Расчеты при проектировании выполняются в соответствии с «Нормами расчета на прочность оборудования и трубопроводов ядерных установок общего или специального назначения», которые содержат как разделы с обязательными для исполнения положениями, так и приложения с рекомендациями по определению напряжений, проведению экспериментов, расчету типовых элементов и т. п.
В основу нормативных методов положены принципы оценки прочности по следующим предельным состояниям: кратковременному разрушению (вязкое и хрупкое);, пластической деформации по всему сечению детали; потере устойчивости; возникновению остаточных изменений формы и размеров, приводящих к невозможности эксплуатации элемента; появлению макротрещин при циклическом нагружении; разрушению в условиях ползучести при статическом и циклическом нагружении.
В расчетах по указанным предельным состояниям используют характеристики кратковременной прочности, пластичности и сопротивления деформированию материала, кривые усталости, не зависящие от времени. Если эксплуатация оборудования и трубопроводов происходит при температурах, вызывающих ползучесть материала, то расчет проводят по указанным выше предельным состояниям с использованием характеристик кратковременной и длительной статической и циклической прочности, кратковременной и длительной пластичности и ползучести.
Расчет состоит из двух частей, равно обязательных для выполнения: выбор основных размеров (выбирают размеры элементов, нагруженных внутренним или наружным давлением, их геометрические очертания, количество и диаметр болтов или шпилек); поверочный расчет (определяют прочность и долговечность элементов конструкций).
При поверочном расчете учитывают все действующие нагрузки (включая температурные воздействия) и рассматривают все режимы эксплуатации, включая гидро- и пневмоиспытания, нарушения нормальных условий эксплуатации, а также аварийные ситуации. Поверочный расчет включает: расчет на статическую прочность; расчет на устойчивость; расчет на циклическую прочность и длительную циклическую прочность; расчет на сопротивление хрупкому разрушению; расчет на длительную статическую прочность; расчет на прогрессирующее формоизменение; расчет на сейсмические воздействия; расчет на воздействие возможных динамических нагрузок; расчет на вибропрочность.
Расчет на статическую прочность ставит целью установить, что при всех значениях нагрузок (кроме сейсмических и динамических) и температурных воздействий на элемент напряжения не превышают допускаемых, определенных по предельным состояниям.
Расчет на устойчивость заключается в определении допускаемых нагрузок, превышение которых может вызвать потерю устойчивости элемента, основные размеры которого определены из условий прочности при нагружении его наружным давлением и сжимающими нагрузками. При этом возможна корректировка основных размеров.
Расчет с целью исключения появления трещин в элементах при циклическом и длительном циклическом нагружении выполняют на основе анализа общей и местной напряженности элементов. Допускаемые амплитуды напряжений определяют исходя из характеристик сопротивления усталостному разрушению, зависящих от температуры, с введением запасов по числу циклов и по напряжениям. В результате определяют допускаемое число заданных повторений эксплуатационных режимов для заданного рабочего ресурса или допускаемые тепловые и механические нагрузки для заданного числа повторений соответствующих эксплуатационных режимов и рабочего ресурса.
Расчет на сопротивление хрупкому разрушению проводят на основе сопоставления коэффициентов интенсивности напряжений с их допускаемыми значениями в целях исключения возможности хрупкого разрушения, оценивают допустимый радиационный ресурс элементов и сравнивают с заданным, уточняют параметры переходных режимов, определяют температуру гидравлических испытаний в процессе эксплуатации, число допускаемых повторений эксплуатационных режимов с учетом существования возможных дефектов.
При расчете на длительную статическую прочность ограничивают накопленное длительное статическое повреждение от действующих напряжений во всех режимах с целью исключения разрушения оборудования или
трубопроводов при длительном статическом нагружении.
Расчет на прогрессирующее формоизменение проводят на основе анализа напряженного состояния с целью исключения недопустимых остаточных изменений формы и размеров.
Расчет на сейсмические воздействия проводят с учетом совместного действия эксплуатационных и сейсмических нагрузок.
Оценка прочности элементов при динамических нагрузках проводится с учетом других эксплуатационных нагрузок по двум предельным состояниям. Первое характеризуется достижением в наиболее напряженной области элемента допускаемой пластической деформации, второе - достижением линейных или угловых перемещений, при которых может произойти нарушение работоспособности элемента.
При оценке вибропрочности элементов проводится сравнение частоты собственных колебаний с возмущающими частотами источников вибрации и оценка циклической прочности.
Приведенные (эквивалентные) напряжения, сопоставляемые с допускаемыми, определяются по теории наибольших касательных напряжений за исключением расчета на сопротивление хрупкому разрушению и расчета развития трещин, когда используют наибольшие растягивающие напряжения, действующие нормально к плоскости трещины.
Расчет напряжений без учета концентрации проводят в предположении линейноупругого поведения материалов, за исключением особо оговоренных случаев. При оценке напряжений за пределами упругости используется напряжение, называемое условным упругим, равное произведению упругопластической деформации в рассматриваемой точке на модуль упругости.
Допускаемые значения для расчетных данных (напряжений, числа циклов, времени эксплуатации, деформации и др.) выбирают различными в зависимости от типа элемента, характера его нагружения, режима работы, категории действующих напряжений.
При выборе основных размеров и в расчетах на статическую и циклическую прочность повышение пределов прочности и текучести под действием нейтронного облучения не учитывают. Снижение характеристик пластичности, сопротивления хрупкому и усталостному разрушению должно учитываться при проведении соответствующих расчетов.
Коррозионное воздействие рабочих сред (теплоносителя) следует учитывать как при выборе основных размеров (прибавка к толщине стенки), так и при поверочном расчете. В «Нормах» не приведено конкретных рекомендаций по учету изменения характеристик материалов под влиянием рабочих сред на стадии поверочного расчета, этот вопрос следует решать в процессе проектирования на основе экспериментальных данных. При этом особое влияние должно уделяться коррозионному растрескиванию под напряжением (транскри-сталлитному или интеркристаллитному, в том числе усиленному влиянием облучения), а также коррозионно-усталостным эффектам.
При проведении экспериментального обоснования прочности и ресурса особое внимание следует уделять подобию моделей, нагрузок и температур натурным, соответствию материалов и их состояния штатным, составу рабочих сред.
Нормы не регламентируют методы определения расчетных нагрузок элементов, внутренних усилий, перемещений, напряжений и деформаций. Вместе с тем регламентировано, что требуется учет всех расчетных нагрузок для всех расчетных случаев при обосновании прочности и долговечности. Ответственность за выбор метода определения нагрузок и расчет напряженно-деформированного состояния конструкции несет организация, выполняющая соответствующий расчет или эксперимент. Используемые при этом программные средства должны быть аттестованы в установленном порядке.
ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ
При выборе основных размеров расчетными нагрузками являются расчетное давление (внутреннее и наружное) и усилие затяжки резьбовых соединений, а при выборе диаметра болтов - максимальное усилие с учетом затяга, гидроиспытания и воздействия расчетного давления при расчетной температуре. Не учитывается повышение механических свойств материала в результате воздействия облучения.
В основу расчета по выбору основных размеров положен метод предельных нагрузок, соответствующих следующим предельным состояниям: вязкое разрушение; возникновение пластической деформации по всему сечению элемента. Влияние коррозии на толщину стенки элемента в зависимости от типа материала, контактирующего с коррозионноактивной средой, и условий его эксплуатации (длительность эксплуатации, рабочая среда и температура) учитывается как добавка к толщине стенки.
Необходимо учитывать отрицательный допуск, задаваемый конструктором на толщину стенки, и возможные технологические прибавки для компенсации утонения полуфабриката элемента при изготовлении (гибка, вальцовка).
ОРЯДОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ
Нормативный порядок определения напряжений является обязательным и устанавливает последовательность операций по определению напряжений от механических и температурных нагрузок при всех эксплуатационных режимах.
Установлены обязательные требования к формированию категорий и групп категорий напряжений в элементе конструкций, которые на последующих этапах расчета используются для оценки прочности по соответствующим критериям прочности.
Для физически возможной последовательности эксплуатационных режимов в наиболее нагруженных зонах элемента, выбираемых с учетом используемых критериев прочности, получают упругим расчетом напряжения без учета концентрации для всех моментов, в которых напряжения достигают экстремальных значений. Полученный процесс изменения напряжений используют в проверке статической прочности по категориям и группам категорий эквивалентных напряжений.
Аналогично получают процесс изменения номинальных напряжений от всех видов нагрузок для зон элементов с концентрацией напряжений, включая болты и шпильки, которые могут стать критическими при циклическом нагружении.
Напряжения можно рассчитать по теории оболочек или уточненными численными методами типа метода конечных элементов (МКЭ). В первом случае при определении местных напряжений концентрация напряжений учитывается теоретическими коэффициентами концентрации, а во втором - составляющие местных напряжений получают непосредственно из численного расчета.
Напряжения для поверочного расчета определяют после выбора основных размеров (толщины стенки) элементов, номинальные значения которых используются в дальнейшем.
Нагрузки, учитываемые в расчете.
Учитывают все расчетные нагрузки при всех расчетных режимах эксплуатации. Одним режимом может быть объединена группа режимов, если внешние нагрузки и температуры этих режимов не отличаются более чем на 5 % от принятых расчетных значений.
Основными нагрузками являются: внутреннее и наружное давление; масса элемента и его содержимого; дополнительные нагрузки (масса присоединенных изделий, изоляции трубопроводов и т.д.); усилия от реакции опор и трубопроводов; температурные воздействия; вибрационные нагрузки; сейсмические нагрузки; усилия затяжки болтов и шпилек; специальные динамические нагрузки, связанные с особенностями эксплуатации АЭУ.
Основными расчетными режимами эксплуатации являются: затяг болтов и шпилек; гидро/пневмоиспытания; пуск; стационарный режим; работа системы аварийной защиты; изменение мощности реактора; остановка; нарушение нормальных условий эксплуатации; аварийная ситуация.
СТАТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
Под термином «статическая прочность» понимают сопротивление разрушению при монотонном статическом или квазистатиче-ском нагружении.
При расчете сопоставляют максимальные уровни категорий и групп категорий напряжений, соответствующих значениям механических и температурных нагрузок и температур в режимах работы элемента, с допускаемыми значениями, указанными в табл. 1.5.3.
Условия прочности проверяют при всех расчетных нагрузках, кроме вибрационных, во всех эксплуатационных режимах.
УСТОЙЧИВОСТЬ
Толщину стенок деталей типа оболочек, нагруженных наружным давлением, превышающим внутреннее, или сжимающими силами, определяют по критериям устойчивости.
Расчетные формулы установлены только для элементов конструкций определенных форм. Так, в «Нормах» они предусмотрены для элементов, указанных в табл. 1.5.4, с ограничениями по их применению.
ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
Расчет проводится с учетом типов и числа циклов приведенных напряжений, сформированных на основе всех эксплуатационных режимов работы и нагружения, включая условия испытаний и нарушения нормальных условий эксплуатации, а для элементов стационарных АЭУ - с учетом циклов нагружения от сейсмических воздействий (если суммарное усталостное повреждение без их учета превышает 0,8).
Исходные данные для расчета. Необходимы данные об условиях нагружения, свойствах материала, эксплуатационных воздействиях на него. Для цикла напряжений (реальных или за пределами упругости - условных упругих) каждого типа определяются: максимальное напряжение, амплитуда напряжения, число циклов при эксплуатации элемента, а также максимальная и минимальная температура цикла в рассматриваемой зоне элемента. При сочетании низкочастотного и высокочастотного нагружений необходимы сведения об их частотах.
Для учета эксплуатационных воздействий (рабочая среда, нейтронное облучение) необходимы соответствующие данные (флюенс и энергия нейтронов, состав среды). «Нормами...» рекомендованы коэффициенты снижения циклической прочности материалов в зависимости от флюенса нейтронов, а также коэффициенты влияния натриевого теплоносителя.
Может потребоваться учет локального состава водного теплоносителя в контуре, состояния металла и наличия вредных примесей, например серы в низколегированных сталях, скорости деформации. Соответствующие данные и рекомендации приводятся в проектной документации и специальных методических рекомендациях.
Двухчастотное нагружение. «Нормы» учитывают увеличение усталостного повреждения в случаях наложения высокочастотных циклов на низкочастотные (рис. 1.5.4), например, наложение вибраций на циклы нагружения, связанные с разогревом и расхолаживанием контура. Коэффициенты снижения допускаемого числа низкочастотных циклов в зависимости от соотношения амплитуд напряжений и частот циклов могут достигать нескольких десятков раз. Эти коэффициенты определяются по формулам, приведенным в «Нормах», или экспериментально.
«Нормами» установлены приемы приведения случайного характера вибрационного нагружения к гармоническим колебаниям с «эквивалентными» амплитудами и частотами.
Особенности расчета на длительную циклическую прочность. Расчет на длительную циклическую прочность проводят для элементов конструкций, работающих при температурах, вызывающих ползучесть, и нагружаемых повторными температурными или механическими усилиями.
«Нормы» содержат рекомендуемый метод расчета на длительную циклическую прочность. При этом рассчитываемый элемент должен удовлетворять: 1) условиям прочности, принимаемым при выборе основных размеров во всем интервале эксплуатационных температур; 2) условиям прочности при расчете на длительную статическую прочность.
ХРУПКАЯ ПРОЧНОСТЬ
При расчетах на хрупкую прочность используется линейная упругая механика разрушения (ЛУМР). Уровень нагруженности элемента с постулируемой трещиной характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений . Рассматриваются напряжения, нормальные к плоскости расположения трещин.
При расчетах АЭУ различные условия нагружения элементов при эксплуатации относят к одной из четырех групп:
нормальные условия эксплуатации (НУЭ), включающие предусмотренные регламентом режимы, не связанные с выходом из строя какого-либо элемента или системы безопасности, который требует остановки реактора; гидравлические испытания (ГИ); нарушения нормальных условий эксплуатации (ННУЭ), включающие режимы, связанные с выходом из строя какого-либо элемента или системы безопасности, который требует остановки реактора; аварийная ситуация (АС).
Имеющийся опыт эксплуатации и расчетно-экспериментальные исследования показывают, что для трубопроводов, изготовленных из вязких материалов и имеющих высокое сопротивление нестабильному росту трещин, вероятность гипотетического гильотинного разрушения крайне мала.
Мгновенному катастрофическому разрушению всегда предшествует устойчивый док-ритический рост трещины. Это позволяет либо обнаружить трещину при периодическом контроле металла задолго до того, как она станет сквозной, либо обнаружить течь с помощью системы контроля течей прежде, чем сквозная трещина может достигнуть критической длины. В результате становится возможным обнаружить дефектное сечение трубы и безопасно остановить реактор, тем самым исключив внезапный разрыв трубопровода. В этом и состоит концепция «течь перед разрушением» (ТПР) [4].
Методология концепции ТПР главным образом базируется на анализе проектных условий нагружения действующих АЭУ с учетом возможных отклонений от них. Учитываются также возможности методов контроля за состоянием металла, мониторинга условий эксплуатации, системы обнаружения течи, а также имеющийся опыт эксплуатации рассматриваемых элементов конструкций или их аналогов на других АЭУ с позиций всех возможных нагрузок или механизмов трещинообразования.
Расчетный (постулируемый) дефект следует располагать в местах наиболее неблагоприятной комбинации напряжений и свойств материала.
В результате анализа находят расчетные коэффициенты запаса: по чувствительности системы контроля течи; по размерам выявляемой трещины; по максимальной расчетной нагрузке. Эти коэффициенты сравниваются с допускаемыми значениями, являющимися критериями применимости концепции ТПР. Возможна также оценка найденных значений коэффициентов с позиций их достаточности. В этом случае проводится анализ чувствительности полученных результатов к степени неопределенности входных параметров.
При использовании концепции ТПР должны учитываться нормативные требования к проектированию, изготовлению, монтажу и анализу прочности рассматриваемых элементов конструкций, к используемым материалам, а также к контролю за состоянием металла и параметров эксплуатации.
Для особо ответственных с точки зрения безопасности элементов трубопроводов наряду с расчетным обоснованием концепции ТПР проводят экспериментальное подтверждение используемых процедур. Путем испытаний на циклическое нагружение и разрушение крупномасштабных моделей и полноразмерных элементов трубопроводов определяют механизм разрушения поверхностных и сквозных трещин. Проводят также испытания по верификации методов обнаружения течи.
Путем расчета должно быть продемонстрировано, что постулированная сквозная трещина является стабильной при максимальной расчетной/аварийной нагрузке, например в режиме НУЭ+МРЗ (MP3 - максимальное расчетное землетрясение). Анализ стабильности проводится для найденного напряженного состояния с учетом минимальных гарантированных свойств материала и верифицированных методов нелинейной механики разрушения.
Оценка скорости истечения теплоносителя через сквозную трещину выполняется с использованием методов термогидравлического анализа с учетом площади раскрытия трещины, рассчитанной на базе методов механики разрушения при максимальных гарантированных свойствах материала. Учитывается также возможный усталостный подрост трещины при эксплуатации.