close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Расчетно-экспериментальное обоснование вибропрочности трубопроводов АЭС

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ГОРЮНОВ
Олег Владимирович
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ВИБРОПРОЧНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ АЭС
05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая
проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2018
Работа выполнена в отделе прочности и ресурса энергооборудования ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»), Санкт-Петербург.
Научный руководитель:
Словцов Сергей Владимирович, кандидат технических наук;
Официальные оппоненты:
Гетман Александр Федорович, доктор технических наук, профессор; руководитель
проекта отдела надежности АЭС АО «Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций» (АО «ВНИИАЭС»), Москва;
Панов Владимир Александрович, доктор технических наук; начальник отдела
обоснования прочности и ресурса реакторных установок транспортного назначения
АО «Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И.И. Африкантова» (АО
«ОКБМ Африкантов»), Нижний Новгород.
Ведущая организация: АО «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля» (АО «НИКИЭТ»),
Москва.
Защита диссертации состоится 22.06.2018 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 520.023.01 при ОАО «НПО ЦКТИ» по адресу: 191167, СанктПетербург, ул. Атаманская, д. 3/6.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО
«НПО ЦКТИ» и на сайте http://www.ckti.ru/GoryunovOV.html.
Автореферат разослан «12» апреля 2018 г.
Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
E-mail: kg1210@mail.ru
Тел.: +7-960-261-7261
Ученый секретарь
диссертационного совета
Кругликов
Пётр Александрович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время одной из наиболее актуальных
задач в атомной отрасли становится проблема ресурса. Большая часть разрушений в эксплуатации связана с зарождением и развитием усталостных трещин
в сочетании с воздействием других эксплуатационных факторов, что делает
важным прикладное значение методов оценки характеристик сопротивления
усталости при реальных условиях эксплуатации. Мероприятия, направленные
на уточненный анализ прочности и ресурса одновременно способствуют повышению безопасности АЭС.
Трубопроводы АЭС занимают важное место в задачах безопасности и ресурса эксплуатации энергоблока. Трубопроводы АЭС – это сложная пространственная система, состоящая из прямых участков, гибов (отводов, колен),
тройников, переходов, различной формы компенсаторов, фитингов, запорной,
регулирующей и предохранительной арматуры, которые работают в сложных и
тяжелых условиях нагружения. Выход из строя отдельных компонентов трубопровода может привести к необходимости отключения части оборудования
блока, что приводит к снижению мощности и экономичности установки, а в
некоторых случаях к полному останову энергоблока.
В соответствии с требованиями НП-096-15 в конструкторской документации на трубопроводы АЭС должны быть установлены и обоснованы ресурсные
характеристики и критерии оценки ресурса; предусмотрены системы и (или)
способы контроля параметров, определяющих ресурс трубопроводов АЭС в
течение всего срока их службы, в частности, вибрационных характеристик.
Вибрационные нагрузки, возникающие в элементах конструкций под действием потока теплоносителя, являются одним из факторов, который может
ограничить назначенный срок службы, но не может быть в полной мере учтен
на стадии проектирования.
Актуальность совершенствования методов обоснования вибропрочности
трубопроводов и исследований конструкций в условиях действия эксплуатационных динамических нагрузок продиктована необходимостью оценки ресурса
трубопроводов в условиях продления и обеспечения надежности длительной
эксплуатации (45 лет и более).
Тема диссертационной работы посвящена оценке вибронапряженного состояния и расчетно-экспериментальному обоснованию вибропрочности трубопроводов АЭС. Область исследований: методы управления сроком службы
объектов ядерной техники.
3
Степень разработанности темы. Исследованием напряженного состояния и ресурса трубопроводов занимались Светлицкий А.П., Костовецкий Д.Л.,
Григорьев В.Н, Иванов Б.Н., Феодосьев Л.М., Фокин Б.С., Болотин В.В., Челомей В.С., Пальмов В.А. и др. Результаты этих исследований отражены в справочниках и нормах расчета на прочность.
Однако в связи с большой сложностью рассматриваемых процессов и пробелами в разработке и апробации критериев моделирования не всегда удается
обоснованно перенести результаты модельных испытаний на натурные конструкции. Теоретические исследования вибрации пространственных систем
трубопроводов осложнены большим разнообразием геометрических форм и
отсутствием достоверных сведений об условиях закрепления, внешних нагрузках и демпфировании.
В настоящее время в нормативных документах (ПНАЭ Г-7-002-86) отсутствуют методики по динамическому расчету конструкций, что затрудняет
оценку вибронапряженного состояния трубопроводов на всех этапах жизненного цикла и решение других вопросов, связанных с колебаниями трубопроводов. Тем не менее, установленные нормы и правила НП 001-15 требуют обосновывать предлагаемые конкретные технические решения в соответствии с современным уровнем развития науки, техники и производства.
Целью работы является развитие методов обоснования вибропрочности
трубопроводов АЭС. Для достижения поставленной цели необходимо решить
следующие задачи:
1. На основе теоретических и экспериментальных исследований обосновать
выбор критерия вибропрчности трубопроводов АЭС;
2. На основе вероятностного подхода разработать метод приведения широкополосного случайного многоосного нагружения к эквивалентному гармоническому одноосному;
3. На основе теоретических исследований и обобщения экспериментальных
данных разработать математическую модель динамического поведения трубопроводов, учитывающую гидродинамическое воздействие теплоносителя;
4. Разработать методический подход обследования вибрационного состояния
трубопроводов АЭС на основе расчетно-экспериментальных методов;
5. Апробировать предложенный методический подход к обоснованию вибропрочности трубопроводов АЭС на экспериментальных данных, полученных
в промышленных условиях;
4
6. Разработать рекомендации по использованию результатов работы для обоснования вибропрочности трубопроводов АЭС (на стадии проекта и в эксплуатации).
Автором получены результаты, обладающие научной новизной:
1. Предложен силовой критерий вибропрочности трубопроводов АЭС;
2. На основе вероятностного подхода предложен метод приведения широкополосного случайного многоосного нагружения к эквивалентному гармоническому одноосному;
3. На основе промышленных исследований получен обширный материал о параметрах вибрации трубопроводов на всех основных режимах эксплуатации
реакторных установок с РБМК-1000 и ЭГП-6;
4. На основе экспериментальных исследований показана эффективность использования теории локально-изотропной турбулентности при моделировании гидродинамического возбуждения колебаний трубопровода;
5. Предложена математическая модель динамического поведения трубопроводов, учитывающая гидродинамическое воздействие потока теплоносителя;
6. Разработан единый методологический подход к расчетному анализу вибронапряженного состояния трубопроводов АЭС. Разработана и апробирована
методика обследования трубопроводов на предмет их вибрационного состояния.
Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:
предложенные количественный критерий вибропрочности и метод приведения вибрационного нагружения к гармоническому на основе вероятностного
анализа позволяют однозначно выполнить оценку циклической прочности трубопроводов;
на основе механики сплошной среды обоснован выбор математической
модели колебаний трубопровода и получено общее аналитическое решение при
гидродинамическом воздействии теплоносителя, позволяющие оценить спектральную плотность приведенных вибронапряжений.
Практическая значимость исследования обоснована тем, что:
полученную базу экспериментальных данных целесообразно использовать
для обоснования кинематического критерия вибропрочности трубопроводов
АЭС;
усовершенствована методика измерений и обработки экспериментальных
данных параметров вибрации трубопроводов, что позволило существенно сни-
5
зить трудозатраты, повысить мобильность экспериментальной группы и снизить на неё радиационную нагрузку;
предложенный методологический подход позволяет обосновать вибрационную надежность трубопроводов АЭС, определить регламент контроля, объемы и сроки замены оборудования;
результаты работы могут быть использованы для совершенствования нормативной документации по обоснованию вибропрочности трубопроводов АЭС,
как на этапе проектирования (при назначении требований к оборудованию), так
и в эксплуатации (при текущем мониторинге), а также в других отраслях (теплоэнергетике, нефтегазовой, химической и других).
Методы исследования: использовались аппарат математической физики,
методы вероятностного анализа и математической статистики, численное моделирование, лабораторный эксперимент и промышленные исследования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. количественный критерий вибропрочности трубопроводов АЭС;
2. метод приведения широкополосного случайного многоосного нагружения к эквивалентному гармоническому одноосному;
3. экспериментальное обоснование применения спектральной плотности
пульсаций давления в форме распределения Колмогорова–Обухова;
4. математическая модель динамического поведения трубопроводов, учитывающая гидродинамическое воздействие потока теплоносителя;
5. решение задачи динамического поведения трубопроводов, позволяющее
проводить анализ динамического напряженного состояния;
6. методика обследования вибрационного состояния трубопроводов на основе методов виброметрирования;
7. экспериментальные данные о параметрах вибрации трубопроводов АЭС.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований,
планировании и организации основных этапов работы. Диссертанту принадлежат: результаты аналитических и численных исследований; совершенствование
методик проведения и обработки результатов измерений; совершенствование
комплексной методики обследования трубопроводов АЭС; обработка и обобщение экспериментальных данных стендовых и промышленных испытаний.
Часть работ (эксперименты на стенде и в промышленных условиях) выполнена
совместно с сотрудниками ОАО «НПО ЦКТИ», чье участие отмечено в тексте
диссертации.
6
Достоверность результатов, выводов и рекомендаций определяется:
строгостью математических и вероятностных методов анализа; применением
сертифицированных средств измерений и вычислительных программ; удовлетворительным согласованием результатов расчетов и экспериментальных данных, полученных на физической модели и действующем промышленном оборудовании.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IV и VII научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов
атомной отрасли – «КОМАНДА-2012» и «КОМАНДА-2017» (АО «Атомпроект»)
(Санкт-Петербург, 2012 и 2017); отраслевом научном семинаре «Обоснование вибропрочности конструкций атомной техники» (АО «ВНИИАМ») (Москва, 2014, 2016 и
2017); 13-й Международной конференции «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» (ФГУП «ЦНИИ КМ
«Прометей») (Санкт-Петербург, 2014); конференциях молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике» (ОА «НИКИЭТ») (Москва, 2015 и 2017); 18-й и 19-й
международных конференциях молодых специалистов по ядерным энергетическим
установкам (ОКБ «ГИДРОПРЕСС») (г. Подольск, 2016 и 2017); НТС ОАО «НПО
ЦКТИ» (2017) и СПбПУ (2017).
Публикации. По результатам работы имеется 15 публикаций, в том числе
9 статей в журналах из перечня ВАК. Диссертант является соавтором 24 отчетов по НИР. Совместно с научным руководителем выпущена монография
«Проблемы обоснования вибропрочности трубопроводов АЭС».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения, списка литературы, включающего 195 источников. Диссертация изложена на 172 с. текста, имеет 54 рисунка и 17 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цель и
задачи, научная новизна и практическая значимость полученных результатов,
приведены основные положения, выносимые на защиту.
Методология обоснования вибропрочности трубопроводов состоит из
обоснования выбора критерия вибропрочности (глава 2), оценки характеристик
динамического напряженно-деформированного состояния (НДС) (глава 3) на
основе измерения кинематических параметров вибрации (глава 4) и в соответствии с апробированной методикой обследования трубопроводов на предмет
их вибрационного состояния (глава 5).
7
В первой главе проведен анализ причин вибрации и существующих подходов к обоснованию вибропрочности трубопроводов АЭС.
К трубопроводам АЭС предъявляют повышенные требования по надежности и безопасной эксплуатации, от которых зависит ядерная безопасность и ресурс оборудования.
Вибрационные нагрузки, неизбежно возникающие в элементах конструкций под действием потока теплоносителя, являются одним из факторов, который может ограничивать назначенный срок службы, но не может быть в полной мере учтен на стадии проектирования; эти нагрузки чувствительны к незначительным изменениям конструкции или параметрам источников возбуждения и переменны в процессе эксплуатации. Результат действия вибраций
накапливается скрытно и постепенно, а проявляется на заключительной стадии
с достаточно высокой скоростью и с большими негативными последствиями.
Системы трубопроводов с высокой скоростью потока или с источниками
интенсивных пульсаций давления и расхода относятся к элементам реакторной
установки (РУ), для которых особенно опасны проявления пульсаций давления
и вибрации в потоке теплоносителя.
Источником возникновения вибрации трубопроводов являются вынужденные колебания, обусловленные: общеконтурными пульсациями вследствие
работы насосов; неустойчивой циркуляцией, сопровождающейся пульсациями
давления, скорости и плотности среды; колебаниями сейсмического типа, передающимися от работающего оборудования и фундаментов; нестационарностью внутреннего и внешнего потоков и т.д. Вынуждающие силы можно разделить на две группы – гидродинамическую и акустическую.
Движение двухфазных сред сопровождается достаточно мощными пульсациями основных параметров потока. Экспериментальные исследования и
анализ осцилляций параметров двухфазного потока показали, что их интенсивность и спектральные характеристики принципиально отличаются от аналогичных характеристик турбулентных пульсаций в однофазном потоке, как по
интенсивности (на порядок и более), так и по природе их возникновения. Характер пульсаций связан со структурой и режимами течения двухфазных сред.
Особенности пространственно-временной структуры двухфазных потоков, связанной с возникновением в потоке различных образований (пузыри, снаряды,
пена, волны, струи и капли), оказывают существенное влияние на уровень и
стабильность тепло- и массообменных процессов, гидродинамическую устойчивость и на возбуждение вибраций элементов оборудования, омываемых эти8
ми потоками. Кроме того, в отличие от однофазного течения в спектральной
плотности амплитуд пульсаций параметров двухфазного потока заметен характерный максимум в области низких (порядка 1–10 Гц) частот. Это свидетельствует о наличии отчетливо выраженного квазипериодического волнового процесса, связанного с самопроизвольно организующейся пространственновременной структурой. Интенсивность пульсаций при этом зависит от массовых расходов фаз и уровня давления.
Таким образом, основным источником вибрации трубопроводов является
поток теплоносителя.
Зарубежные нормы в области обоснования вибропрочности трубопроводов АЭС используют кривую усталости с пределом выносливости (σ–1), ограниченную числом циклов [N] ≤ 1011 c коэффициентом запаса по напряжениям
nσ = 2. Превышение кинематического критерия вибропрочности требует проведения оценки вибронапряженного состояния.
Приведение случайного процесса высокочастотного нагружения к гармоническому виду на основе консервативного подхода должно проводиться с
учетом наклона кривой усталости в области N свыше 107, поскольку включение
в историю циклического нагружения в экспериментах даже небольших перегрузок приводит к исчезновению горизонтального участка кривой усталости и
к появлению второго наклонного участка.
При широкополосном воздействии, которым являются пульсации давления теплоносителя, ответный спектр является широкополосным случайным
процессом. При этом интервал максимальных значений приведенных напряжений и число соответствующих ему выбросов, которые реализуются во времени,
определяются формой плотности распределения и среднеквадратическим значением (СКЗ). Учет нескольких гармоник не позволяет учесть действительно
реализующиеся максимальные значения и все амплитуды нагружения. При
этом максимальные значения, как явление перегрузки, оказывают существенное влияние на поврежденность при гигацикловом нагружении.
Спектральная плотность (СП) является инвариантной характеристикой колебательного процесса. Амплитудное значение или СКЗ напряжений на частоте
f определяются посредством интегрирования СП в интервале частот [f – ½Δf;
f + ½Δf] и, следовательно, зависят от ширины интервала Δf. При этом СКЗ
напряжений на детерминированных гармониках возбуждения, входящих в СП
как дельта-функции, не зависят от Δf. Собственные гармоники с частотой fm,
благодаря действующему в системе демпфированию (которое учитывается ко9
эффициентом ξ), проявляются в форме, описываемой известным выражением
~ 2ξffm3[(f 2 – fm2)2 + 4ξ2f 2fm2]–1. Дисперсия колебательного процесса равна сумме
дисперсий детерминированных гармоник возбуждения и случайного процесса.
Таким образом, при оценке величины а2 в соответствии с рекомендациями
действующих норм не учитывается весь спектр амплитуд напряжений, что отражается на точности расчета. К тому же, величина а2 является функцией от Δf
и зависит от методики обработки экспериментальных или расчетных данных.
Вибрация трубопроводов, как и любое явление, имеет свою специфику,
отличную от вибрации роторов, лопаток и т.п., которую необходимо знать и
учитывать на этапах проектирования, выполнения поверочных расчетов и
оценки остаточного ресурса.
Во второй главе представлен анализ неопределенности оценки меры поврежденности элементов от высокочастотного нагружения. Рассмотрен вероятностный подход, позволяющий привести случайное вибрационное нерегулярное многоосное нагружение к эквивалентному по поврежденности регулярному
одноосному.
Наложение высокочастотного гармонического нагружения на низкочастотные циклы оценивается по нормативной методике двухчастотного одноосного нагружения. Кривые усталости получаются при испытаниях образцов на
одной частоте. Таким образом, для оценки сопротивления высокоцикловой
усталости необходимо разработать метод/подход по приведению реальных
процессов вибронагруженности трубопроводов к расчетному (гармоническому)
виду.
На основе анализа неопределенности оценки поврежденности от высокочастотного нагружения и анализа семейства кривых усталости показано, что
подход, описанный в нормах, существенно зависит от неопределенности параметров нагружения. В обосновании вибропрочности целесообразно использовать подход, основанный на допустимой амплитуде напряжений высокочастотного нагружения.
На основе анализа кривых усталости предложен критерий вибропрочности: в качестве допустимой амплитуды напряжения при симметричном нагружении [σ–1N]; с учетом nσ = 2 для N = 1010 имеем:
[σ–1N] = 50 МПа.
Учет среднего напряжения следует выполнять умножением [σ–1N] на поправку (1 – σm/RCT), зависящую от материала (Здесь σm – среднее значение при-
10
веденных напряжений цикла нагружения, МПа, и RCT – истинное сопротивление отрыву при статическом растяжении, МПа).
Исходя из принципа эквивалентности повреждаемости, на основе гипотезы линейного суммирования и расчетной кривой усталости в форме σ·Nme = C
можно определить эквивалентную амплитуду гармонического напряжения:
 σ max 1me

σэ =   σ ρ σ σ dσ 
 0

me
(1)
Если плотность распределения компонент тензора напряжений (σ) является нормальной с нулевым математическим ожиданием, то плотность распределения максимумов ρσ(σ) приведенных напряжений по Мизесу σ(t) в случае
сложного/многоосного напряженного состояния определяется выражением (SX
– оценка СКЗ случайной величины Х):
ρσ(z) =
σ


Re 
0
exp  itσ 2 
1
1  2itA  3t 2 B 1  6itSσ2XY
1
1
1  6itSσ2YZ
1  6itSσ2XZ
dt , 1/МПа (2)
A = S σ2XX  S σ2YY  S σ2ZZ , B = Sσ2XX Sσ2YY  Sσ2XX Sσ2YY  Sσ2XX Sσ2ZZ .
Важным результатом такого подхода является зависимость эквивалентной
амплитуды напряжений только от интегральных характеристик процесса: СКЗ
компонент тензора напряжений. Показано, что в зависимости от вида динамического напряженного состояния значение σэ = (1,5÷2) СКЗσ(t).
Эквивалентная частота гармонического процесса принимается равной
верхней границе спектра fmax, принимаемого во внимание при исследовании
колебательных процессов. Максимальная частота fmax может быть оценена на
основании выбора значимой (существенной) доли дисперсии, например, 90–
99%, содержащейся между двумя частотными пределами путем интегрирования СП:
f max
 S  f df
2
XX
= (0,90 ÷ 0,99)·(SX)2.
(3)
f min
Таким образом, эквивалентный регулярный процесс нагружения с параметрами (σэ, fmax) определяется однозначно.
На основе параметров эквивалентного процесса определяется коэффициент снижения числа циклов основного (малоциклового) нагружения и проводится обоснование вибропрочности.
Третья глава посвящена разработке математической модели колебаний
трубопровода при гидродинамическом возмущении со стороны потока.
11
Наиболее полная информация о вибрационном поведении может быть получена на основе сочетания теоретических исследований и экспериментальных
методов получения отдельных параметров изучаемых процессов, а также необходимых для верификации теоретических моделей.
Используя различные программные средства, можно выполнить гармонический, модальный или сейсмический анализ (кинематическое возмущение),
оценив НДС. Однако для силового (гидродинамического) возмущения, которое
является основным источником возбуждения колебаний трубопроводов, необходимо иметь нестационарные граничные условия и решать динамическое
уравнение движения сплошной среды, что в настоящее время невозможно выполнить в полном объеме.
Ключевым вопросом в рассматриваемой области является поиск приемлемого компромисса между физической адекватностью модели и приемлемым
для практического применения уровнем ее сложности.
Важной прикладной научной задачей на стадиях проектирования и эксплуатации является определение характеристик воздействия со стороны теплоносителя на оборудование и трубопроводы АЭС. Знание гидродинамических
характеристик энергетического оборудования и трубопроводов позволяет перейти к расчету НДС.
По результатам экспериментальных исследований, выполненных ОАО
«НПО ЦКТИ» на энергоблоках с реакторными установками РБМК-1000 и ЭГП,
получен (на основе методов виброметрирования) и обобщен значительный
объем данных о кинематических параметрах вибрации трубопроводов на различных режимах эксплуатации. Анализ и обобщение этих данных на основе
теории локально-изотропного турбулентного течения показали на возможность
моделирования гидродинамического воздействия потока на стенку трубопровода. При этом, в качестве граничного условия на стенке трубы оказалось эффективным использование обобщенной СП воздействия пульсаций давления
SPP(f) в форме распределения Колмогорова – Обухова (рис. 1):
SPP(f) =
7
~
Sp (f / f 0)–5/3 + S PP  f  , Па·с1/2,
3 f0
(2)
где f0 – нижняя частота СП; Sp – СКЗ пульсаций давления теплоносителя;
~
S PP (f) – СП, соответствующая акустическим частотам теплоносителя и детерминированным частотам возбуждения.
Остальные граничные условия задаются по данным проектной документации и результатам обработки экспериментальных данных.
12
Рисунок 1 – Типичная СП виброперемещений трубопровода в логарифмических координатах. Коэффициент достоверности аппроксимации равен 0,8. Степенная аппроксимация дается уравнением U(ω) ~ ω–1,6, где –1,6 є [ –5/3 ± 5%]
Уравнения сплошной среды для границы раздела требуют выполнения ряда условий. Для моделирования граничных условий взаимодействия потока со
стенкой трубопровода примем пульсации поля давления в форме σ·N = p(t)·N.
Касательные напряжения на поверхности трубопровода в расчетах не учитываются: σ·N×N = 0 из-за пренебрежимо малой величины сил трения.
Поскольку предполагается, что динамические напряжения значительно
меньше предела текучести, то принимается модель упругого поведения материала. Поле перемещений u(M,t) в точке рассматриваемого тела М и в произвольный момент времени t удовлетворяет динамическому уравнению линейной
теории упругости:
ρ ∂2u(M,t)/∂t2 = Div σ(M,t) + ρg ,
(5)
с граничными условиями второго рода на поверхности взаимодействия S1 трубопровода с потоком теплоносителя:
σ·N = p(M,t)·N,
(6)
где σ – тензор напряжений, g – вектор ускорения свободного падения, ρ –
плотность материала трубопровода, p(M,t) – поле пульсаций давления теплоносителя на поверхности взаимодействия.
Граничные условия на поверхностях крепления к трубопроводам (тройники, фланцы) устанавливаются, исходя из расчетной модели. В местах крепления к тепломеханическому оборудованию и насосам трубопровод считается
неподвижным:
u(M,t) = 0.
(7)
13
Поле перемещений u(M,t) является решением уравнения (5) с граничными
условиями (6 и 7) при гармоничном воздействии с частотой ω и имеет вид:
u(M,t) = A(M,ω)·sin(ω t) –

 cm ω


ω2 ω2  ω2m  4ξ 2m ω2m sinωt  2ξ m ωω3m cos ωt
ω
m 1
2
ω

2 2
m
 4ξ 2m ω2m ω2
Hm(M), (8)
где сm(ω) – коэффициент разложения по собственным формам поля A(M,ω)*,
A(M,ω) – решение квазистатической задачи с граничными условиями (6 и 7);
ξm – коэффициент относительного демпфирования m-ой моды колебаний.
Решение в форме (8) позволяет в ряде случаев проводить анализ динамического НДС с позиции более простых расчетов (квазистатического анализа) и
имеет равномерную сходимость.
На основе модального и статического анализа можно вычислить значение
безразмерной величины: [σm(М)·ejek]/[σ0(ωm,М)·ejek]
A 2 ω m 
H m2
, позволяющей
оценить, во сколько раз соответствующее частоте ωm значение СП компоненты
тензора напряжений будет больше или меньше значения СП перемещений на
той же частоте. В первом приближении можно использовать отношение
m 
σm
σ 0 ω m 
A 2 ω m 
H m2
, где используются приведенные напряжения. Это обстоя-
тельство позволяет оценить ответную СП компонент тензора напряжений и
приведенных напряжений. При значениях Ψm менее 2ξm в спектре компонент
тензора напряжений мода, соответствующая частоте ωm, будет проявляться
слабо, и её влияние на СКЗ будет пренебрежимо мало.
Таким образом, сравнение результатов статического и модального анализов по указанному критерию позволяет более обосновано использовать оценку
для спектра приведенных напряжений в следующем виде:
Sσ(ω) = SPs(ω)/P0·σ0 .
(9)
Для проверки предложенной математической модели проведены численные эксперименты. Модели трубопроводов показаны на рис. 3,а и 4,а. СП возмущения принята в форме зависимости (4) (рис. 2). Результаты расчета НДС
приведены на рис. 3,б и 4,б.
*
Здесь и далее a(M,t) и u(M,t) – поля векторов перемещений во временной области,
а А(M, ω) и U(M, ω) – поля перемещений в частотной области.
14
Относительная погрешность в
определении эквивалентной амплитуды напряжений по формуле (1) и СКЗ
приведенных напряжении по Мизесу
не превышает 2%. Результаты численного моделирования имеют хорошее
качественное согласование с экспериментальными данными, представленными в главе 5.
На рис. 5 представлены результаты испытаний на вибростенде лабораРисунок 2 – Нормированная
спектральная плотность пульсаций
тории «Промышленных испытаний
давления теплоносителя
оборудования АЭС» ОАО «НПО
ЦКТИ», которые показывают хорошее согласование с результатами математического моделирования по решению (8).
Рисунок 3а – Расчетная модель
трубопровода. Поле приведенных
напряжений, соответствующее решению статической задачи: a0(M).
Расчетное давление Р0 = 1 МПа
Рисунок 3б – Нормированная спектральная
плотность модуля вектора перемещений
в точке с максимальным модальным перемещением (1-я мода колебаний 2,26 Гц)
и приведенных напряжений в точке
с максимальным их значением (по результатам статического расчета НДС – тройник)
Представленная математическая модель колебаний трубопровода при гидродинамическом возбуждении является адекватной, позволяет описать динамическое поведение трубопровода, учитывает особенности взаимодействия и
может использоваться не только в расчетно-экспериментальных работах, но и
15
на этапе проектирования, например, в теоретическом обосновании ресурсных
характеристик и определении параметров контроля, как того требуют нормы
НП 15-96.
Рисунок 4а – Расчетная модель
трубопровода. Поле приведенных
напряжений, соответствующее решению статической задачи: a0(M).
Расчетное давление Р0 = 1 МПа
Рисунок 4б – Нормированная спектральная
плотность модуля вектора перемещений
в точке с максимальным модальным перемещением (1-я мода колебаний 30 Гц)
и приведенных напряжений в точке
с максимальным их значением
НСП, с1/2
1
0,5
0
5
10
15
20
25
30f,
Гц
Рисунок 5 – Нормированные спектральные плотности виброперемещений (сплошная
линия) и приведенных напряжений (пунктирная линия) в точке измерения
16
На основе представленных выше результатов можно создать методический
поход обоснования вибропрочности трубопроводов на основе силового критерия и механики сплошной среды. Практическая реализация методического
подхода отражена в методике обследования на вибропрочность трубопроводов
АЭС.
В четвертой главе приведена методика обследования трубопроводов
АЭС на вибропрочность на основе методов виброметрии.
Методика обследования учитывает требования ПНАЭ Г-7-002-86 (раздел
5.12) и включает этапы: подготовки, проведения измерений, обработки экспериментальных данных, оценки параметров вибронапряжений и выдачи заключения о результатах обследования.
В комплекс подготовительных работ входят выбор измерительной системы, а также предварительные расчеты: статический и модальный, выполняемые при проведении планово-предупредительных работ на остановленном
блоке.
Статический расчет заключается в определении наиболее напряженных
компонентов трубопровода на основе статического НДС трубопровода при
нагружении внутренним давлением 1 МПа или рабочим давлением (присоединенная масса не учитывается); при этом характеристики опорно-подвесной системы (ОПС) определяются экспериментально или на основе расчета по выбору параметров ОПС специализированными программными средствами.
Модальный расчет заключается в определении собственных частот и
форм колебаний трубопровода (при этом учитываются присоединенная масса
теплоизоляции и теплоносителя). По результатам расчета определяют точки с
максимальным модальным перемещением для каждой моды колебаний, которые и принимают для измерений параметров вибрации. В случае плотного
спектра собственных частот (СЧ), точки измерений выбирают по результатам
визуального мониторинга (в местах с максимальным виброперемещением) с
учетом опыта эксплуатации.
После проведения измерений выполняется обработка полученных данных,
результатами которой являются СП модуля вектора виброперемещений, коэффициент относительного демпфирования, а также оценка формы СП пульсаций
давления в трубопроводе. Определяется наличие явления резонанса и соударений трубопроводов.
По критерию квазистатичности (Ψm ≤ 2ξm) определяется возможность
применения квазистатического подхода для оценки характеристик динамиче17
ского напряжения, иначе оценка СКЗ компонент вибронапряжений выполняется на основе решения (8).
Если выполняется условие σэ < [σа], то вибропрочность трубопровода считается обеспеченной, в противном случае на основе параметров σэ и fmax необходимо показать, что значение коэффициента nσ ≥ 2. При невыполнении условий циклической прочности в многоцикловой области необходимо проводить
мероприятия по уменьшению параметров вибрации трубопроводов.
Методика нацелена на получение СП компонент тензора напряжений, поскольку СП содержит наибольшее количество информации о вибрационной
нагруженности. Основное требование – обеспечение конструкционной целостности и безопасной эксплуатации трубопроводов АЭС.
Результаты апробации предложенного методического подхода приведены
в пятой главе.
В пятой главе изложены результаты применения разработанного единого
методологического подхода к расчетному анализу вибронапряженного состояния трубопроводов АЭС (методики измерений и анализа результатов измерений) и апробации предложенного подхода на экспериментальных данных, полученных в промышленных условиях на АЭС.
В качестве объектов исследований выбраны подводящие трубопроводы
острого пара к ЦВД турбины (рис. 6) и напорный трубопровод ПЭН (рис. 7).
Расчет на циклическую прочность трубопроводов заключался в проверке
соответствия состояния трубопроводов требованиям ПНАЭ Г-7-002, а именно:
– проверка прочности при циклических нагрузках;
– проверка условий отстройки от детерминированных частот возмущения,
в том числе акустических частот теплоносителя.
Основные расчетные нагрузки: внутреннее давление, воздействие теплоносителя и вибрационные нагрузки. Граничные условия при расчете статического НДС: концы трубопровода неподвижны; внутреннее давление прикладывается к поверхностям контакта трубопровода с рабочей средой; учет характеристик опорно-подвесной системы.
Расчет на циклическую прочность при малоцикловом нагружении выполнен для наиболее нагруженных зон трубопровода и включает в себя режимы
нормальных условий эксплуатации (НУЭ), нарушения НУЭ и гидроиспытаний.
Коэффициент снижения долговечности оценивался на основе параметров эквивалентного нагружения.
18
Измерения параметров вибрации трубопроводов систем, важных для безопасности, РУ с РБМК-1000 на 1 блоке Смоленской АЭС показали, что явление
резонанса в рассматриваемых трубопроводах не обнаружено.
Рисунок 6 – Поле приведенных напряжений (МПа) паропровода ЦВД,
соответствующее решению статической задачи
Результаты исследований паропровода. Модальный анализ паропровода
показал, что варьирование параметров подвесной системы оказывает существенное влияние на значения собственных частот, спектр которых по всем
веткам трубопровода оказался плотным.
СП виброперемещений паропровода имеет пологую спадающую форму,
без явного доминирования собственных частот колебаний. Это свидетельствует
о слабом участии мод в результирующем отклике системы.
Расчет показал, что величина σэ = 36 МПа меньше допустимой
[σа] = 42 МПа.
Суммарное накопленное усталостное повреждение от малоциклового
нагружения в расчетной точке с учетом коэффициента снижения числа циклов
низкочастотного нагружения не превышает 0,7.
Результаты исследований трубопровода ПЭН. СП виброперемещений
трубопровода имеет спадающую форму с пиками, соответствующими собственным частотам. Критерий квазистатичности, предложенный в главе 3,
меньше 0,03, что говорит о возможности применения квазистатического подхода.
19
Рисунок 7 – Поле приведенных напряжений (МПа) напорного трубопровода ПЭН,
соответствующее решению статической задачи
Расчет показал, что величина σэ = 41,9 МПа меньше допустимой
[σа] = 46 МПа.
Суммарное накопленное усталостное повреждение от малоциклового
нагружения в расчетной точке, с учетом коэффициента снижения числа циклов
низкочастотного нагружения не превышает 0,7.
Результаты оценки ресурса паропровода ЦВД и трубопровода ПЭН с учетом всех нагружающих факторов позволяют обосновать расчетный срок эксплуатации до 45 лет. Этот вывод подтверждается фактическим состоянием исследуемых в данной работе трубопроводов, проработавших более 30 лет.
Рекомендации по использованию результатов. Разработанный подход
может использоваться на стадиях проекта и эксплуатации трубопроводов АЭС.
На этапе проектирования для обоснования вибропрочности трубопроводов при
определении значений допустимых кинематических параметров вибрации может быть использована математическая модель колебаний, учитывающая гидродинамическое возмущение, описываемое спектральной плотностью пульсаций давления в форме Колмогорова – Обухова.
Экспериментальные данные о параметрах вибрации трубопроводов, полученные в промышленных условиях, могут быть использованы на этапе эксплуатации в качестве кинематического критерия вибропрочности трубопроводов, а
также для учета в нормативной документации.
20
Результаты работы могут быть использованы в других отраслях (теплоэнергетике, нефтегазовой, химической и других).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1. На основе теоретических исследований и обобщения экспериментальных данных разработан единый методологический подход к расчетному анализу вибронапряженного состояния трубопроводов АЭС, в рамках которого:
– впервые предложено и обосновано использование обобщенной спектральной плотности пульсаций давления потока теплоносителя в форме распределения Колмогорова – Обухова;
– усовершенствован метод приведения широкополосного вибрационного
многоосного нагружения к гармоническому одноосному на основе вероятностного анализа;
– разработан критерий оценки вибропрочности трубопроводов АЭС на основе допустимой амплитуды напряжений; показано, что при значениях эквивалентной амплитуды напряжений не превышающих значения допустимой амплитуды напряжений вибропрочность трубопроводов по условиям усталости
обеспечивается в течение проектного срока службы;
– на основе теории сплошной среды обоснован выбор математической модели колебаний трубопровода при гидродинамическом воздействии теплоносителя, которая верифицирована на данных лабораторного эксперимента;
– получено общее аналитическое решение линейного динамического
уравнения упругости при вынужденном широкополосном воздействии, имеющего равномерную сходимость и позволяющее оценить спектральную плотность приведенных вибронапряжений;
– предложен подход к расчетно-экспериментальному обоснованию вибропрочности трубопроводов АЭС.
2. Разработана и апробирована в промышленных условиях на действующих АЭС методика обследования трубопроводов на предмет их вибрационного
состояния на основе методов виброметрирования.
3. По результатам экспериментальных исследований на АЭС:
– получены новые данные о параметрах вибрации трубопроводов на различных режимах эксплуатации РУ с РБМК-1000 и ЭГП;
21
– подтвержден вынужденный характер колебаний трубопроводов АЭС под
действием частотных составляющих, генерируемых насосами, а также широкополосного спектра динамических нагрузок движущегося теплоносителя;
– доказано, что предложенная математическая модель колебаний трубопровода при гидродинамическом воздействии теплоносителя позволяет оценить спектральную плотность компонент тензора напряжений на основе экспериментальных исследований кинематических параметров трубопровода;
– подтверждено расчетно-экспериментальное обоснование вибропрочности трубопроводов АЭС.
4. Результаты работы могут быть использованы для совершенствования
нормативной документации по обоснованию вибропрочности трубопроводов
АЭС, как на этапе проектирования (при назначении требований к оборудованию), так и в эксплуатации (при текущем мониторинге), а также в других отраслях (теплоэнергетике, нефтегазовой, химической и других).
Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах.
Ведущие рецензируемые научные журналы из перечня ВАК:
1. Судаков, А.В. Расчетно-экспериментальное
исследование
напряженнодеформирован-ного состояния и накопления усталостных повреждений в стенках
труб из нержавеющей стали при локальных температурных воздействиях. Часть 1 /
А.В. Судаков, А.В. Полупан, С.В. Словцов, А.И. Рыбников, О.В. Горюнов, Е.А.
Овчинникова // Контроль. Диагностика. 2015. № 6. – С. 18–25.
2. Судаков,
А.В.
Расчетно-экспериментальное
исследование
напряженнодеформирован-ного состояния и накопления усталостных повреждений в стенках
труб из нержавеющей стали при локальных температурных воздействиях. Часть 2 /
А.В. Судаков, А.В. Полупан, С.В. Словцов, А.И. Рыбников, О.В. Горюнов, Е.А.
Овчинникова // Контроль. Диагностика. 2015. № 7. – С. 9–16.
3. Словцов, С.В. Опыт выполнения работ по замеру параметров вибрации и оценке
вибронапряженного состояния трубопроводов СВБ реакторной установки РБМК1000 / С.В. Словцов, А.С. Солдатов, А.Е. Синильщиков, О.В. Горюнов // Контроль.
Диагностика. 2016. № 11. – С. 26–33.
4. Словцов, С.В. Измерение параметров вибрации трубопроводов СВБ РУ с РБМК1000 на 1 блоке Смоленской АЭС / С.В. Словцов, А.С. Солдатов, О.В. Горюнов,
А.Е. Синильщиков, А.Ю. Лещенко, Ю.В. Осипов // Контроль. Диагностика. 2017.
№ 8. – С. 44–50.
5. Горюнов, О.В. Расчетно-экспериментальное обоснование вибропрочности трубопроводов АЭС на основе квазистатического подхода / О.В. Горюнов, С.В. Словцов
// Надежность и безопасность энергетики. 2017. Т. 10. № 4. – С. 304–309.
22
6. Горюнов, О.В. Неопределенность оценки меры поврежденности при гигацикловом
нагружении / О.В. Горюнов, В.Е. Михайлов, С.В. Словцов // Тяжелое машиностроение. 2017. № 8. – С. 29–33.
7. Горюнов, О.В. Оценка вибропрочности трубопроводов АЭС / О.В. Горюнов, В.Е.
Михайлов, С.В. Словцов // Тяжелое машиностроение. 2017. № 10. – С. 11–13.
8. Горюнов, О.В. Особенности спектральной плотности виброперемещений трубопроводов АЭС / О.В. Горюнов, С.В. Словцов // Проблемы машиностроения и автоматики. 2017. № 4. – С. 132–137.
9. Горюнов, О.В. Обоснование вибропрочности трубопроводов АЭС / О.В. Горюнов,
С.В. Словцов, В.Е. Михайлов, К.А. Григорьев, Е.С.Михайлов, П.А.Кругликов //
Электрические станции. 2018. № 4.
Публикации в материалах международных и всероссийских конференций:
10. Горюнов, О.В. Определение поля относительного изменения объема и энергии изменения объема при вибрациях / О.В. Горюнов // Инновации в атомной энергетике: сб. докладов конференции молодых специалистов (Москва, 25–26 ноября
2015 г.). – М.: Изд-во АО «НИКИЭТ», 2015. – С. 559–564.
11. Горюнов, О.В. Расчет максимальных значений приведенных напряжений при случайных вибрациях на основе вероятностного анализа / О.В. Горюнов // Сборник
трудов 18-й международной конференции молодых специалистов по ядерным
энергетическим установкам (Подольск, 30–31 марта 2016 г.). – Подольск: ОКБ
«Гидропресс», 2016. (Электронное издание). – 4 с.
12. Горюнов, О.В. Экспериментально-расчетное обоснование вибропрочности трубопроводов АЭС / О.В. Горюнов // Сборник докладов 19-й Международной конференции молодых специалистов по ядерным энергетическим установкам (Подольск,
12–13 апреля 2017 г.). – Подольск: ОКБ «Гидропресс», 2017. – С. 146–156.
13. Горюнов, О.В. Применение квазистатического подхода для обоснования вибропрочности трубопроводов АС вибрациях / О.В. Горюнов // Инновации в атомной
энергетике: сб. докладов конференции молодых специалистов (Москва, 23–24 мая
2017 г.). – М.: Изд-во АО «НИКИЭТ», 2017. – С. 809–817.
Монография:
14. Горюнов, О.В. Проблемы обоснования вибропрочности трубопроводов АЭС / О.В.
Горюнов, С.В. Словцов. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. – 142 с.
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
11
Размер файла
922 Кб
Теги
экспериментальной, вибропрочности, обоснование, расчетному, аэс, трубопроводов
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа