализа и сопоставлений для 172 (из
общего количества 1300) единиц оборудования ЭБ №3 РСТАЭС заключение о сейсмостойкости было
сделано без проведения расчетного обоснования, в основном для жесткого оборудования с
собственными частотами выше 20 Гц (в зарезонансной области сейсмических воздействий), расчеты
которого проводились ранее статическим методом.
Опыт применения БДСК для оценки сейсмостойкости оборудования ЭБ №3 РСТАЭС
показывает, что при дальнейшей оптимизации работ следует обратить особое внимание на
массивное, обособленное оборудование. Результаты динамических испытаний такого оборудования,
многократно подтверждающие наличие только высоких собственных частот, позволят в будущем
отказаться от экспериментов и оценивать запас сейсмостойкости такого оборудования только по
результатам сравнения или сопоставления спектров, задающих нагружение и спектров, на которые
ранее было оценено оборудование.
Разработанная автором База данных является наиболее существенным инструментом
сокращения трудозатрат при проведении расчетно-экспериментальной проверки сейсмостойкости,
поскольку при обращении к Базе производятся только сравнения ряда параметров и не производятся
расчеты собственных частот и форм колебаний, а также расчеты на прочность.
В пятой главе рассмотрена модификация методики SMA для практического применения на
АЭС отечественных проектов. В отличие от исходной SMA модификация не предполагает отказа от
расчетно-экспериментальной оценки сейсмической безопасности, однако в ней предусмотрены
возможности обоснованного сокращения объема работ, в том числе исключение расчетно-
17
экспериментальной оценки при условии достаточного обоснования другими менее трудоемкими
процедурами.
Запас сейсмостойкости оценивается при продлении срока эксплуатации ЭБ АЭС, пересмотре,
повышении безопасности, вероятностном анализе безопасности, разработке условий эксплуатации,
аварийных инструкций, установлении технических требований к оборудованию, модернизации и
реконструкции.
Требования к оценке сейсмической безопасности определяются следующими условиями,
которые следует определить до начала выполнения SMA:
- функции безопасности;
- путь и список оборудования безопасного останова;
- исходные условия во время землетрясения;
- требования к системам во время землетрясения;
- резервные пути безопасного останова.
Методика SMA основана на определении перечня конструкций, систем и элементов (КСЭ),
демонстрация которыми приемлемых характеристик сейсмостойкости обеспечивает высокую
уверенность в том, что ЭБ успешно достигнет безопасного состояния после произошедшего
землетрясения.
Оценке подлежат только те КСЭ, которые участвуют в приведении ядерной установки из
нормальных условий эксплуатации к состоянию безопасного останова. Функции безопасности ЭБ для
соответствующей группы КСЭ, выбранных для оценки, определяются как «путь безопасного
останова».
В главе приведены основные этапы SMA:
 формирование экспертной группы для выполнения оценки;
 разработка программы SMA ЭБ АЭС;
 назначение уровня землетрясения для которого должна проводиться оценка;
 определение КСЭ, участвующих в “пути безопасного останова”;
 сбор исходных данных для оценки запаса сейсмостойкости;
 проведение обходов: предварительного и детального;
 оценка запаса сейсмостойкости выбранных для оценки КСЭ;
 оценка запаса сейсмостойкости ЭБ.
В программе оценки должны быть отражены:
 цель проведения работ;
 условия проведения работ (готовность и исходное состояние ЭБ и систем, используемая
аппаратура);
 ответственность персонала;
 мероприятия, обеспечивающие безопасное проведение работ;
 мероприятия по подготовке к выполнению программы;
 перечень измеряемых и контролируемых параметров;
 порядок и последовательность выполняемых операций по этапам выполнения работ;
 критерии завершения работ, приемочные критерии;
 алгоритм обработки результатов обследований;
18
 формы представления данных и результатов;
 перечни КСЭ, подлежащих оценке.
Землетрясение уточненного уровня может быть задано непосредственно регулирующим
органом или эксплуатирующей организацией в виде максимального уровня колебаний грунта,
который будет использоваться для целей оценки.
В исходные данные должны быть включены вся общая и специальная документация,
использованная на этапах проектирования и сооружения, документация по реконструкции и
модернизации ЭБ.
Обход, выполняющийся в исходной методологии SMA согласно специальной процедуре GIP,
предполагает отнесение оборудования к одному из двадцати классов на основании сопоставления
ряда признаков. Также целью обходов является оценка состояния на данный момент времени
фактических условий на ЭБ (т.е. состояния “как есть”). Для каждого из классов установлены
критерии “отсева” каждой конкретной позиции из дальнейшего рассмотрения. Процедура GIP не
отрицает, а допускает и изучение собственных частот исследуемого оборудования с целью уточнения
применяемых к нему критериев. Российские требования по изучению динамических характеристик
оборудования (Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты
использования атомной энергии. НП 064-17). Концерн «Росэнергоатом».), в свою очередь, не
противоречат процедуре GIP, а могут быть и должны быть в значительном числе случаев в нее
включены.
Запас сейсмостойкости отдельных КСЭ и всего ЭБ характеризуется параметром “Высокая
достоверность низкой вероятности отказа” (ВДНВО), который в рамках методологии SMA
вычисляется детерминистически – как отношение параметра, характеризующего стойкость к
параметру, характеризующего нагрузку, умноженное на характеристику землетрясения – пиковое
ускорение грунта. Соответственно, ВДНВО имеет размерность ускорения. Соотношение ВДНВО и
пикового ускорения грунта представляет собой коэффициент запаса.
Для российских ЭБ оценка значений ВДНВО – ключевого параметра SMA, характеризующего
запас сейсмостойкости для каждого конкретного элемента, и “отсев” (скрининг) могут быть
проведены только с обращением к базе данных, накопленных по результатам обследований
отечественных ЭБ. По этой причине адаптация SMA для выполнения на отечественных ЭБ
предполагает следующие мероприятия:
 анализ данных, накопленных в отчественной базе, формирование новых классов
оборудования, аналогичных классам GIP, уточнение признаков классов по мере пополнения базы;
 формулировка новых критериев сейсмостойкости по отечественной базе данных для
каждого класса, уточнение критериев по мере пополнения;
 анализ применения классов GIP для российских проектов АЭС.
По мере выполнения обследования в соответствии с методологией SMA и предлагаемой
автором адаптированной процедурой, выявляются несейсмостойкие КСЭ. С учетом техникоэкономических оценок принимается решение о выборе варианта повышения сейсмостойкости,
которыми могут являться:

разработка и внедрение компенсирующих мероприятий, например, дополнительное
усиление опорных конструкций, дополнительное раскрепление, установка демпферов,
ограничителей перемещений и др.;
19

замена оборудования на новое (модернизированное);

проведение дополнительных расчетов и/или испытаний.
Выводы
1. По результатам натурных исследований на различных ЭБ АЭС установлены основные типы
оборудования, имеющего низкие собственные частоты в резонансной области сейсмических
воздействий
и
подлежащие
обязательному
расчетно-экспериментальному
подтверждению
сейсмостойкости.
2. Разработаны критерии обоснованного сокращения перечня оборудования на этапе натурных
испытаний путем исключения из списка оборудования первой категории сейсмостойкости единиц,
для которых проверка не является необходимой.
3. Обоснована возможность проведения исключений на основании данных о расположении,
обвязке, назначении, массовых характеристиках каждой конкретной единицы оборудования, в том
числе с использованием предложенной методики предварительной аналитической оценки низших
собственных частот колебаний системы “оборудование – обвязка – опорные конструкции”.
4. Разработаны критерии и алгоритмы выбора одного (нескольких) типопредставителя(ей) из
группы идентичных единиц оборудования для проведения расчетного анализа на основании
результатов испытаний по определению собственных динамических характеристик.
5. Снижена трудоемкость расчетного анализа сейсмостойкости оборудования путем применения
разработанных критериев выбора единицы для расчета из ряда идентичных или из серии. Поскольку
данные единицы представляют наибольшую опасность в условиях действия сейсмических нагрузок,
подтверждение их сейсмостойкости гарантирует сейсмостойкость остальных единиц группы, для
которых расчеты проводить не требуется.
6. На основании ранее разработанных критериев и методов обоснованного сокращения
трудоемкости расчетно-экспериментальной оценки сейсмостойкости оборудования АЭС и на основе
систематизации и обобщения результатов расчетно-экспериментальных обследований определены
набор параметров для включения в базу данных сейсмической квалификации и ее структура для
оценки сейсмостойкости оборудования косвенными методами.
7. При верификации расчетной модели показана возможность повышения достоверности
расчета сейсмических нагрузок за счет выявления факторов, влияющих на несоответствие расчетных
и экспериментальных данных и снижения степени этого влияния.
8. Показана
возможность
снижения
трудоемкости
расчетно-экспериментальной
оценки
сейсмостойкости оборудования АЭС за счет применения разработанной автором отечественной базы
данных сейсмической квалификации оборудования.
9. Модифицирована методика оценки запаса сейсмостойкости (SMA), предусматривающая
возможности обоснованного сокращения объемов работ, в том числе исключения расчетноэкспериментальной оценки, основанные на использовании отечественной базы сейсмической
аттестации собственной разработки.
10. Определены
возможности
и
разработаны
условия
снижения
трудоемкости
оценки
сейсмостойкости оборудования АЭС за счет применения модифицированной методики оценки запаса
сейсмостойкости на АЭС отечественных проектов.
20
Основные результаты опубликованы в следующих работах:
1. И.И. Зайкин, К.Г. Касьянов, А.Д. Емельянова, А.П. Казновский, С.И. Рясный. Расчетноэкспериментальное обоснование сейсмостойкости оборудования АЭС. V международная научнотехническая конференция молодых ученых и специалистов атомной отрасли "КОМАНДА-2013".
Сборник тезисов. Санкт-Петербург, 2013, с. 60-62.
2. Емельянова А.Д., Зайкин И.И. Казновский А.П., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Щугорев
А.В., Рясный С.И. Выбор оборудования АЭС, подлежащего расчетно-экспериментальному
подтверждению сейсмостойкости // Электрические станции. № 5, 2014, с. 4-11.
3. Сааков Э.С., Рясный С.И., Зайкин И.И., Касьянов К.Г., Казновский П.С., Казновский А.П.,
Щугорев
А.В.
Повышение
эффективности
расчетно-экспериментальной
оценки
сейсмостойкости оборудования АЭС с применением базы данных // Атомная энергия, – 2015. –
Том 118. – Вып. 3 (март), с. 137-141.
4. Э.С. Сааков, С.И. Рясный, И.И. Зайкин, К.Г. Касьянов, П.С. Казновский, А.П. Казновский, А.В.
Щугорев.
Повышение
эффективности
расчетно-экспериментальной
оценки
сейсмостойкости
оборудования АЭС с применением базы данных сейсмической аттестации. 9-я международная
научно-техническая конференция «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Сборник тезисов
докладов. Подольск. ОКБ «Гидропресс», 2015, с. 38-39.
5. Рясный С.И., Зайкин И.И., Казновский А.П. Разработка базы данных сейсмической аттестации
оборудования АЭС. Сборник трудов 17-й ежегодной Конференции молодых специалистов по
ядерным
энергетическим
установкам.
ОКБ
«ГИДРОПРЕСС».
–
Подольск,
2015,
http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/kms-015/autorun/index-ru.htm
6. Сааков Э.С., Рясный С.И., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Зайкин И.И. Методология
оценки запаса сейсмостойкости зданий, сооружений и оборудования существующих АЭС //
Атомная энергия, – 2016. – Том 120. – Вып. 2 (февраль), с. 83-90.
7. И.И. Зайкин, С.И. Рясный. Методология оценки запаса сейсмостойкости зданий, сооружений и
оборудования существующих АЭС. 22-я международная научно-техническая конференция студентов
и аспирантов «Радиотехника, электротехника и энергетика». Сборник тезисов на компакт-диске. 26
февраля 2016 г.
8. Рясный С.И., Зайкин И.И., Казновский П.С., Касьянов К.Г. Обоснование сейсмостойкости
технологического оборудования энергоблока №3 Ростовской АЭС с применением базы данных
сейсмической квалификации. 4-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в
эксплуатацию». Сборник тезисов. Москва. АО «Атомтехэнерго», 2016, с. 61-63.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа