автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.11, диссертация на тему:Традиционные и перспективные методы сейсмической квалификации оборудования АЭС

Введение.

Глава 1. Проблема обеспечения сейсмостойкости АЭС общие положения).

1.1. Землетрясения как одно из опаснейших экстремальных природных явлений.

1.2. Специфика АЭС с точки зрения безопасности людей и экологии.

1.3. Задачи и основные этапы обеспечения сейсмической безопасности АЭС.

1.4. Основные понятия, определения и принятые обозначения.

Глава 2. Традиционные методы проверки и обеспечения сейсмостойкости технологического оборудования АЭС.

2.1. Исходные данные по сейсмическим воздействиям

2.2. Расчетные методы проверки сейсмостойкости оборудования.

2.3. Экспериментальные методы проверки сейсмостойкости оборудования.

2.4. Традиционные методы и средства защиты оборудования от сейсмических воздействий.

Глава 3. Расчетно-экспериментальный метод проверки сейсмостойкости оборудования непосредственно на АЭС.

3.1. Существо метода.

3.2. Технические средства экспериментальных исследований.

3.3. Расчетно-экспериментальное определение собственных динамических характеристик оборудования в составе станционных систем.

3.4. Результаты исследований на АЭС.

Глава 4. Обобщение и систематизация результатов расчетно-экспериментальной проверки и обеспечения сейсмостойкости оборудования на пусковых и действующих блоках АЭС.

4.1. Цели и задачи обобщения и систематизации накопленного банка данных.

4.2. Принципы систематизации причин несейсмостойкости и практических методов их устранения.

4.3. Результаты системного анализа.

Выводы.

Повышенные требования, предъявляемые к безопасности атомных станций, регулярно ужесточаются, особенно после каждого случая крупных аварий на отдельных АЭС с различной степенью и тяжестью последствий. К числу серьезных неприятностей на АЭС можно отнести события на АЭС Колдерхолл в Англии (теперь уже в далеком прошлом) и более позднюю и серьезную аварию на АЭС "Three Mile Island" в США.

Безусловно, к наиболее глобальному пересмотру концепции безопасности АЭС привела Чернобыльская катастрофа в 1986 г. Эта трагедия привела еще к одному крайне неприятному последствию - она подорвала доверие населения к атомной энергетике, и не только в нашей стране. В результате начавшееся с пуска 1-й в Мире АЭС в г. Обнинске бурное развитие атомной энергетики в ряде высокоразвитых стран заметно замедлилось. В то же время, как это убедительно и на строгой научной основе доказано в последних фундаментальных публикациях академика В.И. Субботина [1,2], в будущем реальной альтернативы атомной энергетике в общем развитии мировой энергетики нет. При этом сроки, отпущенные на реабилитацию и новый этап интенсивного развития атомной энергетики, крайне ограничены - это всего лишь несколько десятилетий.

Что является совершенно обязательным - это максимальное обеспечение ядерной и радиационной безопасности АЭС, и не только вновь проектируемых, но также действующих и строящихся. Второй Чернобыль и даже второй "Three Mile Island" окончательно погубят атомную энергетику и тем самым обрекут человечество на техническую, социальную и культурную деградацию уже в первой половине XXI века.

Современные требования к безопасности АЭС вызывают необходимость оценки их надежности и принятия необходимых мер защиты при всех видах возможных опасных воздействий, в том числе сейсмических. Многие АЭС расположены в зонах повышенной сейсмической опасности. Ряд АЭС уже подверглись реальным воздействиям сильных землетрясений - наиболее яркими примерами являются АЭС «Козлодуй» в Болгарии (румынское землетрясение в 1977 г.) и Армянская АЭС (спитакское землетрясение в 1988 г.). К счастью, землетрясения пока что не привели к катастрофическим последствиям на АЭС, но, тем не менее, явились серьезным предупреждением.

Проблема сейсмостойкости АЭС имеет свою специфику, заключающуюся в необходимости обеспечить сейсмостойкость не только строительных .конструкций, инженерных сооружений и коммуникаций, но и многочисленного технологического и электротехнического оборудования, ответственного за ядерную и радиационную безопасность [3, 4]. Решению этой проблемы в последние 15-20 лет уделяется большое внимание во всех странах, развивающих атомную энергетику. Комплексные расчетные и экспериментальные исследования проводятся в таких национальных и международных центрах и институтах, как NUPEC (Япония), EQE (США-Болгария), Stevenson&Association (США-Чехия), Siemens (Германия), ISMES (Италия), и в ряде других стран и фирм. В России исследования проводятся в Московском и С.- Петербургском институтах АЭП, ЦКТИ, ВНИИАМ, ВНИПИЭТ, в научно-техническом центре ГАН, в ОКБ «Гидропресс», в КБГУ, ФПИ, Белгородском филиале МИСиС и некоторых других ОКБ, НИИ и ВУЗах.

Исключительно большое внимание уделяет проблеме повышения сейсмической безопасности АЭС Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), организуя и финансируя экспертные миссии, Координационные исследовательские программы, регулярные совещания и семинары специалистов из разных стран.

В марте 1986 г. в Москве было проведено первое широкомасштабное координационное совещание МАГАТЭ по проблеме сейсмической безопасности АЭС с участием ведущих специалистов из десятков стран. От России в подготовке и проведении совещания участвовали НИС Гидропроекта (после аварии на Чернобыльской АЭС атомная часть НИС Гидропроекта была переведена в Московское отделение Атомэнергопроекта), ВНИИАМ и ЦКТИ.

Под эгидой и при финансировании МАГАТЭ с 1992 по 1997 г.г. была реализована координационная международная программа "Benchmark Study for the Seismic Analysis and Testing of WWER-Type NPPs" по анализу сейсмической безопасности АЭС с реакторами типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. С 1998 г. реализуется программа МАГАТЭ по анализу безопасности реакторов типа РБМК при внешних воздействиях (землетрясения, ураганы, торнадо, наводнения, падения самолетов, случайные и преднамеренные взрывы). В реализации этих программ принимает участие ВНИИАМ, в том числе автор настоящей диссертации.

Диссертация посвящена анализу проблем, связанных с проверкой и обеспечением сейсмостойкости технологического оборудования АЭС, развитию и внедрению новых перспективных методик, анализу, обобщению и систематизации результатов, накопленных с участием автора в процессе обследований ряда АЭС с реакторами различного типа.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов и списка литературы. Поскольку использованные в диссертации публикации других авторов носят разноплановый тематический характер, автор не выделил обзор литературы в самостоятельную обзорную главу. Этот обзор по общим и основополагающим аспектам проблемы представлен в Главах 1 и 2, по более узким задачам ссылки на источники и их краткое изложение приведены в последующих разделах диссертации.

Выводы

1. Проведен комплекс экспериментально-расчетных работ по проверке и обеспечению сейсмостойкости на действующих блоках 1-4 АЭС «Пакш» и пусковом блоке 2 Армянской АЭС (после длительной консервации) с реакторами ВВЭР-440, на действующих блоках 5, 6 АЭС «Козлодуй» и пусковом блоке 1 Ростовской АЭС с реакторами ВВЭР-1000, на действующих блоках 1, 2 Ленинградской АЭС с реакторами РБМК. Полученные результаты существенно пополнили накопленный ранее во ВНИИАМ с участием КБГУ банк данных по проверке и обеспечению сейсмостойкости оборудования непосредственно на АЭС.

2. В процессе динамических исследований на АЭС и последующего анализа результатов автором было проведено усовершенствование разработанного во ВНИИАМ и КБГУ расчетно-экспериментального метода путем внедрения и широкого использования наиболее современных инструментальных средств, методик экспериментов, методов и математического обеспечения обработки первичных данных и анализа результатов.

3. Впервые по всему перечню проверяемого оборудования на базе результатов динамических испытаний наряду со спектрами собственных частот получены реальные значения логарифмических декрементов колебаний, являющихся важной собственной характеристикой оборудования при расчетах воздействия сейсмических сил на оборудование.

4. Путем обобщения и систематизации всего банка данных по причинам несейсмостойкости оборудования в составе станционных систем, в реальных условиях монтажа, раскрепления и трубопроводной обвязки, и по антисейсмическим мероприятиям проведена классификация этих причин и мероприятий. Это позволяет перейти в дальнейшем от консервативных методов обследований к более перспективным упрощенным методам сейсмической квалификации АЭС, обеспечивающим заметное снижение трудоемкости и стоимости работ на АЭС при сохранении требуемой надежности и достоверности результатов.

1. В.И. Субботин. Размышления об атомной энергетике. Российская академия наук. С.- Петербург, 1995., 180 с.

2. В.И. Субботин. Двадцать первый век век ядерной энергетики. «Физика элементарных частиц и атомного ядра». Научный обзорный журнал ОИЯИ. Том 29, Выпуск 2. Дубна, 1998 г. (с. 333-388).

3. С.П. Казновский, Г.А. Филиппов. Проблема обеспечения сейсмостойкости энергетического оборудования АЭС и пути ее решения. «Энергомашиностроение» №8, 1983 г., Москва (с. 22-24).

4. А.П. Кириллов. Требования к сейсмологическим и геологическим данным при проектировании АЭС.

5. В Сб. «Обеспечение сейсмостойкости атомных станций». М., «Наука», 1987 г. (с. 5-10).

6. М.А. Рязанов. Великие катастрофы мира. М., «Наука», 1980 г., 260 с.

7. М.А. Садовский. Научно-организационные задачи прогнозирования времени землетрясений.

8. В Сб. «Проблемы геофизики Средней Азии и Казахстана. Материалы выездной сессии Отделения наук о Земле АН СССР, 1964 г., октябрь». М., «Наука», 1967 г.

9. Л.И. Ратникова, В.В. Штейнберг, Н.В. Шебалин, С.А. Пирузян. Оценка сейсмической опасности района строительства АЭС. «Инженерно-сейсмические проблемы. Вопросы инженерной сейсмологии». Вып. 16. М., «Наука», 1976 г.

10. М. Неймайр. Вулканы и землетрясения. С Петербург, 1902 г.

11. А.П. Кириллов, Ю.К. Амбриашвили. Сейсмостойкость атомных станций. М., «Энергоатомиздат», 1985 г. (185 е.).

12. ПНАЭ-Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.

13. М., «Энергоатомиздат», 1989 г. (528 е.).

14. ПНАЭ-Г-5-006-87. Нормы проектирования сейсмостойких АЭС. М., «Энергоатомиздат», 1989 г.

15. РТМ-108.020.37-81. Оборудование атомных энергетических установок. Расчет на прочность при сейсмических воздействиях. Минэнергомаш. Ленинград, ЦКТИ, 1986 г.

16. ОТТ-87. Арматура для оборудования и трубопроводов АЭС. М., ГАЭН, 1987 г. (154 е.).

17. РД 16-20. 1.02-86. Электротехническая продукция для АЭС в сейсмических районах.

18. М., Минэлектротехпром, 1986 г.

19. Seismic Design and Qualification for NPPs. Safety Guide. Safety Series No. 50-SG-D15. Vienna, IAEA, 1992, (80 pages).

20. С.П. Казновский. Направление и состояние исследований сейсмостойкости оборудования и пароводяной арматуры АЭС и ACT.

21. В Сб. «Обеспечение сейсмостойкости атомных станций». М., «Наука», 1987 г. (с. 81-96).

22. N.C. Donovan, А.Е. Bornsteen. Uncertainties in seismic risk procedures. Journal "Geotechnical Engineering Div.", vol. 104, No.7, 1978 (869-887).

23. A.H. Бирбраер. Расчет конструкций на сейсмостойкость. С.- Петербург, «Наука», 1998 г.

24. К.Ф. Рихтер. Инструментальная шкала для магнитуд землетрясений. В Сб. «Слабые землетрясения», Москва, ИЛ, 1961 г.

25. Сейсмостойкое строительство и теория сейсмостойкости. Москва, «Стройиздат», 1978 г.

26. А.П. Кириллов, В.В. Крылов, А.Е. Саргоян. Взаимодействие фундаментов сооружений электростанций с основанием при динамических нагрузках. Москва, «Энергоатомиздат», 1984 г.

27. C.B. Поляков. Сейсмостойкие конструкции зданий. М., «Высшая школа», 1983 г.

28. A.B. Козлов, Н.В. Хохлова, Г.Э. Шаблинский. Исследования динамических характеристик и колебаний сооружений атомных станций при сейсмических воздействиях. В Сб. «Обеспечение сейсмостойкости атомных станций». М., «Наука», 1987 г. (с. 30-41).

29. Ю.К. Амбриашвили, Ю.З. Иерусалимский, A.B. Козлов, Б.М. Чамов. Некоторые вопросы расчета конструкций и элементов атомных станций. «Энергетическое строительство», № 1. 1979 г. (с. 60-68).

30. А.П. Кириллов, В.В. Лукин, В.В. Пискарев. О необходимости проведения испытаний электротехнического оборудования на сейсмостойкость в условиях АЭС. «Электрические станции», № 1, 1984 г. (с. 2-4).

31. В.В. Пискарев, В.А. Бабулин. Повышение надежности работы агрегатов бесперебойного питания в условиях сейсмовоздействий. «Электрические станции», № 1, 1985 г. (с. 14-17).

32. В.В. Лукин, В.В. Пискарев, В.А. Зайцев. Сейсмостойкость электротехнического оборудования собственных нужд АЭС.

33. В Сб. «Обеспечение сейсмостойкости атомных станций». М., «Наука», 1987 г. (с. 61-87).

34. СНиП П-7-81. Строительство в сейсмических районах. М., «Стройиздат», 1981 г.

35. В.И. Авдеев, А.И. Ефремов и др. Исследование динамических характеристик теплообменного оборудования. «Энергомашиностроение» № 8, 1986 г., Москва (с. 34-37).

36. В.И. Авдеев, C.B. Базилевский и др. Расчетное обоснование сейсмостойкости оборудования АЭС.

37. Энергомашиностроение» № 8, 1987 г., Москва (с. 19-23).

38. В.В. Болотин. Статистическая теория сейсмостойкости конструкций. Известия АН СССР, Механика и математика, № 4, 1969 г. (с. 123129).

39. В.А. Ветошкин, В.В. Костарев. Методические вопросы расчета сейсмостойкости энергооборудования. «Энергомашиностроение» № 8, 1987 г., Москва (с. 29-31).

40. Л.Н. Тиняков и др. Экспериментальные средства лабораторных исследований сейсмостойкости оборудования АЭС. «Энергомашиностроение» № 9, 1987 г., Москва (с. 26-29).

41. Х.Д. Чеченов. Двухкомпонентный вибростенд. В республиканском межведомственном сборнике «Детали машин», вып. 43, Киев, «Техника», 1982 г. (с. 61-65).

42. Seismic Proving Tests for Large Components of Nuclear Power Plants. Tadotsu Engineering Laboratory, NUPEC, Japan, 1986.

43. В.В. Пискарев и др. Расчетно-экспериментальное проектное обеспечение сейсмостойкости оборудования АЭС. «Энергомашиностроение» № 9, 1987 г., Москва (с. 23-26).

44. В.И. Есьман, А.И. Ефремов и др. Методы моделирования и результаты модельных исследований сейсмостойкости оборудования АЭС. «Энергомашиностроение» № 8, 1987 г., Москва (с. 29-32).

45. P. Ibanez, R. Matthiersen, W. Miller, G. Smith. Experimental Vibration Tests of Nuclear Power Plants. USA, Trans. ASME, II, No. 3, 1972 (286296).

46. C.X. Негматуллаев. Иммитация сейсмического воздействия с целью испытаний зданий и сооружений на сейсмостойкость. «Дониш», Душанбе, 1986 г. 150 с.

47. С.П. Казновский, И.Н. Острецов, Л.Н. Фальковский, Х.Д. Чеченов. Способ испытаний на сейсмостойкость изделий машиностроения и приборостроения. Авторское свидетельство № 1572258 от 15 февраля 1990 г.

48. С.П. Казновский, Х.Д. Чеченов, П.С. Казновский. Систематизация и обобщение причин нарушения сейсмостойкости технологического оборудования АЭС и методов ее обеспечения.

49. Тяжелое машиностроение» № 8, 2000 г., Москва (с. 23-25).

50. В.В. Костарев, Д.Ю. Павлов и др. Повышение динамической надежности и продление срока службы трубопроводов при использовании технологии высоковязкого демпфера.

51. Тяжелое машиностроение» № 8, 2000 г., Москва (с. 26-33).

52. В.П. Глебов, С.П. Казновский, B.C. Ленский, Н.В. Смирнов. Динамические опоры для антисейсмического раскрепления оборудования и трубопроводов АЭС. «Энергомашиностроение», № 8, 1983 г., Москва (с. 33-35).

53. С.П. Казновский, B.C. Ленский, A.C. Плясов. Пути повышения технического уровня гидроамортизаторов. «Энергомашиностроение», № 2, 1986 г., Москва (с. 28-30).

54. A.C. Плясов, С.П. Казновский, Б.Н. Ведерников, O.A. Бычков.1. Антисейсмическая опора.

55. Авторское свидетельство № 1292400 от 22 октября 1986 г.

56. Х.У. Суюмбаев, П.С. Казновский. Методика испытаний на сейсмостойкость технологического оборудования в составе станционных систем. Препринт КБГУ 003-2001. Нальчик, 2001 г.

57. С.П. Казновский, Х.Д. Чеченов, П.С. Казновский, В.Ф. Мищенков, Х.У. Суюмбаев. Расчетно-эксперименталъный метод диагностики сейсмостойкости оборудования, установленного на АЭС. «Тяжелое машиностроение», № 8, 2000 г., Москва (с. 5-6).

58. Х.У. Суюмбаев. Расчетно-эксперименталъная проверка и обеспечение сейсмостойкости энергетического оборудования на пусковых и действующих АЭС. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. КБГУ, Нальчик, 1996 г., 121 с.

59. С.П. Казновский, В.И. Авдеев, Х.Д. Чеченов. Расчетно-эксперименталъная проверка сейсмостойкости оборудования I и II блоков Армянской АЭС. Итоговый отчет ВНИИАМ, ФПИ и КБГУ № 3611804. Москва, 1988 г.

60. Vol. 3H. IAEA, Vienna, Austria. 1996.

61. В.И. Федосьев. Сопротивление материалов. M., «Наука», 1967 г.

62. B.JI. Бидерман. Теория механических колебаний. М., «Высшая школа», 1980 г., 408 с.

63. S. Kaznovsky. Past VNIIAM experience related to WWER equipment testing. Working Material of IAEA "Benchmark Study.", Vol. 3H. IAEA, Vienna, Austria, 1996.

64. Х.У. Суюмбаев, П.С. Казновский. Методика диагностики и последовательность работ по обеспечению сейсмостойкости оборудования экологически опасных объектов. Препринт КБГУ 005-2001. Нальчик, 2001 г.

65. Х.У. Суюмбаев, П.С. Казновский. Методика выбора расчетной модели при расчетах на сейсмостойкость экологически опасных технических объектов. Препринт КБГУ 004-2001. Нальчик, 2001 г.

66. Н.В. Бутенин и др. Курс теоретической механики. Том II, М., «Наука», 1985 г., 496 с.