автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Исследование напряженно-деформированного состояния и модернизация конструкции коллектора теплоносителя парогенератора АЭС с ВВЭР

ЛЯКИШЕВ СЕРГЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КОЛЛЕКТОРА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПАРОГЕНЕРАТОРА АЭС С ВВЭР

Специальность 05.14.03 "Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию, и

вывод из эксплуатации"

1 7 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подольск - 2011

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Ордена Трудового Красного Знамени и ордена труда ЧССР опытное конструкторское бюро «ГИДРОПРЕСС» (ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС»)

Научный руководитель:

доктор технических наук

| Трунов Николай Борисович]

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Шарый Николай Васильевич

кандидат технических наук Потапов Владимир Вячеславович

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации ОАО Научно-производственное объединение «ЦНИИТМАШ»

Защита диссертации состоится 08 декабря 2011 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д418.001.01 при ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС» по адресу: 142103, Московская область, г. Подольск, ул. Орджоникидзе, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС» по адресу: 142103, Московская область, г. Подольск, ул. Орджоникидзе, 21.

Отзыв на автореферат диссертации в двух экземпляров, заверенных гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 142103, Московская область, г. Подольск, ул. Орджоникидзе, 21, диссертационный совет при ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

Автореферат разослан «03 » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертациотгого совета, кандидат технических наук

А.Н. Чуркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время на АЭС в России, как и во всем мире, наблюдается преобладание ядерных реакторов, охлаждаемых водой под давлением. В последние годы объемы строительства и ввода в эксплуатацию новых мощностей АЭС в России заметно возросли. Этому способствует Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», в которой предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР. В России разрабатываются проекты перспективных реакторных установок с реакторами ВВЭР-600, ВВЭР-1200 и ВВЭР-ТОИ.

Одним из важнейших компонентов АЭС с ВВЭР является парогенератор (ПГ), значительно влияющий на надежность и безопасность всей реакторной установки (РУ). В настоящее время все разрабатываемые проекты РУ планируется оснащать современными парогенераторами, такими как ПГВ-ЮООМКП, ПГВ-ЮООМКО. Одними из основных элементов горизонтального парогенератора являются цилиндрические коллекторы, вертикально соединенные с корпусом ПГ сварным соединением Xs III. Коллектор теплоносителя является узлом закрепления теплообменных труб и границей, сдерживающей радиоактивную среду первого контура.

Опыт эксплуатации ПГ с ВВЭР-1000, оснащенных парогенераторами ПГВ-1000 и ПГВ-1000М, показывает, что конструкция коллектора теплоносителя наряду с многочисленными достоинствами имеет ряд недостатков, приводящих в совокупности с условиями эксплуатации к повреждениям коллекторов и простоям энергоблоков.

Наиболее масштабные повреждения, повлекшей за собой простои и недовыработку электроэнергии на АЭС, возникли в перфорированной зоне "холодных" коллекторов. Первое повреждение коллектора в перфорированной зоне было обнаружено в 1986 г. на ПГ-I 2-го блока Южно-Украинской АЭС. В дальнейшем аналогичные повреждения были обнаружены на 25-ти парогенераторах. В середине 90-х данная проблема была решена путем совершенствования конструкции перфорированной зоны коллектора, технологии закрепления теплообменных труб и оптимизации условий эксплуатации, в результате чего повреждения коллекторов в зоне перфорации прекратились.

Однако, в настоящее время отмечаются повреждения в узле присоединения коллекторов теплоносителя к патрубку Ду1200 корпуса парогенератора ПГВ-1000М - в зоне

сварного соединения №111. Первые повреждения были обнаружены на ПГ-1 блока №5 НВАЭС в 1998 году. В дальнейшем (до момента написания данной работы), подобные повреждения были обнаружены на 17 парогенераторах и на пяти из них повторно. Разработка мероприятий по предотвращению повреждений в узлах присоединения коллекторов к корпусу парогенератора ПГВ-ЮООМ является сложной научно-технической задачей, которая до настоящего времени не решена, и повреждения продолжаются.

Актуальность диссертационной работы заключается в разработке оптимизированного, с точки зрения напряженного состояния, узла соединения коллектора теплоносителя с корпусом парогенератора для новых АЭС с ВВЭР, а также в разработке мероприятий, позволяющих повысить надежность и долговечность коллекторов теплоносителя парогенераторов существующих блоков АЭС с ВВЭР.

Цель научного исследования

Целью диссертационной работы является изучение и исследование работоспособности коллекторов теплоносителя ПГ, а также разработка мероприятий для обеспечения надежной эксплуатации узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенератора реакторной установки ВВЭР-1000 за счет эффективного снижения остаточных и эксплуатационных напряжений в зоне сварного соединения № 111.

Научная новизна

В результате проведенных исследований:

- выполнен анализ закономерностей повреждений и основных повреждающих факторов узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенератора;

- выявлена аналогия между повреждениями коллектора теплоносителя в перфорированной зоне и повреждениями узла присоединения коллектора в зоне сварного соединения № 111. Установлена важная роль напряженного состояния в повреждениях узла присоединения коллектора к корпусу ПГ. Предложены методы снижения напряжений в коллекторах действующих и проектируемых АЭС с ВВЭР;

- разработан, обоснован расчетами и экспериментально подтвержден метод снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения его наружной поверхности воздухом;

- для вновь проектируемых парогенераторов выполнена модернизация конструкции узла присоединения коллектора к патрубку корпуса, позволившая снизить напряжения в данном узле на 40 %.

Научная и практическая значимость

Разработанный метод снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом позволяет повысить надежность и увеличить ресурс коллектора теплоносителя эксплуатируемых ПГ с ВВЭР-1000.

Экспериментальные данные по исследованию возможности снижения напряжений в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса ПГ путем охлаждения данного узла воздухом нашли отражение в РКД на кожух коллектора теплоносителя, которым в ближайшее время планируется оснастить коллекторы теплоносителя действующих ПГ АЭС с ВВЭР-1000.

Метод по снижению напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом может быть использован при решении аналогичных задач на других узлах и элементах РУ АЭС.

В парогенераторах РУ вновь разрабатываемых и сооружаемых энергоблоков проектов АЭС 2006, АЭС «Белене», АЭС с ВВЭР-ТОИ применена модернизированная конструкция коллектора теплоносителя, позволившая снизить напряжения в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ на 40 %. Такие парогенераторы уже изготовлены для НВАЭС-2 и ЛАЭС-2.

Достоверность

Достоверность расчетных данных подтверждается использованием апробированных инженерных методик расчета, применением верифицированных программных кодов и сходимостью расчетных характеристик с данными, полученными экспериментально.

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных методов измерения и повторением каждого из экспериментов.

Личный вклад автора

Автор диссертационной работы:

- непосредственно участвовал в исследованиях повреждений узлов присоединения коллекторов к патрубкам парогенераторов ПГВ-1000М;

- разработал методы снижения уровня напряжений в узлах присоединения коллекторов парогенераторов новых проектов и находящихся в эксплуатации на АЭС, а также провел необходимые расчетные обоснования;

- провел модернизацию конструкции коллектора теплоносителя, обеспечившую снижение напряжений в узле присоединения к патрубку корпуса парогенератора для проектируемых и строящихся АЭС с ВВЭР.

- принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях влияния наружного охлаждения на уровень напряжений в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса ПГ.

На защиту выносятся

Результаты расчетов и экспериментальных исследований напряжений в узле присоединения коллектора к патрубку корпуса парогенератора.

Модернизированная конструкция коллектора теплоносителя для проектируемых и строящихся АЭС с ВВЭР.

Результаты разработки и исследований метода снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем наружного охлаждения.

Апробация работы

По результатам работы сделаны сообщения: на 5-й и 6-й Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ( Подольск 2007 г. и 2009 г.); конференции молодых специалистов ОКБ "Гидропресс" (Подольск 2007 г. и 2008 г.); 7-м Международном семинаре по горизонтальным парогенераторам (Подольск 2006 г.); Молодежной международной конференции по энергетике (Будапешт, Венгерская республика 2007 г.); молодежной международной конференции «Полярное сияние» (Санкт-Петербург 2009 г.).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 научных работах и докладах, из них 4 в ведущих рецензируемых научно-технических журналах «Вопросы атомной науки и техники», вып. 19, 2007 г. и вып. 21, 2008 г., «Атомная энергия», том 104, вып. 1, январь 2008 г., «Теплоэнергетика» №3, март 2011 г., а также в описаниях к двум патентам на полезную модель (№ 69199 от 10.12.2007 г. и № 85607от 10.08.2009 г).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, изложена на 128 листах, включая 100 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 38 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и практическая ценность результатов диссертационной работы, показана целесообразность проведения экспериментальных исследований и научная новизна, сформулированы решаемая научно-техническая задача, цель и основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о структуре и кратком содержании диссертации.

В первой главе проведен анализ проблемы обеспечения работоспособности коллекторов горизонтальных ПГ. Рассмотрена динамика возникновения повреждений в перфорированной зоне "холодных" коллекторов. Все повреждения коллекторов в перфорированной зоне имели вид трещин в перемычках между отверстиями в участке геометрической неоднородности перфорации коллектора. Такие повреждения были обнаружены в коллекторах 25-ти парогенераторов. Из них удалось отремонтировать два, а 23 ПГ - пришлось заменить. На всех действующих и изготовленных парогенераторах были проведены компенсирующие мероприятия, в том числе низкотемпературная термообработка и разневоливание коллекторов в верхней части. В результате проведенных мероприятий указанных повреждений в дальнейшем удалось избежать.

Повреждения коллекторов парогенератора ПГВ-ЮООМ связаны также с возникновением трещин в зоне присоединения коллектора к патрубку Ду1200 корпуса ПГ в зоне сварного соединения № 111. Такие повреждения были обнаружены на 17 парогенераторах, при этом на пяти из них повторно (после проведенного ремонта).

На рисунке 1 показан парогенератор ПГВ-ЮООМ и указаны перфорированная зона коллектора в области клина и зона сварного соединения №111, где имеют место повреждения в процессе эксплуатации.

Рисунок 1 - Парогенератор ПГВ-ЮООМ По заключению комиссий по расследованию причин повреждений и научно-технических советов повреждение коллекторов парогенераторов, как в зоне перфорации, так

Патрубок Ду 1200

и в узле присоединения к корпусу происходили по механизму замедленного деформационного коррозионного растрескивания стали 10ГН2МФА (ЗДКР). Данный процесс образования коррозионно-механических трещин в стали 10ГН2МФА возможен при воздействии трёх факторов: напряжений на уровне предела текучести материала; наличия коррозионно-активной среды и температуры, соответствующей минимальной пластичности стали (260 -275 °С). Исключение любого из этих факторов предотвратило бы повреждение коллектора.

Были проведены мероприятия по уменьшению воздействия коррозионно-активной среды на металл коллектора. Путем ужесточения норм ВХР и модернизации системы раздачи питательной воды ПГ было достигнуто уменьшение содержания примесей в воде второго контура в зоне коллекторов. Однако для предотвращения процесса ЗДКР необходимо также исключить медьсодержащие сплавы из оборудования второго контура, что является сложной, дорогостоящей задачей, на сегодняшний день полностью не решенной для действующих блоков АЭС.

Снижение уровня напряжений как фактора, приводящего к повреждению узла присоединения коллектора с корпусом, является сложной задачей, решение которой осуществлялось в рамках диссертационной работы путем:

- создания 3-D модели парогенератора для исследования напряженного состояния при действии различных нагружающих факторов, как в отдельности, так и совместно;

- определения нагружающих факторов с наибольшим вкладом в напряженное состояние коллектора теплоносителя;

- проведения вариантных расчетов напряженно-деформированного состояния парогенератора с целью модернизации конструкции узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубкам парогенератора для повышения его надежности;

- разработки методов снижения напряжений в коллекторах действующих парогенераторов;

- экспериментального подтверждения разработанного метода по снижению напряжений в коллекторах действующих парогенераторов.

Во второй главе рассмотрены компоновки «малой» серии (блок №5 НВАЭС, блоки Ks 1, 2 КлнАЭС, блоки № 1, 2 ЮУАЭС) и серии 320 (РУ В-320) реакторных установок с ВВЭР-1000.

Для исследования напряженного состояния узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГВ-ЮООМ (зона сварного соединения № 111) в среде Solid Works создана расчетная область, которая включает в себя обечайки корпуса с

патрубками Ду 1200 и Ду 800, подкладные листы с приваренными к ним верхними частями опор ПГ, коллекторы теплоносителя, главные циркуляционные трубопроводы, корпус главного циркуляционного насоса, часть обечайки корпуса реактора с патрубками Ду 800. В расчетной области (для её упрощения) не рассматриваются: крышка реактора, крышки коллекторов теплоносителя и люков Ду 800, а так же эллиптические днища ПГ. Такая расчетная область позволяет наиболее точно определить вклад в напряженное состояние зоны сварного соединения Л» 111 всех нагружающих факторов

Расчетная область реакторных установок "малой" серии и серии 320 показана на

Рисунок 3 - Расчетная область реакторной установки серии 320 Расчетная модель состоит из расчетной области с наложенными на нее граничными условиями. В каждом расчетном случае применяются свои граничные условия.

Все нагружающие факторы, действующие на узел соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ (зона сварного соединения № 111), можно разделить на две группы:

- достоверно известные факторы, величина и действие которых известны для каждого эксплуатируемого в настоящее время ПГ. К таким факторам можно отнести действие давления гидравлических испытаний и рабочего давления по первому и второму контурам и температурное поле в номинальном режиме;

- факторы вероятностного характера, величина и действие которых достоверно не известны. В каждом конкретном случае действие данных факторов будет различно. Факторы, присутствующие в одном ПГ, могут отсутствовать в соседнем ПГ в пределах одной РУ. К таким факторам относится сопротивление перемещению и защемление в опорах ПГ, монтажный натяг ГЦТ, действие трубного пучка на коллектор, остаточные технологические напряжения. Все факторы, как достоверно известные, так и вероятностного характера, могут оказывать на зону сварного соединения № 111 благоприятное, не благоприятное либо нейтральное действие.

Было рассмотрено действие следующих нагружающих факторов:

- давления гидравлических испытаний по первому контуру;

- давления гидравлических испытаний по второму контуру;

- расчетного давления по первому и второму контурам;

- температурного поля в номинальном режиме;

- рабочего давления по первому и второму контурам и температурного поля;

- сопротивления в опорах парогенератора при разогреве;

- сопротивления в опорах парогенератора при расхолаживании;

- монтажного натяга главного циркуляционного трубопровода;

- воздействия трубного пучка на коллектор.

Действие остаточных технологических напряжений не рассмотрено в связи с большой неопределенностью исходных данных и сложностью определения НДС при технологических воздействиях, таких как сварка, раздача теплообменных труб с помощью энергии взрывчатых веществ и т.д.

Расчет моделей в компоновке РУ "малой" серии и серии 320 проводился методом конечных элементов по программе COSMOS Works. В результате расчета были определены все компоненты напряжений во всех точках моделей. Распределение напряжений по окружности внутренней поверхности узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ, рассматривалось по линии перехода галтели во внутреннюю поверхность патрубка Ду 1200 на расстоянии 20 мм от дна "кармана" коллектора.

Анализируя распределения значений наибольших главных напряжений (на галтели они совпадают с осевыми растягивающими напряжениями), максимальные значения этих

напряжений на галтели "кармана" "горячего" коллектора и места обнаружения повреждений для РУ "малой" серии и серии 320, можно сделать следующие выводы:

- действие давления гидравлических испытаний по первому контуру не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние узла присоединения коллектора в зоне сварного соединения №111;

- действие давления гидравлических испытаний по второму контуру характеризуется наличием двух экстремумов главных напряжений. Напряжения в экстремумах практически одинаковы между собой для РУ "малой" серии и серии 320 и составляют о1=470 МПа. Экстремумы располагаются по средним образующим патрубка Ду 1200 со смещением к короткой образующей. Расположение экстремумов главных напряжений коррелирует с местами обнаружения повреждений, а в случае с повреждениями на НВАЭС 5ПГ-2 и 5ПГ-4 обнаруженные дефекты полностью совпали с одним из экстремумов. При проведении гидравлических испытаний по второму контуру в узле присоединения коллектора имеет место наибольший уровень главного напряжения, однако температура узла значительно ниже температуры развития процесса ЗДКР. В этом случае дефекты могут получить развитие только по усталостному механизму;

- действие рабочего давления по первому и второму контурам и температурного поля (номинальный режим) характеризуется наличием двух экстремумов главных напряжений. Учет температурного поля для РУ «малой» серии привел к увеличению напряжений в экстремуме около средней образующей патрубка Ду 1200 со стороны «горячего» днища и небольшому его смещению к короткой образующей. Данный экстремум в большинстве случаев совпадает с зоной всех первичных повреждений на РУ «малой» серии, что свидетельствует о наличии условий для роста дефектов в номинальном режиме эксплуатации. Учет температурного поля для РУ серии 320 привел к неравномерному снижению обоих экстремумов главных напряжений. Обнаруженные дефекты в некоторых случаях совпадают с одним из экстремумов, что также свидетельствует о наличии условий для роста дефектов в номинальном режиме эксплуатации. Особенно интересно отметить, что экстремум главных напряжений находится на галтели «холодного» коллектора и смещен от средней образующей патрубка Ду 1200 со стороны «холодного» днища в сторону короткой образующий. На сегодняшний момент обнаруженные повреждения на 1ПГ-4 БлкАЭС и на 2ПГ-2 ЗАЭС находятся в непосредственной близости от экстремума главных напряжений на галтели «холодного» коллектора. Распределение наибольших главных напряжений в номинальном режиме на галтели "кармана" коллектора для РУ «малой» серии и серии 320 показаны на рисунке 4;

- сопротивление в опорах парогенератора при разогреве для РУ «малой» серии характеризуется наличием одного экстремума главных напряжений о1=29 МПа, сдвинутого от длиной образующей патрубка Ду 1200. Данные напряжения не оказывают существенного влияния на напряженно-деформированное состояние узла присоединения коллектора в зоне сварного соединения №111. Для РУ серии 320 сопротивление в опорах парогенератора при разогреве характеризуется наличием одного экстремума главных напряжений, расположенного в зоне всех обнаруженных первичных повреждений;

- сопротивление в опорах парогенератора при расхолаживании РУ характеризуется обратной картиной по сравнению с разогревом;

- монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода для РУ «малой» серии характеризуется наличием области действия растягивающих напряжений от длинной образующей патрубка Ду1200 до средней образующей ближней к центру ПГ, что не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние зоны сварного соединения № 111. Для РУ серии 320 монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода приводит к росту растягивающих напряжений в зоне всех обнаруженных первичных повреждений;

- воздействие трубного пучка на коллектор мало влияет на напряженное состояние зоны сварного соединения № 111, так как по своей конструкции опора теплообменных труб не способна воспринимать боковую нагрузку от возможного зажатия теплообменных труб.

МПа

—«— "малая"серия "горячий" коллектор —»-"малая"серия "хололшП" коллектор —Феерия 320 "горячий" коллектор —~серия 320 "холодный" коллектор

Рисунок 4 - Распределение наибольших главных напряжений в номинальном режиме на галтели "кармана" коллектора

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что напряжения на уровне предела текучести материала возникают в номинальном режиме и при гидравлических испытаниях по второму контуру, но при проведении гидравлических испытаний уровень температуры недостаточен для развития процесса ЗДКР. В РУ "малой" серии действие температурного поля в номинальном режиме приводит к увеличению экстремума главных напряжений, а в РУ серии 320 - к его снижению. В РУ серии 320 максимальные главные напряжения в зоне сварного соединения № 111 в номинальном режиме эксплуатации на 24 % меньше, чем в РУ "малой" серии.

Для РУ "малой" серии фактором, усугубляющим напряженно-деформированное состояние (приводящим к росту растягивающих напряжений на галтели коллектора), является сопротивление в опорах парогенератора при охлаждении. Для РУ серии 320 факторами, усугубляющими напряженно-деформированное состояние (приводящими к росту растягивающих напряжений на галтели коллектора), являются сопротивление в опорах парогенератора при разогреве и монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода.

В третьей главе рассмотрены конструктивные меры по снижению напряжений в коллекторах ПГ и численно исследована их эффективность.

Для вновь разрабатываемых парогенераторов были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния различных кс.:ф::гураций узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса при действии расчетного давления по второму контуру. Расчеты по определению напряжений в узле соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ проведены для различных геометрических размеров узла с целью определения геометрии с минимальными напряжениями при равных граничных условиях.

Для исследования напряженного состояния корпуса в среде Solid Works создана расчетная область, которая отличается от области, описанной во второй главе, отсутствием трубопроводов ГЦТ, т.к. их воздействие не учитывалось. Во всех рассматриваемых вариантах расчетная область нагружалась расчетным давлением второго контура, которое для вновь разрабатываемого парогенератора ПГВ-ЮООМКП составляет 8,1 МПа. Расчет проводился методом конечных элементов COSMOS Works.

На основании анализа результатов расчета НДС в узле присоединения коллектора к корпусу с различным радиусом галтельного перехода был сделан вывод о том, что для снижения напряжений необходимо максимально возможно увеличивать радиус галтели коллектора. В связи с этим был рассмотрен вариант с последовательным увеличением радиуса сопряжения от наружной поверхности коллектора (R = 30 мм) к внутренней поверхности патрубка Ду 1200 с максимально возможным радиусом галтели R = 120 мм. В

данном варианте, на наружной поверхности узла присоединения коллектора к корпусу были предусмотрены прямолинейные участки для возможности проведения ультразвукового контроля

Для наглядного представления об изменениях в конструкции узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ на рисунке 5 показаны совмещенные сечения «кармана» коллектора в базовом и модернизированном вариантах.

Модернизированная конструкция узла присоединения коллектора к корпусу с максимально возможными, из конструктивных соображений, радиусами галтельных сопряжений предназначена для вновь разрабатываемых ПГ. В модернизированной конструкции узла присоединения коллектора максимальные местные растягивающие напряжения, по отношению в базовому варианту, снижены на 147 МПа (42 %) и составляют 201 МПа, что существенно ниже предела текучести материала коллектора.

Для действующих парогенераторов изменить геометрию узла присоединения коллектора практически невозможно, так как для этого необходимо механически вырезать фрагмент коллектора и вварить новый фрагмент с измененной геометрией. В связи с этим для снижения напряжений на галтели узла присоединения коллектора (на галтели "кармана" коллектора) первоначально предлагалось использовать механические устройства. В результате проведенных расчетных оценок было обнаружено, что при воздействии сжимающей силы на наружную поверхность "кармана" коллектора на галтели узла соединения коллектора с патрубком корпуса (расположенной внутри "кармана") возникают сжимающие напряжения. Для создания сжимающей силы предлагалось использовать разборное кольцо из двух частей, которые соединяются при помощи клинового замка. Но

Исходный вариант ■ Модернизированный вариант

Рисунок 5 - Совмещенные сечения конструкции узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ

данный метод снижения напряжений имеет существенный недостаток, связанный со сложностью установки механических устройств и их демонтажа для проведения ультразвукового контроля.

Описанных выше недостатков лишен «температурный» метод снижения напряжений. Суть метода заключается в создании сжимающих напряжений на галтели "кармана" коллектора путем охлаждения наружной поверхности узла присоединения коллектора в зоне сварного соединения №111. В результате охлаждения образуется разность температур между внутренней и наружной поверхностями патрубка Ду 1200, переходного кольца и "кармана" коллектора, наружные слои металла становятся холоднее внутренних, меньше расширяются и сжимают внутренние слои.

Конструктивно данный метод реализуется установкой на узел соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 стального разборного кожуха, под который вентиляторами подается воздух. Кожух предполагается изготавливать разборным не менее чем из двух частей. Кожух на узле соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 показан на рисунке 6. Конструкция кожуха защищена патентом на полезную модель.

Для корректного расчета теплоотдачи при движении воздуха под кожухом была проведена серия расчетов на СРБ коде Р1о5шш1а1:юп. В расчетном коде Рк&ппиШоп движение и теплообмен моделируется с помощью уравнений Навье-Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии.

Рисунок 6 - Кожух на узле соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200

В расчете был рассмотрен режим охлаждения коллектора, при котором температура охлаждающего воздуха составляла 28 °С, а расход 5000 м3/час. В результате расчета было определено температурное поле в рассматриваемой области, а также эпюры температуры, скорости и давления охлаждающего воздуха под кожухом.

Температурное поле в сечении входного и выходного патрубков кожуха показано на рисунке 7. Видно, что узел соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ в зоне входного патрубка охлаждается до 200 °С с наружной стороны и до 250 °С с внутренней. В зоне выходного патрубка кожуха охлаждение более слабое и температура узла с наружной стороны составляет 250 °С и 264 °С с внутренней.

Входной

патрубок I ¡¡J ] Выходной

V ИМ16 НК патрубок

, ЩЯ I Т. 203 ^B'V''

1И i........L 190

_аИ Solid Temperature ["С]

Рисунок 7 - Температурное поле в сечении входного и выходного патрубков кожуха

После определения температурного поля было рассчитано напряженное состояние в узле присоединения коллектора методом конечных элементов с использованием программного комплекса CosmosWorks. В результате расчета напряженного состояния были определены компоненты напряжений во всех точках рассматриваемой области. На рисунке 8 показана эпюра первых главных напряжений в сечении узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ напротив подводящего охлаждающий воздух патрубка кожуха.

^maSOTEEJ-y . Pi (мра))

, 170.0 . 1500

. 13С0 t 1100

I 90.0

Рисунок 8 - Эпюра первых главных напряжений

Ранее при расчете рассмотренной области без охлаждения узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ были зафиксированы максимальные напряжения на галтели «кармана» коллектора - на уровне 239 МПа. Режим охлаждения позволил снизить напряжения на 29 %. На рисунке 8 видно, что при использовании системы охлаждения узла присоединения коллектора к корпусу ПГ происходит снижение напряжений на внутренней галтели узла и увеличение напряжений на наружной поверхности. Это приводит к выравниванию напряжений по рассматриваемому сечению, уменьшению изгибающего момента и к разгрузке галтели коллектора, что существенно снижает риск развития повреждений в данном узле по механизму ЗДКР.

Для количественной оценки влияния эффективности снижения напряжений в узле присоединения коллектора к корпусу вновь разрабатываемых и действующих ПГ с системой обдува были проведены расчеты накопленного циклического повреждения. Рассматривалась вся номенклатура проектных режимов эксплуатации. Расчетами показано, что конструкция ПГ с обдувом узла присоединения коллектора имеет вдвое меньшую (до 54 %) величину накопленной циклической повреждаемости на галтели «кармана» коллектора по сравнению с базовой конструкцией ПГ. В предложенной для вновь разрабатываемых ПГ модернизированной конструкции узла присоединения коллектора с максимально возможными, из конструктивных соображений, радиусами гантельных сопряжений накопленная циклическая повреждаемость по сравнению с базовой конструкцией снижена в зоне действия максимальных растягивающих напряжений на 79 % или почти в 5 раз.

Четвертая глава посвящена созданию экспериментальная установка для изучения возможности создания сжимающих напряжений на внутренней поверхности узла присоединения коллектора к корпусу при наружном охлаждении воздухом.

Суть проведенных экспериментов заключалась в изготовлении металлической модели "кармана" коллектора, присоединении к ней системы подвода и отвода воздуха, установке на нее тензорезисторов и термопар, нагреве модели изнутри (имитация температурных полей в стационарном режиме) и принудительном охлаждении с наружной поверхности воздухом. При нагреве модели изнутри и ее охлаждении снаружи образовывалась разность температур между внутренней и наружной поверхностями модели "кармана" коллектора. Наружные слои металла становились холоднее внутренних, меньше расширялись и сжимали внутренние слои, в которых образовывались сжимающие напряжения. Величина сжимающих напряжений в области галтели "кармана" и в зоне, соответствующей сварному соединению № 111, фиксировались тензорезисторами при эксперименте.

По предварительным оценкам расход охлаждающего воздуха, поступающего под кожух модели, должен составить порядка 0,65 кг/с (2000 м3/час), температура охлаждающего воздуха 40 °С, мощность нагревательных элементов, с учетом тепловых потерь, не более 30 кВт.

В эксперименте, описанном в четвертой главе, ставились следующие цели: -экспериментальное подтверждение эффективности снижения растягивающих напряжений в зоне сварного соединения №111 узла присоединения коллектора к патрубку корпуса ПГВ-ЮООМ за счет принудительного наружного охлаждения;

- экспериментальная проверка работоспособности и удобства в эксплуатации кожуха, формирующего канал для циркуляции воздуха вдоль наружной поверхности зоны сварного соединения.

Модель была изготовлена из стали 22К в масштабе 1:2. В связи с тем, что сжимающие напряжения внутри узла соединения коллектора с корпусом зависят только от перепада температуры по толщине стенки данного узла, в качестве параметра подобия натурному ПГ принимался критерий Био.

Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке 9.

а=>-термопара; & - манометр;

1 - Модель "кармана" коллектора. 2 - Кожух. 3 - Патрубок. 4 - Бак-демпфер.

5 - Вихревой счётчик - расходомер. 6 - Вентилятор.

Рисунок 9 - Принципиальная схема экспериментальной установки Внешний вид испытательного стенда показан на рисунке 10. На этом рисунке модель "кармана" коллектора парогенератора ПГВ-ЮООМ с кожухом закрыты теплоизолирующими матами.

Для уточнения требований к проведению эксперимента на модели и определения оптимального расхода охлаждающего воздуха было проведено численное моделирование

эксперимента на З-О модели «кармана» коллектора парогенератора ПГВ-1000М с применением программного комплекса РЬБипиМоп.

Рисунок 10 - Внешний вид испытательного стенда

3-0 модель «кармана» коллектора парогенератора ПГВ-1000М (без воздуховодов) показана на рисунке 11. Собственно модель "кармана" коллектора ПГ представляет собой выполненный в масштабе 1:2 узел соединения коллектора теплоносителя с корпусом парогенератора и состоит из имитатора корпуса с патрубком Ду 600 и имитатора коллектора.

Рисунок 11 - 3-Б модель «кармана» коллектора парогенератора ПГВ-ЮООМ

При расчете на внутренних поверхностях модели, соответствующих поверхностям ПГВ-ЮООМ, граничащим с теплоносителем первого и второго контуров, задавались граничные условия теплообмена третьего рода. На входном патрубке кожуха задавался

расход воздуха с температурой 40 °С, равный 0,65 кг/с (2000 м3/час). На выходном патрубке задавалось давление 101,3 кПа, соответствующее давлению окружающей среды.

При решении задачи по определению температурного поля в модели "кармана" коллектора парогенератора ПГВ-1000М методом конечных объемов использовалась прямоугольная сетка.

В результате расчета теплообмена нагреваемой изнутри модели с охлаждающим воздухом была определена температура во всех точках рассматриваемой модели, а также перепады температуры и давления охлаждающего воздуха под кожухом.

После определения температурного поля было рассчитано напряженное состояние в модели "кармана" коллектора парогенератора ПГВ-1000М методом конечных элементов с использованием программного комплекса Cosmos Works.

В результате расчета напряженного состояния были определены компоненты напряжений и деформаций во всех точках рассматриваемой модели. Наибольший интерес представляет эпюра радиальных напряжений, так как именно радиальные напряжения образуют на галтели модели напряженное состояние сжатия, фиксируемое тензорезисторами.

По результатам проведения численного моделирования эксперимента были определены места для установки тензорезисторов и выбран расход охлаждающего воздуха 2000 м3/час.

Далее в четвертой главе приведены результаты экспериментов, проведенных на экспериментальной установке. Испытания начинались с наладочных экспериментов, предназначенных для определения равномерности обогрева модели "кармана" коллектора ПГ и отработки методики нагрева модели. Нагрев модели осуществлялся ступенями с интервалом 50 °С. Скорость разогрева составляла порядка 30 - 60 °С/час. Время выдержки на каждой ступени определялось временем достижения стационарного температурного поля.

Разогрев внутренней и наружной поверхностей имитатора коллектора и корпуса проводился до температуры 270 - 320 °С, соответствующей температурам второго и первого контуров парогенератора ПГВ-ЮООМ.

При достижении указанных температур регулировкой мощности электронагревателей поддерживался стационарный режим на протяжении 10-15 минут. Проверялась работоспособность измерительных каналов для регистрации температуры металла и напряжений в металле модели.

После отработки наладочных режимов проводилось три наладочных эксперимента с подачей умеренных расходов охлаждающего воздуха (порядка 1000 м3/час) в кожух при

стационарном температурном поле в металле модели. В этих экспериментах проверялась конструкция кожуха на предмет организации эффективного охлаждения наружной поверхности модели без существенных протечек воздуха в атмосферу.

Далее были проведены три эксперимента при стационарном температурном поле и расходе охлаждающего воздуха от 1000 до 2000 м3/час. В опытах устанавливался и регулированием мощности электронагревателей поддерживался стационарный температурный режим в металле модели. Проводилась наладка всех измерительных каналов, снимались показания ПТЭ и тензорезисторов.

Температура охлаждающего воздуха в экспериментах соответствовала температуре окружающей среды.

В результате проведенных экспериментов были определены значения температуры поверхности модели в местах установки термопар, а так же значения напряжений в местах установки тензорезисторов.

Эксперименты показали, что при охлаждении в нижней части кармана возникают радиальные напряжения сжатия, а на наружной поверхности модели - кольцевые и осевые напряжения растяжения. С увеличением расхода охлаждающего воздуха изменения напряжений растут по абсолютной величине. Максимальные сжимающие напряжения на модели узла соединения колектора с корпусом, измеренные при максимальном расходе 2000 м3/час, достигали 166 МПа.

В результате проведенных испытаний было установлено, что опытная конструкция кожуха обеспечивает охлаждение наружной поверхности модели без существенных протечек охлаждающего воздуха в окружающую среду.

В четвертой главе отмечено, что при сравнении значений температуры измеренных на экспериментальной модели с численным моделированием имело место различие в ряде точек. Данное различие обусловлено как локальным перегревами отдельных зон модели, так и некорректными показаниями ряда термопар. Тем не менее, напряжения по показаниям тензорезисторов в этих точках качественно совпали с результами расчета, а средние по опытам № 7 и № 8 сжимающие напряжения на внутренней поверхности «кармана» модели совпали со средними расчетными напряжениями с различием в 2 %. При определении напряжений на поверхности модели основной вклад в общую погрешность результатов вносила погрешность преобразователя напряжений, которая не превышает 7 %.

Возможность и эффективность снижения растягивающих напряжений на внутренней поверхности узла присоединения коллектора при наружном обдуве воздухом данного узла была подтверждена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ проблемы обеспечения работоспособности коллекторов парогенераторов ПГВ-ЮООМ. Показана общность причин повреждения коллекторов в перфорированной части и в узле присоединения к патрубку корпуса (зона сварного соединения №111). Показана необходимость снижения эксплуатационных и остаточных напряжения для предотвращения повреждений коллекторов в узле присоединения.

2. Для определения напряженного состояния узла присоединения коллектора и адекватного учета всех нагружающих факторов проведены расчеты на З-Э модели парогенератора, включающей всю циркуляционную петлю в компоновке серии 320 и «малой» серии. Определены режимы, в которых имеют место способствующие развитию процесса замедленного деформационного коррозионного растрескивания повреждающие факторы: температура в интервале 260 -275 °С, соответствующая минимальной пластичности стали 10ГН2МФА, и высокие растягивающие напряжения - на уровне предела текучести материала при воздействии коррозионной среды. Подобные напряжения возникают в номинальном режиме и при гидравлических испытаниях по второму контуру, но при проведении гидравлических испытаний температуры недостаточно для развития процесса ЗДКР. В РУ "малой" серии изгиб ГЦТ вследствие воздействия номинального температурного поля приводит к увеличению главных напряжений, а в РУ серии 320 - к снижению.

3. В результате анализа НДС конструкции узла соединения коллектора с корпусом вновь проектируемых ПГ проведены вариантные расчеты и разработана конструкция коллектора с максимально возможными, из конструктивных соображений, радиусами галтельных сопряжений. В модернизированной конструкции узла присоединения коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора максимальные местные растягивающие напряжения, по отношению к базовому варианту, снижены на 147 МПа (42 %) и составляют 201 МПа, что существенно ниже предела текучести материала коллектора. Модернизированная конструкция узла присоединения коллектора принята в проектах вновь разрабатываемых парогенераторов для АЭС-2006, АЭС «Белене», АЭС с ВВЭР-ТОИ (ПГВ-ЮООМКП, ПГВ-1000МКУ и д.р.).

4. Для снижения напряжений в узле присоединения коллектора действующих парогенераторов предложены механический и температурный методы. Механический метод труднореализуем на реальном ПГ в связи со сложностью установки механических устройств и их демонтажа для проведения ультразвукового контроля. Температурный метод снижения напряжений лишен подобных недостатков. Снижение напряжений достигается охлаждением

узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку Ду 1200. Для этого на узел присоединения коллектора устанавливается тонкий стальной кожух, под который вентиляторами подается воздух с расходом 5000 - 7000 м3/час. Это позволяет создать разность температур между внутренней и наружной поверхностями узла присоединения коллектора, что приводит к разгрузке внутренних слоев металла в зоне галтели. При этом снижаются все составляющие напряжений, в наибольшей степени осевые растягивающие напряжения (первые главные). Снижение осевых растягивающих напряжений в зоне наблюдаемых повреждений составит не менее 30 %; уровень напряжений станет существенно ниже предела текучести, что будет способствовать увеличению ресурса парогенератора ПГВ-1000М и уменьшению предпосылок для повреждения коллектора в зоне сварного соединения № 111.

5. Для количественной оценки влияния конструкторских решений (с максимально возможным радиусом галтельных сопряжений) узла присоединения коллектора вновь разрабатываемых ПГ и системы обдува узла присоединения коллектора действующих ПГ на ресурс, в рамках нормативной методики, проведены расчеты накопленного циклического повреждения. Расчетами показано, что конструкция ПГ с охлаждением узла соединения коллектора с корпусом имеет вдвое меньшую (до 54 %) величину накопленной циклической повреждаемости по сравнению с базовой конструкцией ПГ (без обдува). Накопленная циклическая повреждаемость в модернизированном узле соединения коллектора теплоносителя с корпусом ПГ по сравнению с базовым снизилась в зоне действия максимальных растягивающих напряжений на 79 % или почти в 5 раз.

6. Проведены стендовые испытания модели узла присоединения коллектора и исследованы закономерности формирования сжимающих напряжений на её внутренней поверхности при охлаждении наружной поверхности воздухом. Показана эффективность снижения растягивающих напряжений на внутренней поверхности узла соединения коллектора с корпусом при использовании наружного охлаждения. С увеличением расхода охлаждающего воздуха увеличивается температурный перепад на стенках узла соединения коллектора с корпусом, и снижаются растягивающие напряжения на внутренней поверхности данного узла.

7. Экспериментальные данные по исследованию возможности снижения напряжений в узле соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ путем охлаждения данного узла воздухом нашли отражение в РКД на кожух коллектора теплоносителя, которым в ближайшее время планируется оснастить коллекторы теплоносителя ПГ АЭС с ВВЭР-1000.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. С.Л. Лякишев, С.А. Харченко, A.B. Кучерявченков, Н.Ф. Коротаев. Оптимизация конструкции узла приварки коллектора к корпусу парогенератора. Сборник трудов 7-го международного семинара по горизонтальным парогенераторам. Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2006.

2. С.Л. Лякишев, Н.Б. Трунов, С.А. Харченко, Н.Ф. Коротаев. Снижение напряжений в области сварного соединения №111 парогенератора ПГВ-ЮООМ механическим способом. Сборник трудов 5-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2007.

3. С.Л. Лякишев, Н.Б. Трунов, С.А. Харченко, Н.Ф. Коротаев. Снижение напряжений в области сварного соединения №111 парогенератора ПГВ-ЮООМ механическим способом. Сборник трудов конференции молодых специалистов ОКБ "Гидропресс" 2007. Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2007.

4. S.L. Lyakishev, N.B. Trunov. Improvement of reliability of a steam generator for a NPP with VVER-1000 reactor. Proceedings "International youth conference on energetics 2007". Hungary, Budapest, 2007.

5. Ю.Г. Драгунов, О.Ю. Петрова, С.Л. Лякишев, С.А. Харченко ОКБ «Гидропресс»; И.Л. Харина, A.C. Зубченко «ЦНИИТМАШ». Повышение надежности эксплуатации коллекторов парогенераторов ПГВ-1000 (1000 М) // Атомная энергия. Том 104, вып. 1, январь 2008, с. 32-38.

6. С.Л. Лякишев, В.В. Денисов, С.А. Харченко, О.Ю. Петрова. Анализ факторов, приводящих к повреждению коллекторов парогенератора ПГВ-ЮООМ. Сборник ВАНТ, серия: "Обеспечение безопасности АЭС", вып. 19, 2007, с. 55-68.

7. С.Л. Лякишев, Н.Б. Трунов, С.А. Харченко, Н.Ф. Коротаев. Предотвращение повреждений коллекторов парогенератора ПГВ-ЮООМ в зоне сварного соединения №111. Сборник трудов конференции молодых специалистов ОКБ "Гидропресс" 2008. Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2008.

8. С.Л. Лякишев, Н.Ф. Коротаев, В.В. Денисов, С.А. Харченко. Пути предотвращения повреждений коллекторов парогенератора ПГВ-Ю00М в зоне сварного соединения №111. Сборник ВАНТ, серия: "Обеспечение безопасности АЭС", вып. 21, 2008, с. 6974.

9. С.Л. Лякишев. Предотвращение коррозионных повреждение в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенератора ПГВ-ЮООМ. Сборник тезисов докладов молодежной международной конференции «Полярное сияние 2009». Санкт-Петербург, 29-31 января 2009.

10. С.Л. Лякишев, Н.Б. Трунов, С.А. Харченко, В.В. Денисов, Н.Ф. Коротаев. Разработка и обоснование мероприятий по обеспечению надёжной и безопасной эксплуатации сварных соединений №111 парогенератора ПГВ-ЮООМ. Сборник трудов 6-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2009.

11.Н.Б. Трунов, С.А. Харченко, Н.Ф. Коротаев, С.Л. Лякишев. Результаты работ по исследованию причин повреждения металла в районе сварного шва приварки коллектора первого контура к корпусу парогенератора и разработка компенсирующих мероприятий. Сборник трудов 8-го международного семинара по горизонтальным парогенераторам. Подольск, ОКБ "Гидропресс", 2010.

12. Харченко С.А., Трунов Н.Б., Коротаев Н.Ф., Лякишев С.Л. Меры по обеспечению надежности сварного соединения коллектора I контура с корпусом парогенератора АЭС с ВВЭР-1000 // Теплоэнергетика. №3, март2011 г, с. 27-33.

13. Лякишев С.Л., Трунов Н.Б., Харченко С.А., Кучерявченков A.B., Коротаев Н.Ф. //Парогенератор// Патент Российской Федерации на полезную модель №69199. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей 10.12.2007 г. Бюл. №34.

14. Лякишев С.Л., Трунов Н.Б., Харченко С.А. // Парогенератор // Патент Российской Федерации на полезную модель № 85607. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей 10.08.2009 г. Бюл. № 22.

Отпечатано ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС» 02.11.2011 г., 100 экз. 142103, Московская обл., г. Подольск, Орджоникидзе, 21

Открытое акционерное общество «Ордена Трудового Красного Знамени и ордена труда ЧССР опытное конструкторское бюро "ГИДРОПРЕСС»

На правах рукописи 04.2.0 1 2 5 4 6 72 " УДК 621.18

Лякишев Сергей Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ КОЛЛЕКТОРА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

ПАРОГЕНЕРАТОРА АЭС С ВВЭР

Специальность 05.14.03 "Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и

вывод из эксплуатации"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

Научный руководитель доктор технических наук

Трунов Н.Б.

Подольск 2011

Содержание

Условные обозначения.........................................................................................4

Перечень принятых сокращений.............................................................................5

Введение...........................................................................................................6

1 Анализ проблемы обеспечения работоспособности коллекторов горизонтальных ПГ.......11

1.1 Динамика возникновения повреждений............................................................11

1.2 Механизм повреждения................................................................................13

1.3 Предотвращение повреждений коллекторов парогенераторов................................19

1.3.1 Меры по предотвращению повреждений коллекторов в зоне перфорации..........19

1.3.2 Меры по предотвращению повреждений коллекторов в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ...........................................................................21

1.4 Задачи исследований...................................................................................26

Выводы.........................................................................................................26

2 Расчетный анализ напряженного состояния коллектора............................................28

2.1 Постановка задачи.......................................................................................28

2.2 Исходные данные........................................................................................28

2.2.1 Компоновка РУ с ВВЭР-1000...................................................................28

2.2.2 Рабочие условия...................................................................................31

2.2.3 Материалы.............................................................................................31

2.3 Методика расчета..........................................................................................32

2.3.1 Нагружающие факторы.............................................................................32

2.3.2 Расчетная область...................................................................................33

2.3.3 Сетка конечных элементов........................................................................34

2.4 Результаты расчета напряженного состояния коллектора........................................38

2.4.1 Действие давления гидравлических испытаний по первому контуру...................38

2.4.2 Действие давления гидравлических испытаний по второму контуру...................41

2.4.3 Действие расчетного давления по первому и второму контурам..........................43

2.4.4 Действие температурного поля в номинальном режиме..................................44

2.4.5 Действие рабочего давления по первому и второму контурам и температурного поля..................................................................................................47

2.4.6 Сопротивление в опорах парогенератора при разогреве..................................48

2.4.7 Сопротивление в опорах парогенератора при расхолаживании.........................50

2.4.8 Монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода...........................51

2.4.9 Воздействие трубного пучка на коллектор..................................................52

2.5 Анализ напряженного состояния коллектора......................................................55

Выводы.........................................................................................................60

3 Конструктивные меры по снижению напряжений в коллекторах ПГ и численное исследование их эффективности.........................................................................61

3.1 Снижение напряжений в коллекторах вновь разрабатываемых парогенераторов.........61

3.2 Снижение напряжений в коллекторах действующих парогенераторов.....................67

3.2.1 Использование механических устройств...................................................67

3.2.2 Температурный метод снижения напряжений.............................................71

3.3 Влияние снижения напряжений на циклическую повреждаемость узла соединения коллектора с корпусом.................................................................................82

Выводы.........................................................................................................93

4 Экспериментальное исследование метода снижения напряжений................................95

4.1 Экспериментальная установка........................................................................95

4.2 Численное моделирование эксперимента.........................................................104

4.3 Результаты эксперимента на физической модели................................................111

4.4 Сравнение результатов численного моделирования и экспериментов на физической модели....................................................................................................117

Выводы........................................................................................................122

Заключение.....................................................................................................123

Список литературы............................................................................................125

Условные обозначения

Ср - удельная теплоемкость, кДж/(кгК)

Е - модуль упругости материала, МПа

Н - уровень воды в парогенераторе, мм

NнoM - номинальная мощность РУ, МВт

Кто - минимальное значение временного сопротивления при расчетной температуре, МПа

К-ро2 - минимальное значение предела текучести при расчетной температуре, МПа

т - температура, °С

Ть - температура гидравлических испытаний, °С

ъ - относительное сужение поперечного сечения образца, %

а - коэффициент линейного расширения материала, 1/ °С

а - напряжения, МПа

<Т| - главные напряжения, МПа

^инт - интенсивность напряжений, МПа

Перечень принятых сокращений

АЗ - аварийная защита

АЭС - атомная электрическая станция

БлкАЭС - Балаковская АЭС

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор

ВХР - водно-химический режим

ГК - «горячий» коллектор

ГЦН - главный циркуляционный насос

ГЦТ - главный циркуляционный трубопровод

Ду - диаметр условный

ЗАЭС - Запорожская АЭС

ЗДКР - замедленное деформационное коррозионное растрескивание

ИП - измерительный преобразователь

КД - компенсатор давления

КлнАЭС - Калининская АЭС

НВАЭС - Ново-Воронежская АЭС

НДС - напряженно - деформированное состояние

НИОКР - научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа

НПО «ЦНИИТМАШ»

научно-производственное объединение «ЦНИИТМАШ»

ПГ - парогенератор

ПГВ - парогенератор водяной

ППР - плановый предупредительный ремонт

ПТЭ - преобразователь термоэлектрический

РУ - реакторная установка

ТОЙ - типовой оптимизированный информационный

ТП - термопара

УЗК - ультразвуковой контроль

ХК - «холодный» коллектор

ЦНИИКМ «Прометей» - Центральный научно-исследовательский

конструкционных материалов «Прометей»

ЮУАЭС - Южно-Украинская АЭС

СБЭ - вычислительная гидродинамика

институт

Введение

В настоящее время на АЭС в России, как и во всем мире, наблюдается преобладание ядерных реакторов, охлаждаемых водой под давлением. В последние годы объемы строительства и ввода в эксплуатацию новых мощностей АЭС в России заметно возросли. Этому способствует Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», в которой предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР [1]. В России разрабатываются проекты перспективных реакторных установок с реакторами ВВЭР-600, ВВЭР-1200 и ВВЭР-ТОИ.

Одним из важнейших компонентов АЭС с ВВЭР является парогенератор (ПГ) [2, 3], значительно влияющий на надежность и безопасность всей РУ. В настоящее время все разрабатываемые проекты РУ планируется оснащать современными парогенераторами, такими как ПГВ-ЮООМКП, ПГВ-ЮООМКО. Одними из основных элементов горизонтального парогенератора являются цилиндрические коллекторы, вертикально соединенные с корпусом ПГ сварным соединением № 111. Коллектор теплоносителя парогенератора является узлом закрепления теплообменных труб и границей, сдерживающей радиоактивную среду первого контура.

Опыт эксплуатации ПГ с ВВЭР-1000, оснащенных парогенераторами ПГВ-1000 и ПГВ-1000М показывает, что конструкция коллектора теплоносителя наряду с многочисленными достоинствами имеет ряд недостатков, приводящих в совокупности с условиями эксплуатации к повреждениям коллекторов и простоям энергоблоков.

Наиболее масштабные повреждения, повлекшей за собой простои и недовыработку электроэнергии на АЭС, возникли в перфорированной зоне "холодных" коллекторов [4]. Первое повреждение коллектора в перфорированной зоне было обнаружено в 1986 г. на ПГ-1 2-го блока Южно-Украинской АЭС. В дальнейшем аналогичные повреждения были обнаружены на 25-ти парогенераторах. В середине 90-х данная проблема была решена путем совершенствования конструкции перфорированной зоны коллектора, технологии закрепления теплообменных труб и оптимизации условий эксплуатации, в результате чего повреждения коллекторов в зоне перфорации прекратились.

Однако, в настоящее время отмечаются повреждения в узле присоединения коллекторов теплоносителя к патрубку Ду1200 корпуса парогенератора ПГВ-ЮООМ - в зоне

сварного соединения № 111. Первые повреждения были обнаружены на ПГ-1 блока №5 НВАЭС в 1998 году. В дальнейшем (до момента написания данной работы), подобные повреждения были обнаружены на 17 парогенераторах и на пяти из них повторно. Разработка мероприятий по предотвращению повреждений в узлах присоединения коллекторов к корпусу парогенератора ПГВ-1000М является сложной научно-технической задачей, которая до настоящего времени не решена и повреждения продолжаются.

Актуальность диссертационной работы заключается в разработке оптимизированного, с точки зрения напряженного состояния, узла соединения коллектора теплоносителя с корпусом парогенератора для новых АЭС с ВВЭР, а также в разработке мероприятий, позволяющих повысить надежность и долговечность коллекторов теплоносителя парогенераторов существующих блоков АЭС с ВВЭР.

Цель научного исследования

Целью диссертационной работы является изучение и исследование работоспособности коллекторов теплоносителя ПГ, а также разработка мероприятий для обеспечения надежной эксплуатации узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенератора реакторной установки ВВЭР-1000 за счет эффективного снижения остаточных и эксплуатационных напряжений в зоне сварного соединения № 111.

Научная новизна

В результате проведенных исследований:

- выполнен анализ закономерностей повреждений и основных повреждающих факторов узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенератора;

выявлена аналогия между повреждениями коллектора теплоносителя в перфорированной зоне и повреждениями узла присоединения коллектора в зоне сварного соединения № 111. Установлена важная роль напряженного состояния в повреждениях узла присоединения коллектора к корпусу ПГ. Предложены методы снижения напряжений в коллекторах действующих и проектируемых АЭС с ВВЭР;

- разработан, обоснован расчетами и экспериментально подтвержден метод снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения наружной поверхности воздухом;

- для вновь проектируемых парогенераторов выполнена модернизация конструкции узла присоединения коллектора к патрубку корпуса, позволившая снизить напряжения в данном узле на 40 %.

Научная и Практическая значимость

Разработанный метод снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом позволяет повысить надежность и увеличить ресурс коллектора теплоносителя эксплуатируемых ПГ с ВВЭР-1000.

Экспериментальные данные по исследованию возможности снижения напряжений в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса ПГ путем охлаждения данного узла воздухом нашли отражение в РКД на кожух коллектора теплоносителя, которым в ближайшее время планируется оснастить коллекторы теплоносителя действующих ПГ АЭС с ВВЭР-1000.

Метод по снижению напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом может быть использован при решении аналогичных задач на других узлах и элементах РУ АЭС.

В парогенераторах РУ вновь разрабатываемых и сооружаемых энергоблоков проектов АЭС 2006, АЭС «Белене», АЭС с> ВВЭР-ТОИ применена модернизированная конструкция коллектора теплоносителя, позволившая снизить напряжения в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ на 40 %. Такие парогенераторы уже изготовлены для НВАЭС-2 и ЛАЭС-2.

Достоверность

Достоверность расчетных данных подтверждается использованием апробированных инженерных методик расчета, применением верифицированных программных кодов и сходимостью расчетных характеристик с данными, полученными экспериментально.

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных методов измерения и повторением каждого из экспериментов.

Личный вклад автора

Автор диссертационной работы:

- непосредственно участвовал в исследованиях повреждений узлов присоединения коллекторов к патрубкам парогенераторов ПГВ-1000М;

- разработал методы снижения уровня напряжений в узлах присоединения коллекторов парогенераторов новых проектов и находящихся в эксплуатации на АЭС, а также провел необходимые расчетные обоснования;

- провел модернизацию конструкции коллектора теплоносителя, обеспечившую снижения напряжений в узле присоединения к патрубку корпуса парогенератора для проектируемых и строящихся АЭС с ВВЭР.

- принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях влияния наружного охлаждения на уровень напряжений в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса ПГ на этапах:

- постановки задачи;

- обсуждения и согласования технического задания на экспериментальную модель;

- разработки программы и методики экспериментальных исследований;

- сооружения модели и испытательного стенда;

- оснащения стенда средствами измерения;

- проведения экспериментов;

- анализа результатов экспериментальных исследований.

На защиту выносятся

Результаты расчетов и экспериментальных исследований напряжений в узле присоединения коллектора к патрубку корпуса парогенератора.

Модернизированная конструкция коллектора теплоносителя для проектируемых и строящихся АЭС с ВВЭР.

Результаты разработки и исследований метода снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем наружного охлаждения.

Апробация работы и публикации

По результатам работы сделаны сообщения на: 5-й и 6-й Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ( Подольск 2007 г. и 2009 г.); конференции молодых специалистов ОКБ "Гидропресс" (Подольск 2007 г. и 2008 г.); 7-м Международном семинаре по горизонтальным парогенераторам (Подольск 2006 г.); Молодежной международной конференции по энергетике (Будапешт, Венгерская республика 2007 г.); молодежной международной конференции «Полярное сияние» ( Санкт-Петербург 2009 г.).

Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 научных работах и докладах, из них 4 в ведущих рецензируемых научно-технических журналах «Вопросы атомной науки и техники» вып. 19, 2007 г. и вып. 21, 2008 г., «Атомная энергия» Том 104, вып. 1, январь 2008 г., «Теплоэнергетика» №3, март 2011 г., в описаниях к двум патентам на полезную модель (№69199 от 10.12.2007 г. и № 85607от 10.08.2009 г), а также в научно-техническом отчете ОКБ «ГИДРОПРЕСС» 320-0-201, 2010 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, изложена на 128 листах, включая 100 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 38 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность за организационную поддержку и научные консультации д.т.н. Н.Б. Трунову, д.т.н. A.C. Зубченко, а также Д.Ф. Гуцеву за содействие в проведении расчетных и экспериментальных исследований. Автор признателен за техническую поддержку Н.Ф. Коротаеву и многим другим специалистам ОКБ «ГИДРОПРЕСС».

1 Анализ проблемы обеспечения работоспособности коллекторов горизонтальных ПГ

1.1 Динамика возникновения повреждений

Первый комплект парогенераторов ПГВ-1000 для реакторной установки с ВВЭР-1000 был изготовлен по проекту 70-х годов и пущен в эксплуатацию в составе блока №5 НВАЭС в 1980г. По результатам эксплуатации на НВАЭС в конструкцию парогенератора ПГВ-1000 были внесены некоторые изменения, после чего по решению Государственной комиссии модифицированные парогенераторы ПГВ-1000М были запущены в серийное производство. Всего было изготовлено более 200 парогенераторов этой модификации. Парогенераторы ПГВ-1000М на всем протяжении проводимой эксплуатации обеспечивали параметры и характеристики, предусмотренные проектом.

Наиболее крупные повреждения, повлекшие за собой серьезные простои и недовыработку электроэнергии на АЭС были обнаружены в перфорированной зоне "холодных" коллекторов [4]. Первое повреждение коллектора в перфорированной зоне было обнаружено в октябре 1986 г. на ПГ-1 2-го блока Южно-Украинск�