автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.11, диссертация на тему:Методические основы компьютерной системы оценки ресурса конструктивных узлов ЯЭУ с учетом фактической эксплуатации

Введение

1 Состояние проблемы. Цели исследования

1.1 Актуальность

1.2 Подходы к оценке выработанного и прогноза остаточного ресурса элементов оборудования РУ в процессе эксплуатации

1.2.1 Анализ состояния вопроса по теоретическим методам оценки ресурса конструкционных материалов при переменных термосиловых нагружениях

1.2.2 Анализ практических методов оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса

1.3 Основные проблемы оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса

1.4 Анализ существующих программных средств поддержки продления ресурса

1.5 Анализ экспериментальных результатов по циклическому деформированию сталей аустенитного класса

2 Анализ кинетики напряженно-деформированного состояния и процессов накопления повреждений в элементе трубопровода

2.1 Уравнения термопластичности

2.2 Алгоритм интегрирования уравнений термопластичности на этапе нагружения Д1=1:(п+ |, - 1;п

2.3 Материальные параметры модели

2.4 Эволюционное уравнение накопления повреждений

2.5 Алгоритм расчета поврежденности на этапе нагружения

2.6 Приближенный алгоритм оценки напряженного состояния в районе дефекта в стенке трубопровода по номинальным напряжениям

2.6.1 Расчет номинальных напряжений

2.6.2 Аппроксимация дефектов

2.6.2.1 Аппроксимация подповерхностных дефектов

2.6.2.2 Аппроксимация напряженного состояния для подповерхностных дефектов

2.6.2.3 Схематизация одиночных поверхностных дефектов

2.6.2.4 Схематизация распределения напряжений для поверхностных дефектов

2.6.3 Расчет коэффициентов интенсивности напряжений (КИН)

2.6.4 Приближенный анализ возможности «течи перед разрущением» (ТПР)

2.6.5 Напряженное состояние в окрестности вершины трещины 73 2.7 Выводы

3 Оценка адекватности модифицированного варианта уравнений механики поврежденной среды

3.1 Проверка адекватности модифицированного варианта уравнений механики поврежденной среды результатам экспериментальных исследований

3.2 Изучение влияния многоосности нагружения и вида траектории деформирования на процесс накопления усталостных повреждений для стали 12Х18Н10Т при нагружении элемента трубы знакопеременным кручением, растяжением-сжатием и внутренним давлением

3.3 Выводы

4 Система оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса конструктивных узлов оборудования и систем РУ

4.1 Основные положения

4.2 Назначение системы

4.3 Условия применимости системы

4.4 Архитектура системы

4.5 Выводы

В настоящее время для многих стран мира на первый план выходит задача продления срока службы исчерпавших проектный ресурс энергоблоков АЭС. В России выработка проектного ресурса важнейших объектов энергетики, нефтехимии, транспорта достигла 50-80%. Например, проектные сроки службы энергоблоков АЭС заканчиваются: Нововоронежская АЭС - 2001-2002гг., Кольская АЭС - 2003-2004гг., Ленинградская АЭС - 2003-2005гг., Билибинская АЭС 2004-2006гг. Утвержденная в мае 2000 года правительством Российской Федерации стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века одной из основных задач на ближайшие 10 лет определяет продление срока службы действующих АЭС до 40-50 лет. Программа работ Минатома РФ на 2000-2005 годы «Развитие и совершенствование нормативной и методической баз для обеспечения работ по управлению сроком службы энергоблоков АЭС» включает (пункт 1.13 программы) «разработку комплекса методик для анализа выработанного и прогнозирования остаточного ресурса элементов оборудования, трубопроводов и металлоконструкций на основе данных по истории нагружения и контроля металла» и «анализ механизмов повреждения оборудования и трубопроводов РУ энергоблоков АЭС для прогнозирования потенциально опасных элементов и зон» /1/.

Проблема сведения до минимума вероятности возникновения отказов оборудования ответственных инженерных объектов в течение длительного срока эксплуатации при оптимальных трудовых и материальных затратах не может быть решена без разработки методов и средств оценки истинного состояния материала оборудования, обоснованной оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса опасных зон конструктивных узлов, реализуемых в процессе эксплуатационного мониторинга ресурса важнейших систем, узлов конструктивных элементов инженерных объектов. Существующие экономические условия приводят к необходимости максимального использования всех располагаемых резервов реальной физической долговечности оборудования. Практика регламентного обслуживания оборудования АЭС, основанная на коэффициентах запаса, закладываемых при проектировании и среднестатистических данных о наработках оборудования на отказ, в связи с большой дисперсией оценок наработок оборудования на отказ и величин остаточного ресурса оборудования, не обеспечивают оптимального решения данных проблем. Такое решение возможно только при переходе обслуживания оборудования и трубопроводных систем по фактическому техническому состоянию на базе достоверных оценок выработанного и прогноза остаточного ресурса ответственных конструктивных узлов в процессе эксплуатации. Получение таких оценок возможно с помощью соответствующих методик, алгоритмов, реализованных в виде систем оценки ресурса контролируемых конструктивных узлов, которые обеспечивают:

• получение, накопление и анализ информации об индивидуальных режимах эксплуатации установки и их влиянии на доминирующие механизмы деградации материала конструктивных узлов;

• оперативный контроль состояния по выработанному ресурсу в опасных зонах конструктивных элементов по фактической истории эксплуатации;

• прогноз развития процессов поврежденности и остаточного ресурса материала в контролируемых зонах конструктивных узлов до наступления предельного состояния в зависимости от прогнозных режимов эксплуатации установки.

Целью и задачами настоящей работы являются:

Для повышения экономичности и безопасной с точки зрения прочности эксплуатации реакторной установки:

• разработать и обосновать прогнозную модель развития поврежденности конструкционного материала по механизму термоциклической усталости на базе современных достижений механики поврежденной среды;

• разработать алгоритм оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса материала в опасных зонах конструктивных узлов установки на базе прогнозной модели развития усталостных повреждений по фактической истории нагруженности этих зон;

• разработать алгоритм и программу анализа процессов деформирования и накопления повреждений в элементе трубопровода;

• разработать общие положения и принципиальную схему архитектуры системы оценки ресурса конструктивных узлов ЯЭУ в процессе эксплуатации.

На защиту выносятся:

• модифицированная прогнозная математическая модель процессов накопления повреждений в конструкционном материале опасных зон реакторной установки (РУ) по механизму термоциклической усталости на базе современных достижений механики поврежденной среды;

• приближенный алгоритм оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса конструкционного материала в опасных зонах конструктивных узлов РУ при малоцикловой усталости с учетом фактической истории эксплуатации;

• общие положения и основные принципы архитектуры компьютеризированной системы оценки ресурса конструктивных узлов реакторной установки в процессе эксплуатации.

Автором диссертации лично предложены аппроксимирующие функции для изменения радиуса поверхности текучести в процессе пластического деформирования материала (изотропное упрочнение), разработан уточненный безитерационный алгоритм интегрирования уравнений термопластичности на этапе нагружения, алгоритм нелинейного суммирования усталостных повреждений для различных режимов эксплуатации РУ (глава 2). На базе разработанного алгоритма и программы проведены исследования процессов деформирования и накопления усталостных повреждений в элементе трубопровода, разработан проект системы оперативной оценки ресурса конструктивных узлов ЯЭУ в процессе эксплуатации.

Научная новизна работы заключается:

• в разработке математической модели развития усталостных процессов в контролируемых зонах конструктивных узлов РУ для оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса материала с учетом влияния параметров фактической истории нагруженности зоны, определяемых фактической историей эксплуатации РУ;

• в разработке алгоритма нелинейного суммирования усталостных повреждений в контролируемых зонах при последовательном нагружении эксплуатационными режимами, соответствующими режимам эксплуатации РУ;

• в обосновании разработанного варианта уравнений развития усталостных процессов путем проведения соответствующих численных расчетов и их сопоставления с имеющимися экспериментальными результатами;

• в разработке основных положений и принципиальной схемы архитектуры системы оценки ресурса конструктивных узлов ЯЭУ.

Практическая ценность работы состоит:

• в разработке алгоритма оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса материала в контролируемых зонах конструктивных узлов для анализа текущей поврежденности и обоснованного назначения межконтрольных интервалов;

• в разработке программного модуля для оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса и его верификации;

• в разработке основных положений и архитектуры системы оперативной оценки ресурса конструктивных узлов ЯЭУ в процессе эксплуатации.

Апробация работы

Работа прошла апробацию на совещаниях специалистов, на отечественных и международных конференциях («XIX Международная конференция по теории оболочек и пластин» г. Нижний Новгород 28-30 сентября 1999 г., «I Всероссийская молодежная научная конференция по фундаментальным проблемам радиохимии и атомной энергетики» г. Нижний Новгород 5-8 июня 2001 г.)

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в научно-технических отчетах, докладах на научных конференциях, статях в журналах

Ядерная энергетика» и «Прикладные проблемы прочности и пластичности».

Работа выполнена на кафедре «АТС и МИ» Нижегородского государственного технического университета под руководством доктора физико-математических наук, профессора Коротких Ю.Г.

В работе использовались следующие условные обозначения и сокращения:

КИН - коэффициент интенсивности напряжений;

МнЦУ - многоцикловая усталость

МЦУ - малоцикловая усталость;

РУ - реакторная установка;

ТПР - течь перед разрушением;

ЯЭУ - ядерная энергетическая установка.

4.5 Выводы

1. Сформулированы основные проблемы оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса оборудования и систем РУ.

2. Дана краткая характеристика трех основных типов прогнозных моделей для оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса.

3. Рассмотрена конкретная схема контроля развития усталостных деградационных процессов в опасных зонах конструктивных элементов РУ в процессе эксплуатации на базе предложенной модели механики поврежденной среды.

4. Приведены основные принципы построения системы оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса.

136

Заключение

1. Выполнен анализ основных существующих подходов к обеспечению безопасной эксплуатации сложных инженерных объектов (типа атомных энергетических установок) с точки зрения прочности с учетом развивающихся деградационных процессов (старения) в материале конструктивных элементов. Показано, что существующие инженерные подходы и, в частности, методики расчета процесса накопления усталостных повреждений, регламентируемые «Нормами расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» не могут в полной мере обеспечить надежное контролирование скорости усталостных деградационных процессов в опасных зонах конструктивных элементов ЯЭУ.

2. На базе современных достижений механики поврежденной среды /5, 23/ разработана математическая модель для расчета процесса накопления усталостных повреждений в опасных зонах конструктивных элементов ЯЭУ. Модель включает в себя:

• модифицированные уравнения процесса неизотермического упругопластического деформирования материала;

• модифицированное уравнение накопления усталостных повреждений;

• уточненный алгоритм интегрирования указанных уравнений на этапе нагружения.

3. Разработан алгоритм нелинейного суммирования усталостных повреждений при изменении режима нагружения материала контролируемых зон конструктивных узлов для нерегулярных неизотермических условий нагруждения, соответствующих реальному процессу эксплуатации ЯЭУ.

4. На базе разработанной модели процесса накопления усталостных повреждений создан алгоритм и программа анализа напряженно-деформированной состояния и прогноза накопления повреждений в элементе тонкостенного трубопровода (являющегося одним из важнейших элементов ЯЭУ), нагруженного осевым перемещением, знакопеременным кручением и внутренним давлением с постоянной по объему элемента и изменяющийся по произвольному закону во времени температурой. На основе данной программы проведены теоретические расчеты процессов неизотермического деформирования и накопления усталостных повреждений в материале трубопровода при различных историях изменения механической нагрузки и температуры. Результаты теоретических расчетов сопоставлены с имеющимися в литературе экспериментальными результатами. Анализ сопоставления теоретических и экспериментальных результатов свидетельствует о достаточной достоверности предлагаемой модели и возможности ее использования в процессе эксплуатационного мониторинга ресурса материала опасных зон конструктивных узлов РУ с целью определения выработанного и прогноза остаточного ресурса материала контролируемых зон.

5. Разработанные модель усталостных процессов и алгоритм нелинейного суммирования повреждений позволяют рассчитывать процесс накопления усталостных повреждений для любого реального нестационарного неизотермического процесса нагружения материала контролируемой зоны без его аппроксимации регулярными циклическими процессами.

6. Показаны неадекватность установления эквивалентности усталостных процессов при различных видах напряженного состояния и различных траекториях деформирования на основе эквивалентных напряжений или деформаций (интенсивности соответствующих тензоров) или на основе предельной пластической деформации (длины траектории пластического деформирования).

7. Рассмотрены принципиальная схема и архитектура системы оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса конструктивных элементов ЯЭУ в процессе эксплуатации.

1. Программа работ Минатома РФ на 2000-2005 годы «Развитие и совершенствование нормативной и методической баз для обеспечения работ по управлению сроком службы энергоблоков АЭС». М.: Минатом РФ, № 352-3 от 17.11.2000.- 14 с.

2. Боднер, Линдхолм. Критерий приращения повреждений для зависящего от времени разрушения материалов // Теорет. основы инж. расчетов. 1983. - № 3. - С. 47-53.

3. Гаруд. Новый подход к расчету усталости при многоосных нагружениях // Теорет. основы инж. расчетов. 1981. - № 2. - С. 41-51.

4. Голос, Эльин. Теория накопления усталостных повреждений, основанная на критерии удельной энергии полной деформации // Современное машиностроение, серия Б. 1989. -№1. - С. 64-72.

5. Коротких Ю.Г. Описание процессов накопления повреждений материала при неизотермическом вязкопластическом деформировании материала // Проблемы прочности. 1985. - №1. - С. 18-23.

6. Коротких Ю.Г., Бех О.И. Уравнения механики поврежденной среды для циклических неизотермических процессов деформирования материалов // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения / Всесоюзн. межвуз. сб. Горьк. ун-та. 1989. - С. 28-37.

7. Леметр. Континуальная модель повреждения, используемая для расчета разрушения пластических материалов // Теорет. основы инж. расчетов. 1985.-№ 1.-С. 90-98.

8. Можаровский Н.С., Щукаев С.Н. Долговечность конструкционных материалов при непропорциональных путях малоциклового нагружения // Проблемы прочности. 1988. - №10. - С. 47-54.

9. Мруз 3. Упрочнение и накопление повреждений в металлах при монотонном и циклическом нагружении // Теорет. основы инж. расчетов. -1983.-№2.-С. 44-50.

10. Романов А.Н. Энергетические критерии разрушения при циклическом нагружении//Проблемы прочности. 1971.-№3.-С. 3-10.

11. Романов А.Н. Энергетические критерии разрушения при малоцикловом нагружении // Проблемы прочности. 1974. -№1. - С. 3-18.

12. Романов А.Н. Разрушение при малоцикловом нагружении. М.: Наука, 1988.-350 с.

13. Chaboche J. Continuous damage mechanics a tool to describe phenomena before crack initiation // J. Nuclear Engineering Design-1981. - #64. - Pp. 233-247.

14. Новожилов B.B., Рыбакина О.Г. О перспективах построения критерия прочности при сложном нагружении // Прочность при малом числе циклов нагружения: Сб. М.:Наука. - 1969. - С. 71-79.

15. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. М.: Машиностроение, 1983. - 240 с.

16. Иида К. Исследование петли гистерезиса и прогнозирование долговечности при малоцикловой усталости // Нихон дзосан гаккай ромбунсюс 1981 -№150-С. 471-481.

17. Когаев В.П., Гусенков A.IT, Бутырев Ю.И. Деформационная трактовка накопления усталостных повреждений при нерегулярном малоцикловом и многоцикловом нагружении с перегрузками // Машиноведение, 1978,-№5.-С. 57-64.

18. Корум, Саратори. Оценка современной методологии проектирования высокотемпературных элементов конструкций на основе экспериментов по их разрушению // Теорет. основы инж. расчетов. 1988. -№1. - С. 104-118.

19. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981. - 270 с.

20. Savalle S., Caiuetand G. Microamoreage, micropropagution et endommagement // La Recherch Aerospatiale. 1982. - №6. - Pp. 395-411.

21. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов АЭУ. ПНАЭ Г-7-0002-86. М.: Энергоиздат, 1989. - 40 с.

22. Бондарь B.C. Неупругое поведение и разрушение материалов и конструкций при сложном неизотермическом нагружении: Дис. . доктора физ.-мат. наук.-М., 1991.-290 с.

23. Капустин С.А., Казаков Д.А., Коротких Ю.Г. Моделирования процессов деформирования и разрушения материалов и конструкций. Монография. Н.Новгород: из-во ННГУ, 1999. - 226 с.

24. Серенсен C.B. Квазистатическое и усталостное разрушение материалов и элементов конструкций // Избранные труды: В 3 т. -М.: Наука, 1971.-т. З.-С. 101-115.

25. Бараненко В.И., Бакиров М.Б., Янченко Ю.А. Продление ресурса энергоблоков на ТЭС и АЭС в США. Обзор // Атомная техника за рубежом. -1997.-№6. С. 12-17.

26. Система мониторинга целостности трубопроводных систем реакторов с водой под давлением, Германия, per. № 32940/97-СИ-2426, 1995 г.

27. Козлоски Т.А., Полусами С.С. Интегральная система мониторинга и диагностики АЭС. Copyright Westinghouse Electric Company, 2000. -С. 1-9.

28. Определение остаточного ресурса ответственных машиностроительных конструкций: Отчет о НИР (промежуточ.) / Нижегородский государственный технический университет. № ГР 0194002164; Инв. № 02200005958. - Нижний Новгород, 2000. - 69 с.

29. Chaboche J., Kaczmarek U. On the interaction of hardening and fatigue damage in the 316 stainless steel. "Adv. Fract. Res. Prop. 5th Int. Conf. Fract., Cannes, 1981, Vol. 3", Oxford, pp. 1381-1393.

30. Chaboche J. Description thermodynamique et phenomenologique de la viscoplasticite cyclique avec endommagement. Offic national d'etudes et de recherches aerospatiales, pablication #1978 - 3, 156 p.

31. Коротких Ю.Г., Копьева О.С. Основные положения оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса материала опасных зон конструктивных узлов ЯЭУ в процессе эксплуатации // Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. 2001. - №1. - С. 31-38.

32. Методические рекомендации: MP 125-01-90. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений и коэффициентов ослабления сечений для дефектов в сварных соединениях. Гос. Комитет СССР по науке и технике, НПОЦНИИТМАШ, НИКИЭТ, Киев, 1990.

33. Harrison J.D. Fracture mechanics developments related to the weld defect acceptance methods given in British standard PD 6493, Fract. And Fruct. Mech.: Case stud, Proc 2nd, Nat. Conf. Johannesburg, 26-27 Nov., 1984, pp. 195-207.

34. Методика расчета допустимых дефектов металла оборудования и трубопроводов во время эксплуатации АЭС. М-01-88.-М.: НИКИЭТ, 1988.-32 с.

35. Нормы для котлов и сосудов давления. Оценки дефектов в трубопроводах из аустенитной стали. Специальная группа по оценке дефектовтрубопроводов. Норм. ASME// Теор. основы инж. расчетов. 1986. - №3. - С. 146-171.

36. Kummar V., German M.D., Shih C.F. An engineering approach for elastic-plastic fracture analysis, EPRJ RP 1237-1 Electric Power research Institute, Palo Alto, California, 1981.

37. Броек Д. Основы механики разрушения. М.: Высшая школа, 1980.368 с.

38. Охаси, Каваи, Каито. Неупругое поведение нержавеющей стали 316 при многоосных непропорциональных циклических нагружениях при повышенной температуре // Теор. основы инж. расчетов 1985. - т. 107. - №2. -С. 6-15.

39. Beaver P.W. Biaxial Fatigue and Fracture of metals: a Review. Metals Forum, V. 8, # 1, 1985, pp. 14-29.

40. Коротких Ю.Г., Копьева О.С., Гордлеева И.Ю. Анализ влияния многоосности нагружения и вида траектории деформирования на усталостную долговечность элементов конструкций // Прикладные проблемы прочности и пластичности, в печати.

41. Митенков Ф.М., Коротких Ю.Г., Городов Г.Ф. и др. Определение и обоснование остаточного ресурса машиностроительных конструкций при долговременной эксплуатации//Проблемы машиностроения и надежности машин.-1995 .-№ 1-С.5-13.

42. Митенков Ф.М., Городов Г.Ф., Коротких Ю.Г., Пичков С.Н. Глава 4.1. / Машиностроение. Энциклопедия. В 40-томах. Ред. совет: К.В. Фролов и др. Надежность машин. Том VI-3. М: Машиностроение, 1998. - Стр. 368-408.