Исследование вероятностных закономерностей достижения предельных состояний элементов оборудования и трубопроводов аэс во время их эксплуатации



страница1/8
Дата12.06.2016
Размер1.12 Mb.
ТипДиссертация
  1   2   3   4   5   6   7   8


ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций» (ОАО «ВНИИАЭС»)

На правах рукописи

КУЗЬМИЧЕВСКИЙ АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДОСТИЖЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АЭС ВО ВРЕМЯ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.14.03 ЁC Ядерные энергетические установки, включая

проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации


ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель ЁC

доктор технических наук,

профессор Гетман А.Ф. 


Москва 2014


ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 6

Глава 1. Обзор существующих подходов и методов 13

Формально-статистические подходы 13

1.1.1 Простейшие модели 13

1.1.2 Марковские процессы 16

1.1.3 Метод Монте-Карло 16

1.1.4 Теория риска 17

Физико-статистический подход. Методики, использующие бездефектную модель конструкционного материала 18

1.2.1 Вероятность разрушения при случайном статическом нагружении. Методика А.Р. Ржаницына 19

1.2.2 Вероятности разрушения при циклическом нагружении, вызывающем усталость конструкционного материала 22

Физико-статистический подход с учетом дефектов и с использованием биномиального распределения 24

1.3.1 Основные закономерности поведения элементов конструкций с дефектами типа трещин 24

1.3.1.1 Дефектность оборудования и трубопроводов и результаты их неразрушающего контроля 24

1.3.1.2 Результаты исследования достоверности контроля, полученные по программе PISC 26

1.3.1.3 Критический и допустимый размер дефекта 30

1.3.1.4 Оценка подрастания несплошности при циклическом нагружении 32

1.3.1.5 Рост несплошностей при статическом нагружении в условиях коррозионно-активной среды 33

1.3.2 Методика определения вероятности разрушения с использованием биномиального распределения 34

Выводы по первой главе 40

Глава 2. Разработка вероятностных методов оценки прочности 41

2.1 Разработка методики расчета вероятности достижения предельных состояний по критериям перехода сечения в пластическое состояние или достижения мембранными напряжениями величины предела прочности 42

2.1.1 Исходные положения 42

2.1.2 Алгоритм расчета и программное средство 42

2.1.3 Верификация программного средства 43

2.2 Разработка методики расчета вероятности достижения предельных состояний с учетом остаточной дефектности элементов оборудования и трубопроводов 46

2.2.1 Остаточная дефектность 46

2.2.1.1 Уравнения для количественной оценки остаточной дефектности материала конструкции 47

2.2.1.2 Оценка исходной дефектности, остаточной дефектности и выявляемости дефектов по результатам контроля 48

2.2.1.3 Достоверная и вероятностная части остаточной дефектности 53

2.2.2 Методика и алгоритм определения критических и допустимых дефектов в эксплуатации 56

2.2.3 Упрощенная методика определения вероятности разрушения 56

2.2.4 Совместное распределение трех независимых величин. Обобщенная методика 59

2.3 Программный комплекс ПН-1.1 62

2.4 Выводы по второй главе 64

Глава 3. Исследование вероятностных закономерностей достижения предельных состояний элементов оборудования и трубопроводов АЭС во время их эксплуатации 65

3.1 Критерии прочности и нормативные коэффициенты запаса 65

3.1.1 Критерии прочности и коэффициент запаса при статическом нагружении в вязком состоянии 65

3.1.2 Критерии прочности и коэффициент запаса при циклическом нагружении 66

3.1.3 Критерии разрушения и коэффициент запаса при хрупком состоянии конструкций с трещинами 67
3.2 Выбор материалов для исследования 69
3.3 Исследование влияния статистических характеристик нагрузки и предела текучести на вероятность перехода сечения элемента конструкции в пластическое состояние 70

3.3.1 Построение кривой плотности распределения вероятности для предела текучести 70

3.3.2 Построение кривой плотности распределения вероятности для мембранного напряжения 73

3.3.3 Входные данные для расчетов 74

3.3.4 Исследование влияния размахов µ § и µ § 75

3.3.5 Исследование влияния величины среднеквадратичного отклонения µ § при постоянной величине µ § 78

3.3.6 Исследование влияния величины среднеквадратичного отклонения µ § при изменяющейся величине µ § 80

3.3.7 Исследование влияния среднеквадратичного отклонения µ § и среднего значения предела текучести µ § при постоянной величине µ § и µ § 83

3.3.8 Исследование влияния превышения µ § величины µ § 84

3.3.9 Исследование влияния отбраковки стали по критерию предела текучести на вероятность перехода сечения в пластическое состояние 88

3.3.10 Исследование влияния коэффициентов запаса прочности по пределу текучести на вероятность перехода сечения в пластическое состояние 89

3.3.11 Выводы по разделу 3.3 92


3.4 Исследование влияния статистических характеристик нагрузки и предела прочности на вероятность разрушения 93

3.4.1 Построение кривых плотностей распределения вероятностей для мембранного напряжения и предела прочности 93

3.4.2 Входные данные для расчетов 94

3.4.3 Исследование влияния величины среднеквадратичного отклонения µ § при постоянной величине µ § 95

3.4.4 Исследование влияния величины среднеквадратичного отклонения µ § при изменяющейся величине µ § 96

3.4.5 Исследование влияния среднеквадратичного отклонения µ § и среднего значения предела прочности µ § при постоянной величине µ § и µ § 97

3.4.6 Выводы по разделу 3.4 98
3.5 Циклическое нагружение конструкции 99

3.5.1 Исследование влияния коэффициента запаса прочности по напряжению на вероятность разрушение при циклическом нагружении конструкции 101

3.5.2 Выводы по разделу 3.5 102
3.6 Расчет вероятности хрупкого разрушения в различных режимах эксплуатации 103
3.7 Исследование влияния характеристик неразрушающего контроля, разброса прочностных свойств и разброса напряжений на вероятность хрупкого разрушения 105

3.8 Выводы по третьей главе 109

Глава 4. Применение разработанных методов для решения практических задач 112

4.1 Разработка норм дефектов СС23 патрубка Ду1100 парогенератора ПГВ-440 реакторной установки ВВЭР-440 112

4.2 Расчет живучести цилиндров давления прессов для штамповки желзнодорожных колес 125

4.2.1 Исходные данные 125

4.2.2 Задача анализа 129

4.2.3 Расчетный анализ трещиностойкости (живучести), остаточного ресурса и условий безопасной эксплуатации 130

4.2.4 Выводы 135

4.3 Исследование вероятностей возникновение течей или разрушения ГЦТ Ду500 РУ АЭС с ВВЭР-440 применительно к АЭС Моховце, блок 3 136

4.3.1 Оценка вероятности образования течи 137

4.3.2 Анализ времени стабильного подроста сквозной трещины с обнаруживаемой течью до критического размера 140

4.3.3 Оценка вероятности разрушения трубопровода без течи 142

4.4.4. Выводы 148


4.4 Выводы по четвертой главе 149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 150

Список сокращений и условных обозначений 154

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 155


ВВЕДЕНИЕ


Увеличение числа АЭС, рост единичных показателей мощностей энергетических реакторов, размещение их в районах с высокой плотностью населения требует высокого уровня надежности оборудования атомных электростанций.

Надежность пассивных элементов безопасности АЭС, прежде всего оборудования и трубопроводов третьего барьера безопасности, в значительной степени определяет уровень безопасности и экономических показателей АЭС. Так разрыв главного циркуляционного трубопровода является началом максимальной проектной аварии, а корпуса реактора ЁC запроектной аварии, от которой в проекте нет защиты.

В соответствии с нормативными документами (ОПБ-88/97, ПНАЭ Г 7-002-86) в проектный срок эксплуатации АЭС не должны появляться повреждения и разрушения. При этом вероятность разгерметизации в контуре должна быть не выше 1*10-5 на реактор в год, а для корпуса реактора ЁC 1*10-7 на реактор в год. В действительности, в эксплуатации выявляются дефекты металла типа трещин, а в ряде случаев имели место разрушения.

Вследствие этого является актуальным исследование вероятностных закономерностей достижения элементами оборудования и трубопроводов предельных состояний и практическое использование полученных результатов для повышения безопасности АЭС во время их эксплуатации.

Существующие методы оценки прочности в вероятностном аспекте либо трудоемки (например, метод А.Р. Ржаницына), либо не в полной мере учитывают остаточную дефектность материала и её связь с качеством изготовления и достоверностью неразрушающего контроля.

В настоящей диссертационной работе сделана попытка преодолеть указанные недостатки. Выполнен анализ возможности достижения предельных состояний с ориентацией на действующие нормативные документы в области атомной энергетики. Практическое применение разработанных методов показано на примере решения конкретных задач, возникающих во время эксплуатации АЭС.

Цели и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы - разработка методов, алгоритмов и программного комплекса, позволяющих проведение расчетов вероятностей достижения предельных состояний элементов оборудования и трубопроводов АЭС и их применения для решения задач эксплуатации АЭС.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Разработать методику, алгоритм и расчетную программу для определения вероятностей достижения предельных состояний по критериям перехода сечения в пластическое состояние, достижения мембранными напряжениями величины предела прочности и достижения предельного состояния по критериям усталости, в том числе: исследовать влияние величин коэффициентов запаса прочности по пределу текучести, по пределу прочности и пределу усталости на вероятность достижения предельных состояний;

2) Разработать методику, алгоритм и расчетную программу для определения вероятностных характеристик надежности с учетом статистических функций остаточной дефектности, прочностных свойств и напряжений при хрупком и вязком состоянии конструкции, в том числе:

ЁC исследовать влияние характеристик неразрушающего контроля и остаточной дефектности на надежность;

ЁC исследовать уровень надежности элементов оборудования при хрупком состоянии с использованием нормативно установленных коэффициентов запаса прочности.

Научная новизна работы. В ходе решения поставленных задач в работе:

1) Разработана методика, алгоритм и расчетная программа для определения вероятностей достижения предельных состояний по критериям перехода сечения в пластическое состояние или достижения мембранными напряжениями величины предела прочности;

1.1) Исследовано влияние размахов (области возможных значений случайной величины) прочностных характеристик и мембранных напряжений на вероятность достижения элементом конструкции предельного состояния и показано, что вероятность достижения предельного состояния существенно зависит от размаха величин напряжений, предела текучести и предела прочности до четырехкратной величины среднеквадратичного отклонения;

1.2) Определены количественные влияния среднеквадратичного отклонения мембранных напряжений на вероятности достижения предельных состояний элементов трубопроводов (сосудов) давления, изготовленных из основных конструкционных сталей атомного машиностроения: Ст.20, 08Х18Н10Т и 10ГН2МФА;

1.3) Исследовано влияние совместного изменения среднего значения мембранного напряжения (µ §) и среднеквадратичного отклонения мембранного напряжения (µ §) на вероятности достижения предельных состояний элементов трубопроводов (сосудов) давления, изготовленных из сталей: Ст.20, 08Х18Н10Т и 10ГН2МФА, и показано, что, несмотря на уменьшение значения µ §, увеличение значения µ §, при постоянном значении величины µ §(что соответствует максимальному значению µ § с достоверностью 95%: µ §), приводит к увеличению вероятности перехода сечения в пластическое состояние;

1.4) Исследовано влияние совместного изменения среднего значения предела текучести µ § и среднеквадратичного отклонения предела текучести µ § и показано, что, несмотря на уменьшение значения µ §, при постоянном значении величины µ §, вероятность разрушения резко уменьшается, следовательно, среднеквадратичное отклонение оказывает решающее влияние на вероятность перехода сечения в пластическое состояние;

1.5) Исследовано влияние отбраковки стали по критерию предела текучести (в соответствие с требованиями нормативного документа ПНАЭГ-7-010-89) на вероятность перехода сечения в пластическое состояние и показано, что отбраковка стали по критерию предела текучести приводит к существенному уменьшению вероятности перехода сечения в пластическое состояние;

1.6) Исследовано влияние величин коэффициентов запаса прочности по пределу текучести и по пределу прочности на вероятность достижения предельных состояний по критерию перехода сечения в пластическое состояние или достижения мембранными напряжениями величины предела прочности. Сделан вывод о принципиальной возможности снижения коэффициентов запаса прочности, указанных в нормативных документах;

2) Разработана методика, алгоритм и расчетная программа для определения остаточной дефектности, включая достоверную и вероятностную части остаточной дефектности, а также характеристики изменения остаточной дефектности во время эксплуатации; показано, что на остаточную дефектность решающее влияние оказывает исходная дефектность и коэффициент выявляемости дефектов, а чувствительность средств и методов контроля оказывает незначительное влияние;

3) Разработана методика, алгоритм и расчетная программа для определения характеристик надежности с учетом статистических функций остаточной дефектности, прочностных свойств и напряжений при хрупком и вязком состоянии конструкции; при этом исследовано влияние характеристик качества элемента конструкции, достоверность неразрушающего контроля и остаточной дефектности на прочностную надежность;

4) Разработана методика, алгоритм и расчетная программа для определения вероятности разрушения при циклическом нагружении конструкции, и исследованы вероятности разрушения при различных коэффициентах запаса прочности;

5) Исследован уровень надежности элементов оборудования из корпусной стали 15Х2НМФА при хрупком состоянии с использованием нормативно установленных коэффициентов запаса прочности в режимах нормального условия эксплуатации (НУЭ), гидроиспытаний (ГИ) и аварийной ситуации (АС).

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в том, что результаты работы могут быть использованы для:

ѓ{ оценки фактического состояния элементов оборудования и трубопроводов с учетом характеристик остаточной дефектности;

ѓ{ оценки фактического уровня надежности элементов оборудования и трубопроводов по критериям разрушения, течи или существования дефектов недопустимого размера;

ѓ{ разработки и обоснования технических мероприятий для обеспечения надежности и безопасности АЭС.

Методология и методы исследования. Представленная в диссертации методология исследования основывается на методах науки о прочности, статистическом анализе и теории вероятности. Методологической базой послужили труды отечественных и зарубежных ученых и специалистов по вопросам надежности и безопасности в технике. При проведении исследований использовалась доработка существующих и разработка новых методов исследования вероятности достижения предельных состояний элементов оборудования и трубопроводов во время эксплуатации АЭС. В качестве инструментария для решения практических задач использовалась система Maple, с помощью которой были реализованы разработанные методы и обобщены в программном комплексе ПН-1.1.

Основные положения, выносимые на защиту

1) Методика исследования вероятности достижения предельных состояний бездефектного материала;

2) Вероятностные методы оценки прочности, учитывающие дефектность элементов конструкций;

3) Результаты, полученные с использованием разработанных методик и программного комплекса.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

При разработке методик расчета вероятностей достижения предельных состояний использовали известные и хорошо экспериментально обоснованные уравнения теории прочности и механики разрушения, а также теории вероятностей и математической статистики. Полученные результаты и разработанные методики подтверждаются известными теоретическими моделями. Результаты, полученные разными методами исследования, согласуются между собой. Опубликованные результаты согласуются с рядом результатов других авторов.

Вклад автора в разработку научного направления

Автор диссертации принимал активное участие в разработке методов к решению поставленных задач. Автору принадлежит разработка методов расчета надежности по критериям разрушения, течи или существования дефектов недопустимого размера, сбор и обработка исходных данных, разработка программного комплекса ПН-1.1 и выполнение расчетов с его использованием, исследование влияния различных характеристик неразрушающего контроля, надежности и остаточной дефектности.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: Международный семинар «Старение и ВАБ. Надежность оборудования и трубопроводов», (EC JRC Institute for Energy, ОАО «ВНИИАЭС», Москва, 2008); Третья международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», DFMN-2009, (ИМЕТ РАН, Москва, 2009); Шестой межотраслевой семинар «Прочность и надежность оборудования», (Госкорпорация «Росатом», ОАО «НИКИЭТ», ООО «ИЦП МАЭ», Звенигород, Московская обл., 2009); Восьмой Международный семинар по горизонтальным парогенераторам (ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, 2010); Седьмая Международная научно-техническая конференция «Безопасность, экономика и эффективность атомной энергетики», МНТК-2010, (Москва, 2010); Седьмая конференция «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность», (г. Геленджик, Краснодарский край, 8ЁC12 октября 2012г., Госкорпорация «Росатом», ОАО «НИКИЭТ», ООО «ИЦП МАЭ»).

По теме диссертации опубликовано 13 научных трудов в виде статей в журналах, текстов докладов в сборниках трудов конференций, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в перечень журналов рекомендованных Высшей аттестационной комиссией (ВАК). Кроме того, выпущено 5 научно-технических отчетов в ОАО «ВНИИАЭС».

Внедрение работы

Полученные в работе результаты представляют практический интерес и востребованы специалистами в области эксплуатации оборудования и трубопроводов АЭС. Разработанные методики и расчетный комплекс ПН-1.1 используется в настоящее время в ОАО «ВНИИАЭС».

Разработки диссертации реализованы в расчетах при выполнении следующих работ:

- «Неразрушающий контроль на АЭС. Расчётное обоснование надёжности и безопасной эксплуатации 3ПГ-1 Нововоронежской АЭС после ремонта сварного соединения №23», ОАО «ВНИИАЭС», Москва, 2007;

- «Анализ трещиностойкости (живучести), остаточного ресурса и условий безопасной эксплуатации цилиндра силой 35МН после частичного ремонта несплошностей нагружения», ЗАО КЦНБРАС, Москва, 2008;

- «Уточнение кинетики роста трещин сварных соединений СС№23 на основе анализа механики разрушения и фрактографических исследований трещин, выявленных в ППР-07. Определение критических и допустимых в эксплуатации размеров дефектов в районе СС №23 и условий гидроиспытаний по 2 контуру, обеспечивающих безопасную эксплуатацию патрубков Ду1100 ПГ блоков 1 и 2 Кольской АЭС», ОАО «ВНИИАЭС», Москва, 2008;

- «Нормы дефектов сварных соединений СС№23 патрубков Ду1100 парогенераторов реакторных установок ВВЭР-440 энергоблоков №3 и №4 Нововоронежской АЭС и энергоблоков №1 и №2 Кольской АЭС», ОАО «Концерн Росэнергоатом», Москва, 2009;

- «Анализ надежности и безопасности эксплуатации трубопроводов ГЦТ Ду500 и ДТ Ду200 АЭС Моховце с РУ ВВЭР-440, блок 3», контракт №4600005433(1820/10) от 16.06.2010г. между АЭС Моховце (Словакия) и ОАО «ВНИИАЭС» (РФ).


Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав с описанием аналитического обзора литературы, разработанных методик, результатов исследований и практического применения, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы, который включает 56 наименований.

Работа изложена на 160 страницах, содержит 95 рисунков и 15 таблиц.

Глава 1. Обзор существующих подходов и методов

Безопасность АЭС обеспечивается активными и пассивными элементами [1]. К пассивным элементам относятся, прежде всего, все элементы 1, 2, 3 и 4 барьеров безопасности АЭС, а также механические элементы систем, важных для безопасности. Важнейшими элементами, определяющими во многом уровень надежности и безопасности АЭС, а также и экономические характеристики во время эксплуатации, являются оборудование и трубопроводы. Достаточно отметить, что началом максимальной проектной аварии является разрыв главного циркуляционного трубопровода; локализация этой аварии требует введение в действие целого ряда систем безопасности. Запроектной аварией, от которой нет проектных средств защиты, является разрыв корпуса реактора.
1.1 Формально-статистические подходы

Вопросы надежности были поставлены впервые в связи со статистическим истолкованием коэффициентов запаса прочности (коэффициентов безопасности) в 30-х годах прошлого века. Однако в современном виде теория надежности развилась в связи с бурным развитием электроники и вычислительной техники. Электронные системы состоят из большого числа элементов, надежность которых была известно из стендовых испытаний. Основной задачей теории надежности было определение надежности всей системы по известным характеристикам надежности ее элементов. При этом механизмы отказов отдельных элементов не рассматриваются. Такой подход в теории надежности получил название системной теорией надежности. Его еще можно назвать формально-математическим, или формально-статистическим, или (в связи с тем, что в рамках этой теории механизмы повреждений и отказов не рассматриваются) феноменологическим.

1.1.1 Простейшие модели

В работах [2-11, и др.] была сделана попытка оценить надежность отдельных элементов оборудования и трубопроводов на основе анализа данных их эксплуатации. Этот подход условно можно назвать простейшим, так как он основан на простом анализе и статистической обработке результатов эксплуатации.

В работе [2] отмечено, что АЭС, как большие технические системы, используют большое число различных материалов, которые работают в различных условиях. Множество факторов может вызвать деградацию функциональной способности их элементов. Как показывает опыт эксплуатации, отказы механических элементов произошли из-за процессов деградации, типа общей и местной коррозии, эрозии, радиации и термического воздействия, которые вызвали охрупчивание, усталость материалов и изнашивание [2, 3].

Примеры некоторых отказов [2-11], связанные со старением показывают, возможность значительного уменьшения безопасности станции, так как существует возможность повредить один или более уровней её защиты. Старение может привести к крупномасштабной деградации физических барьеров безопасности и их компонентов, привести к увеличению вероятности отказа по общей причине. Это может также привести к сокращению запасов прочности, обеспеченных при проектировании и предусмотренных нормативными требованиями, и, в конечном счете, к снижению безопасности.

Механические элементы представляют угрозу безопасности, связанную со старением, еще и потому, что они могут незаметно повреждаться, вплоть до катастрофического отказа. Механические элементы не имеют достаточной статистики отказов для анализа. Приемлемые данные для статистического анализа могли бы быть получены из данных мониторинга. Так как сбор данных для механических компонентов является очень дорогостоящим и малоинформативным, то они иногда изучаются моделированиями.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница