автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Анализ прочности поврежденных трубопроводов АЭС методами реальных элементов

московским государственный инженерно -

/

физический институт (технический университет)

На правах рукописи

удк

Шамраев Юрий Владимирович

АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ПОВРЕЖДЕННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ АЭС МЕТОДОМ РЕАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.14.03 - ядерные энергетические установки.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Виктор Михайлович Маркочев

/У

✓

Москва -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................5

ГЛАВА 1. КРИТЕРИИ РАЗРУШЕНИЯ ТЕЛ С ТРЕЩИНАМИ...................9

1.1. Виды разрушения тел с трещинами.......................................9

1.2. Классические теории прочности и предельный анализ............10

1.3. Энергетический критерий Гриффитса и силовой

критерий механики разрушения.........................................14

1.4. Деформационный критерий разрушения...............................17

1.5. Энергетический критерий ^интеграла.................................19

1.6. Двухпараметрические критерии разрушения.........................21

1.7. Общие замечания по формирования

критериев разрушения......................................................24

1.8. Краткое содержание и выводы..........................................27

ГЛАВА 2. МЕТОД РЕАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.....................................29

2.1. Основные положения МеРеЭл..............................................29

2.2. Банки данных для расчетов по МеРеЭл.................................33

2.3. Требования к процедуре построения диаграмм деформирования.............................................................36

2.4. Учет неодноосности напряженного состояния в расчете

по МеРеЭл...................................................................37

2.5. Краткое содержание и выводы.............................................39

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕРЕЭЛ ДЛЯ РАСЧЕТА

ТРУБОПРОВОДА С ОКРУЖНОЙ ТРЕЩИНОЙ....................42

3.1. Схема реализации МеРеЭл для отрезка трубы

с окружной трещиной........................................................42

3.2. Определение предельного состояния труб опровода и коэффициента запаса по предельному состоянию....................46

3.3. Диаграммы деформирования отрезка трубопровода................48

3.4. Общий случай нагружения трубопровода..............................50

3.5. Программное обеспечение МеРеЭл......................................55

3.6. Рассмотрение различных видов нагружения элемента конструкции..................................................................57

3.7. Краткое содержание и выводы............................................60

ГЛАВА 4. ВЕРИФИКАЦИЯ МЕРЕЭЛ................................................62

4.1. Верификация программы расчета по МеРеЭл.........................62

4.1.1. Упругопластический изгиб трубы, не содержащей дефект........62

4.1.2. Предельное состояние упругопластической трубы

с окружной трещиной......................................................64

4.2. Экспериментальная проверка МеРеЭл.................................67

4.3. Верификация МеРеЭл с использованием

литературных данных.......................................................73

4.4. Краткое содержание и выводы..........................................82

ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕРЕЭЛ ДЛЯ РАСЧЕТА

ПРОЧНОСТИ ПОВРЕЖДЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯЭУ...........84

5.1. Расчет прочности поврежденного трубопровода ДУ-500

реактора ВВЭР-440..........................................................84

5.1.1. Постановка задачи..............................................................84

5.1.2. Банк диаграмм деформирования образцов из

стали 0Х18Н10Т...............................................................85

5.1.3. Расчет прочности ГЦТ, поврежденного окружной трещиной... .92

5.1.4. Расчет прочности ГЦТ методом Кб......................................99

5.1.4. Расчет прочности ГЦТ содержащего боковые дефекты..........104

5.2. Расчет прочности трубопровода АЭС при термосиловом нагружении..................................................................111

5.2.1. Постановка задачи............................................................111

5.2.2. Банк диаграмм деформирования образцов из стали

ASTM А106-87 Grade В..................................................114

5.2.3. Расчет перемещения конца трубопровода.............................129

5.2.4. Выбор параметров для анализа прочности отрезка поврежденного трубопровода............................................130

5.2.5. Расчет диаграмм деформирования отрезка трубопровода, содержащего дефект.......................................................132

5.2.6. Расчет диаграмм деформирования всего трубопровода, содержащего дефект......................................................137

5.2.7. Определение коэффициентов запаса по предельному состоянию...................................................................142

5.3. Краткое содержание и выводы.........................................149

ГЛАВА 6. МЕСТО МЕРЕЭЛ В СЕМЕЙСТВЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА

НА ПРОЧНОСТЬ ТЕЛ, СОДЕРЖАЩИХ ТРЕЩИНЫ............151

ВЫВОДЫ.....................................................................................158

ЛИТЕРАТУРА

160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы определяется постоянно возрастающими требованиями к безопасности, механической надежности и долговечности ответственных конструкций, к которым относятся трубопроводы и сосуды давления ЯЭУ. Данные требования предполагают получение достоверных значений прочности трубопроводов и сосудов давления в случае наличия в них дефектов и неоднородностей. Остроту приобретают проявившиеся в последнее время проблемы продления срока эксплуатации конструкций, выработавших свой первоначальный ресурс, определения степени опасности дефектов и трещин, выявленных при технической диагностике, а также оценки риска эксплуатации оборудования с учетом деградации свойств материала и наличии в нем развивающихся трещин.

При расчетах в нелинейной области, напряжения, в отличие от деформаций, теряют свойство аддитивности, что приводит к существенным затруднениям. Поэтому назрел переход к деформационным критериям и операционным параметрам, позволяющим учитывать как нелинейность, так и необратимость процессов деформирования упругопластических тел.

Кроме того, имеют место научно-методологические проблемы, носящие фундаментальный характер. Это:

- повсеместное применение силовых критериев в традиционных методах прочностных расчетов,

- использование малого числа экспериментальных данных в расчетах,

- невозможность адекватного моделирования процессов деформирования и расчета диаграмм деформирования элементов конструкций в рамках существующих подходов.

Цель работы:

Разработка нового метода прочностных расчетов, основанного на деформационном критерии разрушения и позволяющего получать упругопла-

стические диаграммы деформирования элементов конструкций, включая:

- разработку необходимого математического и экспериментального обеспечения расчетов применительно к задаче о трубопроводе, содержащем окружную трещину;

- верификацию метода расчета и математического обеспечения;

- анализ предельных состояний реальных трубопроводов АЭС на основе банка критериальных диаграмм деформирования.

Научная новизна работы:

1. Разработан новый метод прочностных расчетов поврежденных трубопроводов - метод реальных элементов (МеРеЭл), базирующийся на деформационном критерии прочности и реальных диаграммах деформирования. Предложенный метод позволяет рассчитывать диаграммы деформирования элементов конструкций, содержащих дефекты и неоднородности, и оценивать предельное состояние в терминах эксплуатационных темпера-турно-силовых и деформационных факторов с учетом остаточных напряжений, используя единую концептуальную основу для предельных состояний тел в хрупком и пластическом состоянии. Разработанный метод позволяет моделировать деформирование трубопровода при сложном на-гружении.

2. Разработано оригинальное программное обеспечение и методика экспериментального получения критериальных диаграмм деформирования.

3. Впервые получены расчетные диаграммы упругопластического деформирования трубопроводов с окружными трещинами.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. МеРеЭл представляет собой новый эффективный инженерный метод прочностных расчетов, позволяющий быстро проанализировать большое число вариантов геометрии элемента конструкции с трещиной и способов нагружения.

2. Ясность алгоритма МеРеЭл, физическая обусловленность и простое программное обеспечение делают метод доступным всем инженерам и исследователям, имеющим дело с прочностными расчетами.

3. Метод эффективен в экономическом плане, так как один раз сформированная экспериментальная база критериальных данных позволяет проводить расчеты для большинства задач, возникающих для трубопроводов из данного материала.

4. Метод реальных элементов является основой для разработки прочностных экспертных систем.

Автор защищает:

- новый метод прочностных расчетов и моделирования процесса деформирования и определения предельного состояния элементов конструкций, содержащих дефекты;

- приложение метода для решения задачи о прочности трубопровода с окружной трещиной при температурно-силовом нагружении;

- расчетно-экспериментальную методику получения банка критериальных диаграмм деформирования;

- результаты верификации метода;

- результаты расчетов трубопроводов ЯЭУ, содержащих окружные дефекты при нагружении внутренним давлением и изгибающим моментом.

Апробация работы и публикации. Основные результаты, изложенные в

диссертации, докладывались на Научной сессии МИФИ-98 (Москва, 19-23

января 1998 г.), на Пятой международной конференции «Материаловедче-

ские проблемы при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС» (Санкт-Петербург, 19-26 июня 1998 г.) и на международном конгрессе «Энергетика-3000» (Обнинск, 12-17 октября 1998 г.). По результатам исследований, составляющим основу диссертации, опубликованы 4 печатные работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы (112 наименований), содержит 170 страниц, 63 рисунка и 21 таблицу-

Автор выражает искреннюю благодарность профессору, доктору технических наук В.М. Маркочеву за постоянное внимание к работе, а также признательность сотрудникам кафедры «Физика прочности», коллективу отдела Mechanical & Civil Design фирмы Scottish Nuclear Limited (British Energy) за содействие в организации и выполнении расчетов и испытаний.

ГЛАВА 1. КРИТЕРИИ РАЗРУШЕНИЯ ТЕЛ С ТРЕЩИНАМИ.

1.1. Виды разрушения тел с трещинами.

К настоящему времени для определения условий разрушения элементов конструкций, содержащих дефекты, предложено большое количество критериев [58, 61, 85-87, 100, 102]. Степень применимости того или иного критерия существенно зависит от соотношения между упругими и пластическими деформациями в нетто и брутто сечении элемента конструкции, а также от соотношений между размерами пластической зоны, размерами элемента конструкции и размерами дефекта [16, 26,41, 50, 59, 64, 70-71].

Уменьшение размера трещины приводит к увеличению размера пластической зоны у вершины трещины, соответствующего достижению критического состояния. Соответственно изменяются условия деформирования материала, и в пределе, при стремлении длины трещины к нулю, достигается вязкое состояние материала, когда предельное состояние тела наступает при достижении номинальным напряжением предельного значения, соответствующего пластическому течению.

Можно выделить четыре основные области состояний материала [102]:

1. Пластическая зона у вершины трещины очень ограничена. Условие начала разрушения может быть описано с использованием линейно-упругой механики разрушения.

2. Пластическая зона достаточно велика, однако не занимает все нетто сечение элемента конструкции. Возможно использование либо упругопласти-ческой, либо линейно-упругой механики разрушения с использованием коррекции длины пластической зоны и т.п.

3. Пластическая зона распространяется на все нетто сечение элемента конструкции, но напряжения в брутто сечении при этом остаются упругими. Применимы только методы упругопластической механики разрушения.

4. Пластические деформации возникают во всем объеме элемента конструкции, в нетто и в брутто сечении. Для определения критических условий

используются методы предельного анализа и упругопластической механики разрушения.

Отметим, что в настоящее время большинство ответственных элементов ЯЭУ, включая и трубопроводы, изготовляются из высокопластичных материалов и эксплуатируются при повышенных температурах, что заведомо выше соответствующих критических температур хрупкости. С другой стороны, вероятность наличия глубоких дефектов существенно меньше по сравнению с вероятностью появления неглубоких дефектов. Оба эти фактора позволяют практически избежать опасности хрупкого и малопластичного разрушения элементов ЯЭУ.

Тем не менее, необходимо учитывать, что в некоторых случаях в процессе эксплуатации возникает возможность охрупчивания материала элементов конструкции под влиянием облучения, окружающей среды или других факторов. При этом существенно снижается прочность элемента конструкции. Определение прочности элемента в случае упругих деформаций возможно с использованием линейной механики разрушения и не вызывает особой сложности. В случае же упругопластических деформаций задача существенно усложняется.

1.2. Классические теории прочности и предельный анализ.

Первым критерием разрушения твердых тел исторически является критерий наибольших нормальных напряжений (Галилея) [57, 108-109]. Согласно ему нарушение прочности наступает, когда наибольшее главное напряжение сг1 достигает некоторого предельного значения сг0 (обычно для малопластичных материалов принимаемое равным пределу прочности материала

О1<<70- (!)

Рис. 1. Алгоритм расчета на прочность по напряжениям.

На рис. 1 показан алгоритм расчета на прочность по напряжениям. Отметим, что схемы алгоритма расчета на основе критериев, рассматриваемых далее в этой главе, имеют аналогичный вид. Единственным отличием будет использование другого критериального параметра (например коэффициента интенсивности напряжений или / -интеграла). Отметим, что критерий имеет «левую» - расчетную часть (эквивалентное напряжение сгэкв), и «правую» -экспериментальную часть (допускаемое напряжение [сг]).

В одном ряду с критерием наибольших нормальных напряжений стоит критерий наибольших линейных деформаций (Сен-Венана): разрушение материала начинается тогда, когда наибольшая по абсолютной величине линейная деформация ех достигнет предельного значения е0

(2)

Кроме двух представленных критериев, были предложены и другие критерии прочности, называемые также техническими теориями прочности: критерий наибольших касательных напряжений и энергетический критерий - удельной потенциальной энергии формоизменения [57, 65]. Данные критерии учитывают различные компоненты тензора напряжений. Было предложено большое число критериев для материалов, неодинаково сопротивляющихся растяжению и сжатию: Мора, Шлейхера, Баландина, Миролюбова, Ягна [31, 56, 83, 112] и др.; а также критерии, учитывающие различные механизмы разрушения: отрыва и среза, например, критерий Я.Б.Фридмана [110,111].

Отметим, что при этом вопрос об определении распределения напряжений по объему тела и выявления той точки тела, в которой действует наибольшее напряжение (или деформация) остается открытым. В случае тела, содержащего трещину, теория упругости дает распределение напряжений и деформаций, определяемое асимптотическими формулами. Согласно им, напряжения у вершины трещины стремятся к бесконечности, что делает некорректным прямое использование данных критериев.

В случае упругопластической модели материала, напряжения у вершины трещины конечны, и численное определение этих напряжений представляет собой значительную сложность, несмотря на использование современных численных методов. Однако данные критерии могут служить хорошей методологической основой для построения критериев нового типа.

Методы теории предельного анализа [62, 67, 68] позволяют вычислить два пограничных значения нагрузки пластического разрушения, между кото-

рыми будет находиться истинное значение предельной нагрузки. Метод использует следующие гипотезы:

- идеальная жесткопластическая диаграмма деформирования материала (в некоторых случаях в качестве напряжения течения используется среднее напряжение между пределами текучести и прочности);

- предельная нагрузка соответствует полному пластическому течению в поперечном сечении;

- в окрестности сечения, где имеет место пластическое течение, образуются зоны больших поворотов, т.н. пластические шарниры.

В настоящее время данный метод широко используется для расчета значений предельных нагрузок для тел с трещинами, применительно к высокопластичным материалам. Для часто используемых геометрий элементов конструкций и образцов рассчитаны и сведены в таблицы значения предельной нагрузки для различных размеров и ориентации дефектов. Предложено большое количество «инженерных» методов и формул для определения предельных нагрузок типичных элементов конструкций ЯЭУ [23]. Подобные формулы приведены и для трубопровода с окружной трещиной, нагруженного осевой силой и изгибающим моментом, причем большинство формул получено аналитически. Отметим, что эти формулы дают неплохие результаты для простейших случаев нагружения [18, 19, 21, 22, 42, 46, 54, 55].

Несомненно, главным недо�