Разработка отечественных требований к обоснованию прочности элементов атомных энергетических установок (АЭУ) началась в 1971 году, уже после публикации соответствующего раздела (Части III) американского Кода ASME. Этот опыт был учтен, что привело к значительному сходству российских и американских методов расчета на статическую, циклическую и хрупкую прочность. Тем не менее, в действующих нормативных документах сохранился ряд принципиальных отличий. Эти различия отражают национальные особенности в проектировании, производстве и монтаже оборудования, а также исторические пути развития атомной энергетики в разных странах.
Поскольку многие зарубежные стандарты тесно связаны с Кодом ASME, наиболее показательным является именно сравнение российских «Норм» с этим документом. Это позволяет выявить ключевые особенности и расхождения в подходах к обеспечению безопасности.
Основные различия в принципах расчета
Одним из фундаментальных отличий являются допускаемые напряжения. Например, для аустенитных нержавеющих сталей коэффициент запаса по пределу текучести в российских нормах примерно на 35% выше, чем в ASME. В то же время, по пределу прочности ASME устанавливает более жесткие требования, с коэффициентом запаса на 5–15% выше российского. Для болтовых соединений разница еще заметнее: коэффициент запаса в Коде ASME в 1,5 раза превышает российский.
Конструктивные особенности и расчет напряжений
При выборе основных размеров наблюдаются существенные расхождения. Так, максимально допустимый диаметр одиночного отверстия, не требующего укрепления, по Коду ASME значительно меньше, чем по российским нормам. Кроме того, подходы к укреплению таких отверстий принципиально разные: российские нормы требуют строгой компенсации изъятого металла, в то время как ASME допускает уменьшение укрепляющих элементов на основе результатов поверочного прочностного расчета.
Хотя в основе определения напряжений в обеих странах лежит теория упругости (с допущением упругопластических расчетов), методы коррекции результатов в зонах концентрации напряжений различаются. Российские нормы используют гипотезу об эквивалентности плотности энергии деформации, а ASME применяет интерполяционное соотношение, которое в некоторых случаях может давать менее консервативные оценки. Также российские документы более четко регламентируют формирование расчетных циклов для анализа усталости.
Оценка статической и циклической прочности
При оценке статической прочности состав контролируемых групп напряжений в целом совпадает. Однако российские нормы, в отличие от ASME, не предусматривают раздельного ограничения местных мембранных напряжений и напряжений компенсации. Требования к ограничению размаха суммарных напряжений также разнятся в зависимости от свойств стали и условий нагружения, причем в некоторых случаях российские нормы могут быть менее консервативными, особенно если деформации не влияют на работоспособность узла.
В вопросах циклической прочности (усталости) подходы имеют как сходства, так и важные различия. Российские нормы в большей степени опираются на расчетные кривые усталости, основанные на гарантированных свойствах материалов, в то время как ASME использует экспериментальные кривые, полученные для материалов с улучшенными характеристиками. Учет влияния температуры, асимметрии цикла и таких факторов, как сварка, облучение и коррозия, также реализован по-разному. Например, российские нормы учитывают снижение прочности сварных швов и эффект наложения высокочастотных циклов, что не предусмотрено в ASME. Несмотря на формальное различие коэффициентов запаса по числу циклов (10 в РФ против 20 в ASME), их консервативность можно считать сопоставимой из-за использования разных критериев разрушения (образование трещины vs развитое разрушение).
Хрупкая прочность, устойчивость и испытания
Расчет на хрупкую прочность в обоих документах базируется на линейной механике разрушения, но с использованием разных характеристик: в России это статическая вязкость разрушения (KIc), а в ASME — динамическая (KIr), что является более консервативным подходом. Различаются также применяемые коэффициенты запаса и модели постулируемых дефектов.
Подходы к расчету на устойчивость оболочек под внешним давлением также структурно отличаются. В ASME прочность и устойчивость проверяются совместно с помощью номограмм, а в российских нормах это два независимых этапа расчета.
Требования к гидравлическим испытаниям и испытаниям на усталость имеют свои особенности. Давление при испытаниях по российским правилам может быть как выше, так и ниже, чем по ASME. Все циклы испытаний в РФ обязательно учитываются в расчете на усталость. Критерии разрушения при испытаниях образцов также различаются: в России фиксируется появление трещины заданного размера, а в ASME — образование течи.
Заключение: сходство, различия и перспективы гармонизации
В целом, наблюдается значительное сходство нормативных подходов России и США. Российские нормы в большинстве случаев демонстрируют большую консервативность, хотя есть и исключения, где более жесткие требования предъявляет Код ASME. Важно отметить, что многолетний успешный опыт эксплуатации АЭС, спроектированных как по российским нормам, так и по ASME (в России, странах Восточной Европы и Финляндии), свидетельствует о высокой надежности обоих подходов. Это указывает на наличие значительного потенциала для дальнейшего совершенствования нормативных документов, их взаимного обогащения и гармонизации на международном уровне.