автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.11, диссертация на тему:Исследования собственных динамических характеристик при обосновании устойчивости оборудования АЭС к сейсмическим и другим внешним воздействиям

На правах рукописи УДК 550.34:621.311.25

КАЗНОВСКИЙ АРСЕНИЙ ПАВЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ СОБСТВЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ОБОСНОВАНИИ УСТОЙЧИВОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ АЭС К СЕЙСМИЧЕСКИМ И ДРУГИМ ВНЕШНИМ

ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Специальность: 05.04.11-Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технология материалов атомной промышленности

6 и:сн 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мытищи 2013

005060987

005060987

Работа выполнена в ОАО "Атомтехэнерго", г. Мытищи, Московской обл.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Авдеев Владимир Иванович

Научный консультант: доктор технических наук

Сааков Эдуард Саакович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кравец Сергей Борисович

кандидат технических наук Хайретдинов Валерий Умярович

Ведущая организация: ФБУ «Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности»

Защита диссертации состоится 19.06.2013 г. в ц час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д418.001.01 а ОАО опытном конструкторском бюро "ГИДРОПРЕСС" по адресу: ул. Орджоникидзе, д.21, г. Подольск, Московская обл., 142103.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО ОКБ "ГИДРОПРЕСС".

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 142103, Московская обл., г. Подольск, ул. Орджоникидзе, д. 21, Диссертационный Совет ОАО ОКБ "Гидропресс".

Автореферат разослан" _2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

А.Н. Чуркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Из-за ограниченности технически доступных и экономически оправданных для добычи мировых запасов нефти и газа и возможностей использования возобновляемых и альтернативных источников энергии общие масштабы развития мировой атомной энергетики будут неизбежно расти. Это возможно только при условии обеспечения максимально возможной безопасности, в том числе и при внешних экстремальных воздействиях природного и техногенного происхождения, т.к. крупные аварии на АЭС создают угрозу радиоактивного заражения на больших расстояниях и в течение длительного времени (десятки лет).

По комплексу факторов одними из наиболее опасных внешних воздействий являются землетрясения, что подтверждают примеры тяжелейших последствий на японских АЭС «Касивадзаки-Карива» и «Фукусима-Даичи». Сейсмические колебания имеют стохастический характер с резко выраженной резонансной областью частот, поэтому при анализе устойчивости промышленных объектов к сейсмическим воздействиям важнейшее значение приобретает надежное знание собственных динамических характеристик (форм, частот и декрементов колебаний) всех ответственных элементов этих объектов, включая ответственное за безопасность технологическое оборудование.

Совершенствование программно-технических средств испытаний и обработки экспериментальных данных, а также постоянное расширение базы данных проводимых расчетно-экспериментальных исследований сейсмостойкости на энергоблоках АЭС, требует разработки и усовершенствования методов определения и анализа собственных динамических характеристик, определяющих расчетные нагрузки при сейсмических воздействиях и, как следствие, корректность оценок сейсмостойкости важного для безопасности технологического оборудования АЭС.

Особую важность имеет изучение декрементов колебаний в различных конструкциях, которое связано со сложным механизмом процессов демпфирования, ограниченными фактическими данными и проблемами в области обработки и анализа результатов экспериментальных исследований декрементов колебаний.

Целью диссертационной работы является повышение безопасности АЭС при внешних воздействиях путем разработки и практической реализации усовершенствованных методик и алгоритмов экспериментального определения

з

собственных динамических характеристик, ответственного за безопасность оборудования АЭС в условиях его фактического состояния (раскрепления и внешней обвязки), расширение и анализ банка данных по результатам динамических исследований оборудования, необходимым для корректного задания нагрузок на оборудование при анализе его сейсмостойкости.

Научная новизна:

1. Разработана комплексная методика обработки результатов испытаний по определению динамических характеристик оборудования в натурных условиях монтажа и эксплуатации.

2. Установлены границы применимости метода определения декрементов колебаний по ширине спектральной линии спектров мощности Фурье (спектральный метод) и разработаны новые методы для определения декрементов вне пределов применимости спектрального метода.

3. Выполнен статистический анализ полученного (в т.ч. при непосредственном участии автора) обширного экспериментального материала по фактическим значениям динамических характеристик практически по всем типам и видам тепломеханического и электротехнического оборудования энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

4. Выявлены статистические закономерности, присущие динамическим характеристикам собственных колебаний оборудования в условиях его фактического состояния (в реальных условиях монтажа, раскрепления и внешней обвязки), имеющие практическое значение для определения расчетных нагрузок от сейсмических воздействий на оборудование и оптимизации объемов натурных динамических испытаний.

Степень достоверности результатов исследований подтверждается:

1. Применением современных методов постановки, проведения и обработки результатов исследований с учетом конструкционных и физических особенностей исследуемого оборудования и используемых средств измерений.

2. Применением математических и статистических методов исследований с использованием современной вычислительной техники.

3. Положительными результатами практического использования разработанной комплексной методики обработки экспериментальных данных.

4. Применением наиболее современных прецизионных датчиков и электронной аппаратуры при проведении испытаний.

Практическая значимость результатов работы:

1. Даны конкретные рекомендации по усовершенствованию действующих нормативных документов, регламентирующих экспериментальные, расчетные и расчетно-экспериментальные исследования сейсмостойкости оборудования.

2. Усовершенствована методология проведения и анализа результатов динамических испытаний основного технологического оборудования АЭС при вводе в эксплуатацию новых энергоблоков и модернизации действующих.

3. При непосредственном участии автора разработана и апробирована на пусковых и действующих энергоблоках АЭС, а также на предприятиях разработчиках и изготовителях автономного оборудования комплексная методика обработки результатов испытаний по определению собственных динамических характеристик оборудования в натурных условиях его монтажа, раскрепления, обвязки и эксплуатации.

4. Повышнена достоверность результатов динамических испытаний по определению собственных динамических характеристик за счет выявленния и анализа методических и инструментальных факторов, влияющих на точность экспериментального определения частот и декрементов колебаний оборудования АЭС.

5. Выполнена классификация важного для безопасности оборудования АЭС по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях;

6. Определены и предложены минимальные значения декрементов колебаний для различных типов оборудования по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях в зависимости от направлений воздействий и собственных частот колебаний для принятия в качестве консервативных нормативных значений в случае отсутствия реальных экспериментальных данных на стадии выполнения проектных обоснований сейсмостойкости.

7. Получены эмпирические кривые для определения в случае отсутствия реальных экспериментальных данных декрементов колебаний трубопроводной арматуры без собственных опор и с собственными опорами в зависимости от диаметров условных проходов трубопроводов, направлений динамических воздействий и частот собственных колебаний.

8. Представлены материалы и экспериментальные данные, дополняющие современные представления о динамическом поведении конструкций и оборудования, которые могут быть использованы заводами-изготовителями и проектными организациями при проектировании и изготовлении сейсмостойкого оборудования с высокой динамической прочностью.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования и обобщения методических вопросов, связанных с оценкой сейсмостойкости промышленного оборудования.

2. Результаты разработки алгоритмов и методов обработки результатов испытаний по определению собственных динамических характеристик оборудования.

3. Результаты исследования влияния инструментальных и методических факторов на точность определения собственных динамических характеристик оборудования.

4. Результаты статистических исследований экспериментальных данных о фактических значениях собственных динамических характеристик оборудования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

- Всероссийская научно-техническая конференция «Молодые ученые науке и производству», г. Старый Оскол, СТИ МИСиС, 17-18 апреля 2008 г.;

- Международная научно-практическая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производство и управление», г. Старый Оскол, СТИ МИСиС, 24-25 ноября 2009 г.;

- IV международное совещание по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте, г. Москва, ИМАШ РАН, 2009 г.;

- Семинар «Водородные технологии для внедрения в энергетике и на транспорте» 10-й юбилейной специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», г. Москва, ВВЦ, 2009 г.;

- Семинар «Атомно-водородные технологии для внедрения в энергетике и на транспорте» Научно-практической конференции «От инноваций к технике будущего» 11-й специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», г. Москва, ВВЦ, 23-26 ноября 2010 г.;

б

- Конкурс докладов молодых ученых и специалистов «Проектирование в энергетике XXI века» на Международной конференции проектировщиков АЭС, г. Нижний Новгород, НИАЭП, 28-29 октября 2010 г.;

- 2-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию», г. Москва, 23-24 апреля 2012 г.;

- 8-я международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», г. Москва, 23-25 мая 2012 г.;

- международная конференция по защите от землетрясений и цунами в свете инцидента на АЭС «Фукусима-Даичи». МАГАТЭ, Вена, Австрия, 4-7 сентября 2012 г.

Личный вклад автора в полученные результаты.

При непосредственном участии автора, в том числе под его непосредственным руководством в период с 2005 года и по настоящее время выполнен основной объем работ, связанных с проведением динамических испытаний и обработкой полученных экспериментальных данных основного технологического оборудования на энергоблоках №№2,3,4 Ленинградской АЭС, №2 Ростовской АЭС и №4 Калининской АЭС;

Автором лично выполнены статистические исследования полученных в ходе обследований на сейсмостойкость экспериментальных данных о собственных динамических характеристиках оборудования на энергоблоках №№1, 2, 3, 4 Ленинградской АЭС, №№1,2 Ростовской АЭС, №2 Калининской АЭС;

Автором внесен определяющий личный вклад в разработку и внедрение комплексной методики обработки экспериментальных данных с использованием новых математических методов, выполнен комплекс экспериментальных исследований, позволяющих с высокой достоверностью определять собственные динамические характеристики оборудования;

При непосредственном участии автора, в том числе под его непосредственным руководством в период с 2008 года и по настоящее время организована и проведена аттестация на сейсмостойкость ряда видов автономного технологического оборудования на многочисленных предприятиях -разработчиках и изготовителях этого оборудования в России и за рубежом.

Публикации. По материалам диссертации автором опубликованы 13 печатных работ, из них 6 в ведущих рецензируемых изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 136 страницах, содержит 41 рисунок, 13 таблиц и список использованной литературы, включающий 123 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы. Здесь же изложена научная новизна и практическая значимость работы, определены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрена проблема проверки и обеспечения сейсмостойкости оборудования АЭС и пути её решения.

Выполнен анализ общих требований по обеспечению безопасности использования атомной энергии. Показано, что особое место в решении проблемы сейсмической безопасности АЭС занимает обеспечение сейсмостойкости основного и вспомогательного оборудования, ответственного за надежность и безопасную эксплуатацию АЭС. Обзор сейсмических событий, затронувших площадки АЭС, особенно последних событий на японских АЭС, показал, что недоработки при анализе сейсмостойкости важных для безопасности технологических систем и оборудования абсолютно недопустимы.

Выполнен обзор и анализ работ, посвященных нормативным требованиям и развитию методов и видов исследований сейсмостойкости оборудования АЭС. Предложена структурная схема нормативной документации (НД), регулирующей обеспечение сейсмостойкости оборудования и систем АЭС (рис. 1), соответствующая принятой структуре системы нормативной документации по вводу в эксплуатацию. Схема учитывает многоуровневый анализ сейсмостойкости оборудования АЭС, охватывающий стадии его проектирования, изготовления и ввода в эксплуатацию. Отмечается, что по ряду вопросов как отечественные документы, так и документы МАГАТЭ содержат неточности и отдельные несоответствия, особенно в выборе значений декрементов колебаний при задании на оборудование нагрузок от сейсмических воздействий.

Действующими нормативными документами подтверждается важность знаний реальных собственных динамических характеристик оборудования при оценках его сейсмостойкости. Однако достаточно определенно установлены только общие проектные требования к сейсмостойкости систем и элементов АЭС. Сделан вывод о

необходимости дополнения структуры НД на 1-м методическом подуровне новым

отраслевым документом, содержащим методические требования в части

подтверждения собственных динамических характеристик систем и оборудования в

условиях фактического состояния на АЭС.

Концептуальный уровень

Рис. 1. Структурная схема НД по обеспечению сейсмостойкости оборудования АС

Обзор и анализ работ, посвященных нормативным требованиям и развитию методов и видов исследований сейсмостойкости оборудования АЭС показал, что важнейшими данными, во многом определяющими сейсмостойкость оборудования, являются его собственные динамические характеристики, достоверно определить которые можно только экспериментальным путем в реальных условиях монтажа, раскрепления и трубопроводной обвязки оборудования непосредственно на энергоблоках АЭС, т.к. чисто расчетные или чисто лабораторные экспериментальные методы не обеспечивают достаточной точности при определении сейсмостойкости оборудования и имеют ограничения, связанные с трудностями задания граничных условий. Сделан вывод о необходимости расчетно-экспериментальных проверок сейсмостойкости на базе динамических испытаний важного для безопасности оборудования непосредственно на пусковых и действующих энергоблоках АЭС.

В связи с изложенным, в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработка комплексной методики обработки экспериментальных данных, позволяющей с высокой достоверностью определять собственные динамические характеристики оборудования АЭС с учетом модернизации программно-технических средств, использования современных методов математической обработки результатов испытаний и накопленного практического опыта.

2. Выявление и анализ факторов, влияющих на точность экспериментального определения частот и декрементов колебаний оборудования АЭС.

3. Расширение базы, систематизация и обобщение полученных фактических данных по собственным динамическим характеристикам оборудования как в реальных условиях монтажа, раскрепления и внешней обвязки на энергоблоках АЭС, так и в заводских условиях для механически автономного оборудования.

4. Выполнение статистического анализа базы данных результатов динамических испытаний оборудования АЭС в реальных условиях монтажа, раскрепления и трубопроводной обвязки, включая дифференцированную статистику для различных типов оборудования и в зависимости от характера его динамического поведения при сейсмических воздействиях.

Во второй главе представлены результаты разработки методик экспериментальных исследований собственных динамических характеристик оборудования АЭС в реальных условиях монтажа, раскрепления и внешней обвязки.

Предлагается методология определения реальных собственных динамических характеристик оборудования, включающая следующие основные этапы: проведение динамических испытаний (установка датчиков, регистрирующих колебания оборудования; возбуждение колебаний в оборудовании; запись акселерограмм затухающих колебаний); анализ и обработка записанных акселерограмм затухающих колебаний (определение собственных частот колебаний по спектрам мощности Фурье; определение декрементов колебаний).

Проанализированы достоинства и недостатки основных способов и средств возбуждения колебаний в конструкциях и оборудовании (таблица 1). В ходе исследований автором использовался способ воздействия силовым импульсом.

Представлены результаты модернизации программно-технических средств регистрации экспериментальных данных, существенно повышена мобильность и увеличено время автономной работы испытательной лаборатории.

ю

Таблица 1. Способы возбуждения колебаний в конструкциях и оборудовании

Способ возбуждения Достоинства Недостатки

1. С использованием вибраторов -100% точность определения резонансных частот; - возможность испытаний жесткого крупногабаритного оборудования - необходимость использования дорогостоящих и массивных возбудителей колебаний; - длительное время на подготовку и проведение испытаний

2. С использованием силового импульса 2.1. Удар - простота и удобство в использовании; - возможность доступа практически к любой точке испытуемого оборудования; - возбуждение всего спектра частот и форм колебаний в оборудовании; - минимальное время на подготовку к испытаниям; - возможность испытывать малогабаритное оборудование - плохо применим для испытаний крупногабаритного и тяжелого оборудования (слабо возбуждаются либо вообще не возбуждаются низшие формы и частоты колебаний); - возбуждаются «шумовые» высокочастотные колебания оборудования,связанные непосредственно с ударом и влияющие на качество записей акселерограмм, вследствие чего усложняется поиск резонансных частот колебаний

2.2. Оттяжка - возможность испытаний податливого крупногабаритного и тяжелого оборудования; - практически не возбуждаются «шумовые» высокочастотные колебания в оборудовании - необходимо время (длительное по сравнению со способом удара) на подготовку к испытаниям; - не всегда существует техническая возможность испытать оборудование в трёх ортогональных направлениях

Отмечается важность правильного выбора точек установки датчиков для

регистрации колебаний в зависимости от типа исследуемого оборудования и предлагаются рекомендации по выбору этих точек.

Разработана комплексная методика математической обработки результатов динамических испытаний по определению собственных динамических характеристик оборудования. Для математической обработки экспериментально полученных акселерограмм затухающих колебаний использовалась специальная программа «\/ЗТйесгетеп1з 07». Представлены процедуры предварительной обработки акселерограмм затухающих колебаний (рисунок 2). Показано, что обработка в большей степени влияет на точность определения декрементов колебаний.

Рис. 2. Пример обработки акселерограммы затухающих колебаний и определения

резонансных частот

Определение резонансных частот колебаний осуществлялось с помощью расчета Фурье спектров мощности по записям акселерограмм.

Для акселерограммы проводят преобразование Фурье и находят ее

трансформанту: = J-Y0(/)exp(-;Vy/)<//. Далее, умножая трансформанту на

передаточную функцию системы г(т), находят отклик системы в частотной области: г'(ю) = Ха(со)Т(е>). По резонансным пикам спектров Фурье определяются резонансные частоты.

Рассмотрены возможности скользящего окна в программе «VSTDecrements 07» и предложена процедура для выявления основных резонансов в оборудовании для случаев сильно зашумленных акселерограмм (рисунок 3).

резонанса 14 и 44 Гц)

Рис. 3. Пример определения резонансных частот на выбранном участке акселерограммы

Отмечается, что самым ответственным этапом обработки экспериментальных данных является определение декрементов колебаний.

Наиболее распространенным методом определения декрементов является спектральный метод (СМОД) в основе которого лежит формула, связывающая относительный декремент ¿>х с отношением ширины пика квадрата модуля

спектра |/г(у)|! на половине высоты ■ или ширины пика модуля спектра на

, к удвоенной резонансной частоте уП11Х(рисунок 4) 8 =и72У...

(1)

Рис. 4. Определение декремента колебаний по ширине спектральной линии В результате проведенных исследований выявлены некоторые ограничения СМОД. Корректность определения декрементов проверялась на модельных рядах в виде сумм гармоник с заданными параметрами (частотой колебаний у0, начальной

амплитудой и относительному декременту колебаний б' ):

- декремент А, затухающих колебаний некоторой к-й гармоники с резонансной частотой г*

= (2) определяется как логарифм отношения последовательных значений амплитуд и связан с параметрами модели (2) соотношением

А, = 1п

Д'

1

3. = — Л.

* 2 к

(3)

= _1_

где - безразмерный декремент, значения которого используются в рассмотренной

нормативной литературе. Тогда модель (2) можно переписать в виде

А"(О = 4 схр(-.\гь1)^ 2т%г) = А' ехр(-<5Х/)8ю(<4,0 (4)

Правильность генерации рядов по заданному декременту проверялась с

помощью функции Iпрямым вычислением среднего логарифма отношения двух последовательных амплитуд затухающих колебаний:

—-У1п4- (5)

2к 2ж ы А',

где Л/ - число последовательных максимумов.

13

В результате установлено, что формула (1) дает хорошее приближение для рядов длиной более 10 секунд при относительных декрементах более 0,01, вычисленных для собственных частот более 10 Гц, с точностью около 0,002. Значения декрементов колебаний на малых частотах 1-10 Гц оказываются сильно завышенными (рисунок 5).

Рис. 5. Зависимости истинного от вычисленного относительного декремента модельных рядов для собственных частот, равных 1, 2, 3, 5, 10 Гц (цифры около кривых) и 15, 20, 25, 30, 35 Гц (соответствующие кривые лежат на диагонали) и длин рядов 3,3 (а), 6,7 (б), 10 (в) и 22,2 (г) при шаге дискретизации 0,001 с

Для вычисления декрементов на малых частотах предлагается метод сглаживания (МС). Предлагается определять декременты низких частот на основе их буквального определения (3) по формуле (5) применительно к сглаженным акселерограммам (рисунок 6). Амплитуды измеряются относительно среднего значения всего ряда. Сглаживание проводится до выявления основной гармоники с наименьшей частотой на основе релаксационной процедуры, использующей «релаксационную» схему, построенную по аналогии с решением уравнения диффузии, представленного в виде разностного уравнения.

Рис. 6. Исходная (а) и сглаженная (б) акселерограммы и их спектры

Исследования модельных рядов показали, что МС обеспечивает определение декрементов колебаний на малых частотах, значения которых находятся вне пределов применимости СМОД, но хорошо работает, только при возможности выделения одной основной частоты. При наличии двух близких частот метод оказывается неприемлем.

Для определения эффективных декрементов, не охваченных СМОД и МС, предложено использовать метод огибающих (МО), применительно к экспериментальным акселерограммам затухающих колебаний.

Идея метода заключается в численном определении среднего наклона Э зависимости логарифмов амплитуд от времени методом наименьших квадратов. Поделив наклон на эффективную частоту, получим эффективное значение декремента

В случае наличия одной гармоники такой метод даст точное значение декремента, поскольку согласно уравнению (4)

КЛ'ехр(-^4г)) = -5'/.+ 1п(Ч<)- 5 = (7)

В случае 2-3 близких низкочастотных гармоник процедура даст величину эффективного наклона. Значение эффективной частоты предлагается вычислять как средневзвешенное значение по низким частотам с весами, равными высотам

соответствующих пиков. Для определения декрементов необходимо построить несколько последовательных огибающих до получения монотонно спадающей кривой, наклон которой в полулогарифмических координатах, деленный на эффективную частоту даст правильное значение декремента. На рисунке 7 показан пример работы метода. В данном случае ни СМОД, ни МС не применимы. Две близкие частоты составили 4,5 и 6,3 Гц. Декременты по СМОД составили 0,03 и 0,037. Эффективный декремент для эффективной частоты 5,8 Гц составил 0,018.

Рис. 7. Пример обработки акселерограммы колебаний арматуры 4Т012315: а) акселерограмма, б) ее спектр мощности, в)-г) первая и третья огибающие с их полулогарифмическими аппроксимациями, показанными в линейных координатах

«время-амплитуда»

Предложенная методология определения реальных собственных динамических характеристик оборудования отработана автором на энергоблоках №№ 3,4 ЛАЭС, №2 РстАЭС и №4 КлнАЭС. На основе методологии разработаны приложения для нового отраслевого нормативного документа «МТ.1.2.2.04.0069-2012. Методика подтверждения динамических характеристик систем и элементов энергоблоков АЭС, важных для безопасности», который своевременно дополнил структуру действующей нормативной базы на 1-м методическом уровне и устранил ряд неточностей, связанных с нормативным обеспечением сейсмостойкости систем и элементов АЭС в части методических требований.

В третьей главе представлены результаты анализа выполненных натурных и лабораторных исследований динамических характеристик оборудования.

С целью проведения анализа накопленных данных по результатам динамических испытаний всё испытанное оборудование (1684 единицы) предлагается классифицировать в 12 групп в соответствии с характером его динамического поведения при сейсмических воздействиях (таблица 2).

Таблица 2. Классификация обследованного оборудования

Группа Типы оборудования

А Оборудование, установленное на металлических рамных конструкциях

В Прямолинейные участки трубопроводов с сосредоточенной массой: обратные клапаны и др.

С Вентиляционные агрегаты и другое оборудование, установленное на пружинных виброизоляторах

О Вентиляционное оборудование, установленное на каучуковых (резиновых) виброизоляторах, либо без виброизоляторов

Е Вертикально расположенные сосуды, закрепленные на балках перекрытий или подвесах: фильтр-ловушки, теплообменники

Р Горизонтально расположенные сосуды с собственными опорными конструкциями, установленные на фундаментах или бетонном основании: теплообменники, баки

С Вертикально расположенные сосуды с собственными опорными конструкциями, установленные на бетонном основании: теплообменники с юбочными и др. опорами

Н Оборудование, имеющее толщину стенок корпуса >50 мм и закрепленное на бетонном основании: насосы, пластинчатые теплообменники. Жестко закрепленное («замурованное») оборудование: теплообменники и гермоклапаны систем вентиляции, клапаны противопожарные

1 Горизонтально расположенные сосуды, установленные на балках перекрытий

и Электротехнические устройства, размещенные в шкафах, закрепленных к основанию (закладным) в нескольких (4 и более) точках

к Трубопроводная арматура с вынесенным приводом (вентили, задвижки, Ду 10-800) без собственных опор (отсутствуют опоры под арматурой либо вблизи арматуры)

ь Трубопроводная арматура с вынесенным приводом Ду 10-800 с собственными опорами (непосредственно под арматурой или вблизи арматуры)

Подчеркивается важность и исследуется характер влияния на точность экспериментального определения динамических характеристик оборудования основных инструментальных факторов: неравномерности АЧХ канала записи акселерограмм и малости воздействий при возбуждении колебаний малых амплитуд. Показано, что равномерность АЧХ акселерометров является критическим фактором для корректного определения резонансных частот оборудования.

По результатам специально проведенного модельного эксперимента показано, что при переходе от малых возмущений колебаний к большим, декременты увеличиваются в рассмотренном случае не более чем в 1,5 раза. Предлагается назвать этот фактор фактором «малости возмущений» и учитывать его в виде коэффициента-множителя, равного 1,5 (рисунок 8).

£

Рис. 8. Зависимость декрементов колебаний (6 Гц) модели от относительного импульса, вычисленных по МС (квадраты) и МО (треугольники)

8 2 4 8 »«

Отн.ИшзулЫ*

Приведенные результаты выполненного статистического анализа полученного банка данных результатов динамических испытаний на основе усовершенствованных и новых средств и методов экспериментальных исследований позволяют сделать вывод, что 30% оборудования, имеющего низшую частоту <33 Гц в сочетании с декрементом колебаний <0,02, при проектировании рассчитывается на заниженные нагрузки от сейсмических воздействий (рисунок 9, таблица 3).

По результатам дифференцированной статистики (таблица 3) показано, что для каждой из рассматриваемых групп от 10 до 40% единиц оборудования имеют низшую частоту колебаний <33 Гц в сочетании с декрементом <0,02. В связи с этим делается вывод о необходимости корректировки действующих нормативных требований по выбору значений декрементов колебаний при задании нагрузок на оборудование от сейсмических воздействий при проведении проектных расчетов. Отмечается, что в настоящее время регламентированное нормами минимальное и наиболее консервативное значение декремента колебаний является фиксированным и составляет 0,02.

I.....I

й' .1

а. Распределение значений собственных б. Распределение значений декрементов частот по всем направлениям в диапазоне колебаний по всем направлениям для 0-100 Гц частот <33 Гц

Рис. 9.Результаты общей статистики частот и декрементов колебаний

Таблица 3. Результаты дифференцированной по группам оборудования статистики по данным динамических испытаний

Группа Направление Низкочастотная Область Высокочастотная Область (Р<33 Гц) (Р>33 Гц) Всего единиц вгруппе, шт.

Количество единиц оборудования, % от группы

б<0,02 0,02<5<0,05 5>0,05 б<0,02 0,02<б<0,05 6>0,05

А X 35,1% 24,3% 13,5% 21,6% 5,4% - 37

У 44,7% 28,9% - 18,4% 7,9% - 38

г 24,3% 27,0% 10,8% 37,8% - - 37

В X 36,9% 25,2% 2,9% 28,2% 6,8% - 103

У 37,4% 27,1% 2,8% 23,4% 8,4% 0,9% 107

г 40,2% 15,9% 1,9% 26,2% 14,0% 1,9% 107

С X 7,5% 52,7% 39,8% - - - 93

У 10,2% 44,9% 44,9% - - - 98

г 4,0% 60,6% 35,4% - - - 99

О X 14,7% 39,4% 24,8% 15,6% 5,5% - 109

У 19,4% 29,6% 30,6% 14,8% 4,6% 0,9% 108

г 10,2% 21,4% 28,6% 25,5% 10,2% 4,1% 98

Е X 15,0% 50,0% 22,5% 7,5% 5,0% 0,0% 40

У 19,4% 61,1% 13,9% 2,8% - 2,8% 36

г 17,2% 58,6% 20,7% - 3,4% _ 29

Р X 34,6% 44,2% 15,4% 3,8% 1,9% - 52

У 22,0% 44,0% 12,0% 16,0% 6,0% - 50

г 20,8% 22,9% 10,4% 37,5% 8,3% 4,2% 48

в X 26,5% 38,2% 14,0% 14,0% 6,6% 0,7% 136

У 25,7% 43,4% 13,2% 13,2% 2,9% 1,5% 136

г 11,7% 31,5% 13,5% 26,1% 13,5% 3,6% 111

Н X 12,0% 11,4% 8,2% 44,9% 19,6% 3,8% 158

У 15,7% 13,9% 9,0% 41,0% 18,1% 2,4% 166

г 10,9% 13,1% 5,8% 43,8% 19,0% 7,3% 137

1 X 18,8% 62,5% 12,5% 6,3% - - 16

У 47,4% 36,8% 10,5% 5,3% - _ 19

г 16,7% 61,1% 11,1% 11,1% - - 18

X 12,7% 43,4% 36,4% 2,9% 4,0% 0,6% 173

У 15,7% 40,9% 39,6% 2,5% 1,3% - 159

г 18,0% 36,9% 15,3% 18,0% 10,8% 0,9% 111

К X 43,5% 29,7% 3,2% 20,9% 2,4% 0,2% 464

У 52,3% 30,1% 3,0% 12,0% 2,4% 0,2% 465

г 47,1% 27,9% 5,9% 15,1% 3,5% 0,4% 456

X 40,0% 31,5% 8,1% 13,9% 6,4% - 295

У 48,3% 34,8% 7,0% 7,6% 2,0% 0,3% 302

г 35,9% 32,1% 5,5% 20,3% 6,2% _ 290

Всего: X 29,7% 33,2% 13,4% 17,5% 5,7% 0,5% 1676

У 35,0% 33,2% 13,3% 15,6% 4,3% 0,4% 1684

г 29,2% 29,9% 10,6% 21,0% 7,6% 1,2% 1541

Так как нагрузки от сейсмических воздействий обусловлены сочетанием динамических характеристик (частот, форм и декрементов колебаний), предложено в случае отсутствия реальных экспериментальных данных в качестве консервативных нормативных значений принимать приведенные в таблице 4 полученные минимальные значения декрементов, соответствующие различным направлениям воздействий и частотным диапазонам, а также различным группам оборудования.

Таблица 4. Минимальные значения декрементов колебаний

(0 с с >» Ф 2ь X О с со Нижняя граница декремента колебаний без поправок Нижняя граница декремента колебаний с коэфф. 1.5 п к1- <*> О

о. о. с л X f<10 10Ж20 20Ж30 f<10 10>fS20 20>f<30 S ь I s т

X 0,062 0,010 0,012 0,093 0,015 0,018 6,3

Y 0,030 0,009 0,008 0,045 0,014 0,012 8,8

А Z 0,039 0,012 0,007 0,059 0,018 0,011 6,0

X 0,012 0,008 0,007 0,018 0,012 0,011 5,3

Y 0,011 0,007 0,005 0,017 0,011 0,008 4,0

В Z 0,010 0,008 0,005 0,015 0,012 0,008 4,0

X 0,012 0,011 нет данных 0,018 0,017 нет данных 1,5

Y 0,012 0,017 0,011 0,018 0,026 0,017 0,9

С Z 0,013 0,013 0,009 0,020 0,020 0,014 2,7

X 0,014 0,008 0,011 0,021 0,012 0,017 2,3

Y 0,025 0,009 0,009 0,038 0,014 0,014 2,0

D Z 0,016 0,016 0,019 0,024 0,024 0,029 3,0

X 0,014 0,017 0,013 0,021 0,026 0,020 4,5

Y 0,014 0,013 0,016 0,021 0,020 0,024 4,0

Е Z 0,018 0,012 0,021 0,027 0,018 0,032 3,0

X 0,014 0,012 0,010 0,021 0,018 0,015 4,2

Y 0,020 0,010 0,009 0,030 0,015 0,014 3,3

F Z 0,029 0,016 0,011 0,044 0,024 0,017 4,8

X 0,012 0,007 0,014 0,018 0,011 0,021 4,8

Y 0,011 0,005 0,011 0,017 0,008 0,017 4,8

G Z 0,024 0,010 0,007 0,036 0,015 0,011 5,4

X нет данных 0,019 0,008 нет данных 0,029 0,012 10,5

Y 0,080 0,010 0,010 0,120 0,015 0,015 2,9

Н Z 0,050 0,013 0,007 0,075 0,020 0,011 8,7

X 0,015 0,011 нет данных 0,023 0,017 нет данных 6,5

Y 0,027 0,012 0,012 0,041 0,018 0,018 3,8

1 Z 0,029 0,018 0,014 0,044 0,027 0,021 8,7

X 0,010 0,012 0,010 0,015 0,018 0,015 3,0

Y 0,014 0,008 0,019 0,021 0,012 0,029 2,7

J Z 0,016 0,014 0,010 0,024 0,021 0,015 4,0

Делается вывод, что использование полученных минимальных значений

декрементов позволит задавать консервативные, но экспериментально

20

обоснованные нагрузки на различное оборудование от сейсмических воздействий в случае отсутствия реальных экспериментальных данных на стадии выполнения проектных обоснований сейсмостойкости.

В четвертой главе представлены результаты исследований собственных динамических характеристик трубопроводной арматуры с учетом влияния присоединенных трубопроводов в реальных условиях раскрепления на АЭС.

Отмечается, что запорно-регулирующая арматура, как единица оборудования, входит в состав всех технологических систем атомных станций с энергоблоками любых типов и занимает первое место по влиянию на надежность и безопасность АЭС в целом по данным международной группы экспертов по повышению технического уровня и совершенствованию арматуры АЭС.

Обращается внимание на то, что по результатам дифференцированного статистического анализа около 50% всей обследованной арматуры, представляющей самые многочисленные по количеству единиц группы, имеет резонансные частоты <33 Гц в сочетании с декрементами колебаний <0,02.

Приводятся результаты исследования влияния на значения собственных динамических характеристик трубопроводной арматуры основных параметров, условно характеризующих ее жесткость: наличия или отсутствия опорной конструкции непосредственно под арматурой; диаметра условного прохода стыкуемого трубопровода; направлений динамических воздействий.

По результатам статистического анализа данных динамических исследований трубопроводной арматуры с учетом влияния опор и диаметров стыкуемой трубы сделаны следующие основные выводы:

- диаметр условного прохода трубопроводов оказывает заметное влияние на распределения по частотам;

- влияние диаметра условного прохода на характер распределения декрементов колебаний значительно слабее, чем по частотам;

- наиболее распространенная частота колебаний для всех направлений составляет около 10-12 Гц (от 25% до 35%), самый распространенный декремент - в районе 0,02 (от 35% до 40%);

- полученные распределения не подтверждают рекомендаций действующих нормативных документов по выбору значений декрементов колебаний в случае

отсутствия прямых экспериментальных данных.

21

Приведены распределения полученных экспериментальных значений частот и декрементов колебаний трубопроводной арматуры без собственных опор и с собственными опорами и различными условными проходами для трех направлений динамических воздействий (вдоль стыкуемого трубопровода, поперек трубопровода и вдоль штока арматуры). Примеры распределений показаны на рисунках 10 и 11.

-Полиюмвлная (ДУ85-125) -Пол«ж«алывя ЩУ15МОО) ----Пошномаамв СДУ1М00 6*га*ы)

Рис. 10. Распределение значений частот (а) и декрементов (б) колебаний трубопроводной арматуры без собственных опор с различными условными проходами вдоль оси трубопровода (ОХ)

а)

б)

-шнаптдоп-И) -пмяшшижигаыо) -пшнямывдомю«») ----птаммадрюякиф«)

Рис. 11. Распределение значений частот (а) и декрементов (б) колебаний трубопроводной арматуры с собственными опорами и различными условными проходами поперек оси трубопровода (ОУ)

Приводятся результаты обобщенного анализа влияния параметров жесткости арматуры на значения декрементов колебаний, а именно: тенденций изменения средних значений декрементов в зависимости от диаметров условных проходов трубопроводов, направлений динамических воздействий и наличия или отсутствия опоры непосредственно под арматурой (рисунок 12) и результаты анализа

полученных минимальных значений декрементов колебаний (рисунок 13).

22

50-86 80-125 150-260 Диметр стыкуемой трубы, мм

а)

20-32 50-65 100-250

Диаметр стыкуемой трубы, мм

6)

-Линейная (0-10 Гц) -Линейная (Ю-ЙО Гц) -Линейная (20-30 Гц)

Рис. 12. Пример зависимости декрементов колебаний трубопроводной арматуры без собственных опор (а) и с собственными операми (б) от диаметров стыкуемой трубы для направления вдоль штока арматуры (ОТ)

Построенные по результатам многочисленных испытаний эмпирические диаграммы (рисунок 13) связывают минимальные значения декрементов колебаний с набором параметров трубопроводной арматуры (диаметр стыкуемой трубы, наличие опор, направление и собственная частота колебаний) и свидетельствуют о необходимости уточнения действующих нормативных требований.

80-125 1б< Диаметр стыкуемой трубы, л

-Полиномиальная (О-10 Гц)

----Полиномиальная (010 ГцТс)

— Полиномиальная {10-20 Гц) -- Полиномиальная (10-20 ГцК)

20-32 50-65 100-250 300-500 Диаметр стыкуемой трубы, мм

-Полиномиальная (2030 Гц)

- - - - Полиномиальная (20-30 Гц'к)

Рис. 13. Пример зависимостей минимальных полученных экспериментальных значений декрементов колебаний от параметров арматуры (частот колебаний и диаметров стыкуемого трубопровода) для направления поперек трубопровода (ОУ):а)арматура без собственных опор, б)арматура с собственными опорами

Минимальные значения декрементов колебаний приводятся с учетом фактора «малости возмущений» в виде коэффициента-множителя к=1,5 (пунктирные линии) и без учета фактора (сплошные линии).

Предлагается в случае отсутствия реальных экспериментальных данных при расчетном обосновании сейсмостойкости учитывать несколько декрементов колебаний, соответствующих различным направлениям воздействий, в соответствии с полученными диаграммами. Отмечается необходимость учета диаметра условного прохода стыкуемого трубопровода и принятия во внимание значений собственных частот колебаний. Делается вывод, что это позволит задавать консервативные и максимально возможные, но экспериментально обоснованные нагрузки на арматуру от сейсмических воздействий при проектном обосновании сейсмостойкости.

Заключение

1. Рассмотрены методические вопросы и предложена структура нормативной документации, регламентирующей обоснование сейсмостойкости оборудования АЭС.

2. Разработана комплексная методика обработки экспериментальных данных, позволившая с высокой достоверностью определять собственные динамические характеристики оборудования АЭС.

3. Определены возможности и ограничения спектрального метода определения декрементов колебаний. Показано, что значения декрементов колебаний на малых частотах 1-10 Гц, определенные по СМОД, оказываются сильно завышенными.

4. Для вычисления декрементов на малых частотах предложено использование метода сглаживания, основанного на прямом вычислении декремента по сглаженной акселерограмме, и метода огибающих, основанного на численном определении среднего наклона Э зависимости логарифмов амплитуд от времени.

5. Разработан новый отраслевой методический документ, в который вошли предложенные автором рекомендации по процедуре проведения испытаний и предложенные методы обработки экспериментальных данных.

6. Существенно дополнен и проанализирован банк данных по результатам динамических испытаний по всей номенклатуре тепломеханического оборудования на энергоблоках с реакторами ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

7. Исследован характер влияния на точность экспериментального определения динамических характеристик оборудования основных инструментальных факторов: неравномерности АЧХ канала записи акселерограмм и малости воздействий при возбуждении колебаний малых амплитуд.

8. На основе выполненного статистического анализа частот и декрементов колебаний для различных типов оборудования АЭС выявлено, что около 65% всего оборудования имеют низшую собственную частоту <33 Гц и декремент колебаний в диапазоне 0,01-0,05, причем для каждой из рассматриваемых групп от 10 до 40% единиц имеют декременты менее величины 0,02, установленной ПНАЭ Г-7-002-86. В связи с этим выявлена необходимость корректировки нормативных требований по выбору значений декрементов колебаний при задании нагрузок на оборудование от сейсмических воздействий при проведении проектных расчетов.

9. Определены и предложены для принятия в качестве консервативных нормативных значений в случае отсутствия реальных экспериментальных данных минимальные значения декрементов колебаний для всех рассмотренных типов оборудования в зависимости от направлений динамических воздействий и собственных частот колебаний.

10. На основе выполненного статистического анализа экспериментально полученных собственных частот и декрементов колебаний 766 единиц трубопроводной арматуры с вынесенным приводом в различных условиях закрепления показано, что при расчетном обосновании сейсмостойкости арматуры необходимо учитывать несколько декрементов, соответствующих различным направлениям воздействий, диаметру условного прохода стыкуемого трубопровода и значениям собственных частот.

11. По результатам анализа полученных экспериментальных данных предложены графические зависимости для определения консервативных значений декрементов колебаний трубопроводной арматуры в зависимости от набора параметров, условно характеризующих её жесткость (диаметр стыкуемой трубы, наличие опор, направление воздействия и собственные частоты колебаний), что заметно повысит надежность предварительных оценок сейсмостойкости арматуры на стадиях её разработки и проектирования.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1.Казновский А.П., Казновский П.С., Рясный С.И., Сааков Э.С. Нормативное регулирование в области обеспечения сейсмостойкости важных для безопасности систем и элементов энергоблоков АЭС. «Электрические станции». 2012, №9, с. 17-22.

2. Казновский А.П., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Рясный С.И. Обоснование сейсмостойкости технологического оборудования энергоблока №4 Калининской АЭС методом динамических испытаний // 2-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию». 23-24 апреля 2012 г. Тезисы докладов. М.: Атомтехэнерго, 2012. С. 74-76.

3. Емельянова А.Д., Казновский А.П., Казновский П.С., Касьянов К.Г., Щугорев A.B. Результаты проверки сейсмостойкости технологического оборудования энергоблока №4 Калининской АЭС на этапе ввода в эксплуатацию II 8-я международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики». 23-25 мая 2012 г. Тезисы докладов. М.: Концерн Росэнергоатом, 2012. С. 285-286.

4. Авдеев В.И., Казновский А.П. Коэффициенты затухания вынужденных колебаний и их влияние на устойчивость конструкций к внешним динамическим воздействиям // Всероссийская научно-практическая конференция «Молодые ученые - науке и производству» 17-18 апреля 2008 г. Сб. докладов, Т.1, Старый Оскол. СТИ НИТУ МИСиС, 2008. С. 179-183.

5. Авдеев В.И., Казновский А.П. Качественное определение реальных собственных динамических характеристик (частот и декрементов колебаний) оборудования // Международная научно-практическая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производство и управление» 24-25 ноября 2009 г. Сб. докладов, Т.2, Старый Оскол. СТИ НИТУ МИСиС, 2009. С. 208-213.

6. Встовский Г.В., Казновский П.С., Казновский А.П. Спектральный метод определения декрементов механических колебаний по результатам динамических испытаний. «Заводская лаборатория». 2008, 74, №6. С. 55-62.

7. Встовский Г.В., Казновский А.П., Казновский П.С. Влияние декрементов на сейсмическую устойчивость оборудования АЭС и методы их определения. «Тяжелое машиностроение». 2009, №1. С. 5-8.

8. Встовский Г.В., Казновский П.С., Казновский А.П. Функциональные аспекты оценки сейсмостойкости по данным динамических испытаний. «Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций». 2008, №6. С. 13-23.

9. МТ 1.2.2.04.0069-2012. Методика подтверждения динамических характеристик систем и элементов энергоблоков АЭС важных для безопасности II М.: ОАО «Концерн Росэнергоатом». 2012, - 50 с.

10. Metodology of Dynamic Parametrs Confirmation Determining Seismic Stability of NPP's Elements. Eduard Saakov, Sergej Ryasnyi, Arseniy Kaznovsky, Pavel Kaznovsky, Konstantin Kasyanov. IEM on Protection against Extreme Earthquakes and Tsunamis in the Light of the Accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant, 104-105. IAEA, Vienna, Austria, September 4-7,2012.

11. Казновский П.С., Казновский А.П., Сааков Э.С., Рясный С.И. Подтверждение сейсмостойкости оборудования АЭС после монтажа.«Электрические станции». 2012, № 12, с. 2-6.

12. Встовский Г.В., Казновский П.С., Казновский А.П. Фактическая статистика декрементов колебаний оборудования АЭС.«Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций». 2009, №2- С. 41-50

13. Казновский А.П. Статистический анализ декрементов колебаний оборудования АЭС II В Сб. докладов VI международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М.: ИМАШ РАН. 2009. С. 207-215.

Бумага «БуеЮсору»- Формат 60x90 1/16. Тираж 100 экз. Подписано в печать15.04.2013 г. Отпечатано в типографии ООО КМП «Фирма ЭРА» 105484, г. Москва, Сиреневый б-р, д.72 Тел.: 8(499)464-1774,8(903)194-3190

Открытое акционерное общество "Атомтехэнерго"

УДК 550.34:621.311.25 На правах рукописи

04201362859

Казновский Арсений Павлович

ИССЛЕДОВАНИЯ СОБСТВЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ОБОСНОВАНИИ УСТОЙЧИВОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ АЭС К СЕЙСМИЧЕСКИМ И ДРУГИМ ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

05.04.11. - Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технология материалов атомной промышленности

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук В.И. Авдеев

Научный консультант доктор технических наук Э.С. Сааков

Мытищи 2013г.

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень принятых сокращений и условных обозначений 5

Введение 7

Глава 1. Проблема проверки и обеспечения сейсмостойкости 16 оборудования АЭС и пути её решения. Аналитический обзор и постановка задач

1.1. Безопасность использования атомной энергии 16

1.2. Внешние воздействия на объекты использования атомной энергии 18

1.3. Обзор сейсмических событий, затронувших площадки действующих 21 и строящихся АЭС

1.4. Нормативные требования к обоснованию сейсмостойкости и 25 устойчивости к другим внешним воздействиям оборудования АЭС

1.5. Обзор и анализ основных методов подтверждения сейсмостойкости 33 оборудования АЭС

1.6. Выводы и задачи диссертационного исследования 47 Глава 2. Методы и средства экспериментальных исследований 50

собственных динамических характеристик оборудования АЭС в реальных условиях монтажа, раскрепления и внешней обвязки

2.1. Способы и средства возбуждения колебаний в конструкциях и 51 оборудовании

2.2. Средства измерений и регистрирующая аппаратура 56

2.3. Методы обработки и анализа экспериментальных данных 60 Выводы по главе 2 79

Глава 3. Анализ выполненных натурных и лабораторных исследований 81 динамических характеристик оборудования

3.1. Состав и классификация обследованного оборудования на пусковых 79 и действующих энергоблоках АЭС и на предприятиях-изготовителях оборудования

3.2. Результаты лабораторных исследований и анализа факторов, 89 влияющих на результаты экспериментального определения собственных динамических характеристик оборудования

3.3. Статистический анализ результатов исследований собственных 93 динамических характеристик оборудования на основе спектрального метода определения декрементов (СМОД)

3.4. Статистический анализ расширенной базы данных по результатам 100

¿1 ' з

Глава 4.

4.1.

динамических испытаний на основе усовершенствованных и новых средств и методов экспериментальных исследований

Анализ результатов исследований собственных динамических 111 характеристик трубопроводной арматуры в реальных условиях раскрепления и трубопроводной обвязки на АЭС Статистический анализ результатов исследований собственных 111 динамических характеристик трубопроводной арматуры с учетом влияния опор и диаметров стыкуемой трубы

Обобщенный анализ влияния параметров жесткости арматуры на 116 значения декрементов колебаний

Выводы по главе 4 123

Выводы по главе 3

Заключение

124

Список литературы

127

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АЭС - атомная электростанция АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЧХ - амплитудно-частотная характеристика БПФ - быстрое преобразование Фурье

БН - энергетический реактор на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор под давлением

ВО - вентиляционное оборудование

ГЗЗ - главная запорная задвижка

ГЦН - главный циркуляционный насос

ДИ - динамические испытания

ДК - декремент колебаний

КЛНАЭС - Калининская АЭС

ЛАЭС - Ленинградская атомная станция

ЛСМ - линейно спектральный метод

М - магнитуда землетрясения по Рихтеру

МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии

МДА - метод динамического анализа

МО - метод огибающих

МРЗ - максимально расчетное землетрясение

НТД - нормативно-техническая документация

НД - нормативная документация

ОИАЭ - объект использования атомной энергии

ПЗ - проектное землетрясение (сейсмичность площадки АЭС)

ПНР - пусконаладочные работы

ППР - планово-предупредительный ремонт

ПСЭ - продление срока эксплуатации

РБМК - уран-графитовый реактор большой мощности канальный

РСТАЭС - Ростовская атомная станция

СДХ - собственные динамические характеристики

СМ - статический метод

СМОД - спектральный метод определения декрементов колебаний СУЗ - система управления и защиты СО - спектр ответов СФ - спектр Фурье

ТМО - тепломеханическое оборудование ЭТО - электротехническое оборудование

ВВЕДЕНИЕ

Любой промышленный объект прежде всего должен полностью соответствовать своему назначению в выполнении возложенных на него функций и удовлетворять требованиям максимальной надежности, эффективности, экономичности и безопасности для людей и окружающей среды при расчетных режимах штатной эксплуатации. Однако в реальных условиях объекты могут подвергаться также экстремальным внешним воздействиям как природного, так и связанного с человеческим фактором техногенного (случайного или преднамеренного) происхождения.

Для обеспечения надежности и экологической безопасности промышленных предприятий такие экстремальные воздействия должны быть тщательно проанализированы и учтены по мере возможности еще на стадиях проектирования и сооружения, а предусмотренные в проектах меры защиты от внешних воздействий должны совершенствоваться и дополняться в процессе эксплуатации по мере усовершенствования наших знаний по природе этих воздействий, их интенсивности, а также по методам и средствам защитных мероприятий.

Особое значение данная проблема имеет для объектов повышенной ответственности и потенциальной опасности для людей и окружающей природы, связанных с производством либо использованием радиоактивных, токсичных, пожаро- и взрывоопасных материалов и изделий.

Среди этих объектов наиболее ответственными с точки зрения безопасности людей и экологии являются ОИАЭ и особенно АЭС, поскольку они, как правило, размещаются вблизи крупных городов и промышленных центров. Это связано с тем, что крупные аварии на ОИАЭ и, в частности, АЭС создают угрозу радиоактивного заражения атмосферы, почвы, зеленых насаждений и водной среды на огромных расстояниях в сотни и тысячи км и в течение длительного времени (в десятки лет). Трагическими примерами являются взрывы атомных бомб над японскими городами Хиросима и Нагасаки в 1945 г. и чернобыльская катастрофа в 1986 г. Первая трагедия произошла по злой воле государства, которое в политической борьбе двух систем сознательно

перешло все мыслимые пределы разума и человечности. Вторая была вызвана недостаточностью опыта и знаний конструкторов, ученых и эксплуатационного персонала. При этом следует не забывать, что при аварии в 1979 г. на АЭС «Three Mile Island» в США человечество было на грани еще более тяжелых последствий, чем вызванных аварией на Чернобыльской АЭС. Наконец, совершенно свежий пример -тяжелейшие последствия на японской АЭС «Фукусима-Даичи», вызванные на этот раз сильнейшим океаническим землетрясением. Это событие непосредственно касается темы данной диссертации.

Ограниченность технически доступных и экономически оправданных для добычи мировых запасов нефти и газа, транспортные и экологические проблемы использования каменного угля, крайне ограниченные по масштабам возможности использования возобновляемых источников солнечной, ветровой, геотермальной и приливной энергии, гуманитарные и этические барьеры на пути широкомасштабного производства биотоплива, в лучшем случае весьма далекие во времени перспективы решения технических проблем по обеспечению практического использования термоядерной энергии - все это привело к очевидности того, что в обозримом будущем реальной альтернативы атомной энергетике (по крайней мере в производстве электроэнергии) у человечества нет [1, 2].

В результате общие масштабы развития мировой атомной энергетики (в настоящее время в мире действует около 450 ядерных энергоблоков с установленной электрической мощностью более 370 тыс. МВт) при всех локальных колебаниях в отдельных странах будут неизбежно расти. Безусловно, это возможно только при условии обеспечения максимально возможной безопасности.

Перечень возможных внешних экстремальных воздействий достаточно обширен, однако по комплексу факторов одними из наиболее опасных являются землетрясения.

Сейсмические колебания, передаваемые через грунт на основание сооружения, его строительные конструкции и технологическую начинку, по своей природе имеют стохастический характер с резко выраженной резонансной областью частот. В связи с этим при анализе устойчивости промышленных объектов к сейсмическим воздействиям

важнейшее значение приобретает надежное знание СДХ (форм, частот и декрементов колебаний) всех ответственных элементов этих объектов - строительных сооружений, несущих конструкций, технологического оборудования, коммуникаций.

Данная работа посвящена методам определения и анализу СДХ важного для безопасности технологического оборудования АЭС, которые определяют расчетные нагрузки на оборудование при сейсмических воздействиях и, как следствие, корректность оценок его сейсмостойкости.

По своей физической природе сейсмическим воздействиям на конструкции аналогичны и другие внешние воздействия резонансного характера. К ним относятся такие воздействия техногенного происхождения, как удары о сооружения промышленных объектов тяжелых летящих предметов при авиакатастрофах, воздействие взрывной ударной волны при разного рода взрывах на площадках АЭС либо в непосредственной близости от них.

В этих случаях, как и при анализе сейсмостойкости, определяющими характеристиками воспринимающих воздействие конструкций (технологических систем, оборудования) являются их собственные частоты и ДК. В связи с этим задача экспериментального исследования СДХ ответственного за безопасность АЭС технологического оборудования приобретает универсальный характер, обеспечивая исходные данные для анализа устойчивости оборудования ко всем видам внешних воздействий резонансного характера.

В то же время следует отметить, что до настоящего времени основные работы в области устойчивости конструкций АЭС к внешним воздействиям были направлены на решение задач проверки и обеспечения их сейсмостойкости. В части анализа других динамических воздействий (падение самолета, взрывная ударная волна) объем выполненных работ к настоящему времени крайне ограничен. В связи с этим автор в своей работе использует термин «сейсмостойкость», имея ввиду полную применяемость полученных результатов по собственным частотам и декрементам колебаний ко всем вышеперечисленным видам внешних воздействий.

В исследованиях СДХ особое внимание было уделено автором изучению декрементов колебаний в различных конструкциях в связи со сложным механизмом процессов демпфирования, весьма ограниченными фактическими данными и значительными проблемами в области обработки и анализа результатов экспериментальных исследований декрементов колебаний.

Целью диссертационной работы является повышение безопасности АЭС при внешних воздействиях путем разработки и практической реализации усовершенствованных методик и алгоритмов экспериментального определения СДХ, ответственного за безопасность оборудования АЭС в условиях его фактического состояния (раскрепления и внешней обвязки), расширение и анализ банка данных по результатам динамических исследований оборудования, необходимым для корректного задания нагрузок на оборудование при анализе его сейсмостойкости.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить критический анализ нормативных методов подтверждения сейсмостойкости оборудования и практических результатов их использования.

2. По результатам системного анализа существующих методов проведения ДИ и обработки экспериментальных данных, с учетом модернизации программно-технических средств и накопленного практического опыта, разработать комплексную методику обработки экспериментальных данных, позволяющую с высокой достоверностью определять СДХ оборудования (собственные частоты и, особенно, декременты колебаний).

3. Определить и проанализировать основные факторы, влияющие на точность экспериментального определения динамических характеристик оборудования.

4. На основании результатов статистических исследований полученных экспериментальных данных о фактических значениях СДХ оборудования и выявления статистических закономерностей определить актуальность усовершенствования существующих нормативных документов и возможности оптимизации объемов натурных ДИ.

Научная новизна положений диссертации, выносимых на защиту, состоит в следующем:

1. Разработана комплексная методика обработки результатов испытаний по определению динамических характеристик оборудования в натурных условиях монтажа и эксплуатации.

2. Установлены границы применимости метода определения декрементов колебаний по ширине спектральной линии спектров мощности Фурье (спектральный метод) и разработаны новые методы для определения декрементов вне пределов применимости спектрального метода.

3. Выполнен стадистический анализ полученного (в т.ч. при непосредственном участии автора) обширного экспериментального материала по фактическим значениям динамических характеристик практически по всем типам и видам тепломеханического и электротехнического оборудования энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

4. Выявлены статистические закономерности, присущие динамическим характеристикам собственных колебаний оборудования в условиях его фактического состояния (в реальных условиях монтажа, раскрепления и внешней обвязки), имеющие практическое значение для определения расчетных нагрузок от сейсмических воздействий на оборудование и оптимизации объемов натурных ДИ.

Степень достоверности результатов выполненных исследований подтверждается:

1. Применением современных методов постановки, проведения и обработки результатов исследований с учетом конструкционных и физических особенностей исследуемого оборудования и используемых средств измерений.

2. Применением математических и статистических методов исследований с использованием современной вычислительной техники.

3. Положительными результатами практического использования разработанной комплексной методики обработки экспериментальных данных.

4. Применением наиболее современных прецизионных датчиков и электронной аппаратуры при проведении испытаний.

Практическая значимость результатов:

1. Даны конкретные рекомендации по усовершенствованию действующих нормативных документов, регламентирующих экспериментальные, расчетные и расчетно-экспериментальные исследования сейсмостойкости оборудования.

2. Усовершенствована методология проведения и анализа результатов ДИ основного технологического оборудования АЭС при вводе в эксплуатацию новых энергоблоков и модернизации действующих.

3. При непосредственном участии автора разработана и апробирована на пусковых и действующих энергоблоках АЭС, а также на предприятиях - разработчиках и изготовителях автономного оборудования комплексная методика обработки результатов испытаний по определению СДХ оборудования в натурных условиях его монтажа, раскрепления, обвязки и эксплуатации.

4. Повышнена достоверность результатов динамических испытаний по определению СДХ за счет выявленния и анализа методических и инструментальных факторов, влияющих на точность экспериментального определения частот и декрементов колебаний оборудования АЭС.

5. Выполнена классификация важного для безопасности оборудования АЭС по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях;

6. Определены и предложены минимальные значения декрементов колебаний для различных типов оборудования по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях в зависимости от направлений воздействий и собственных частот колебаний для принятия в качестве консервативных нормативных значений в случае отсутствия реальных экспериментальных данных на стадии выполнения проектных обоснований сейсмостойкости.

7. Получены эмпирические кривые для определения в случае отсутствия реальных экспериментальных данных декрементов колебаний трубопроводной арматуры без собственных опор и с собственными опорами в зависимости от диаметров условных

проходов трубопроводов, направлений динамических воздействий и частот собственных колебаний.

8. Представлены материалы и экспериментальные данные, дополняющие современные представления о динамическом пов�