РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ
advertisement
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАДЁЖНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ № 111 ПАРОГЕНЕРАТОРА ПГВ-1000М С.Л. Лякишев, Н.Б. Трунов, С.А. Харченко, В.В. Денисов, Н.Ф. Коротаев ОАО ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия Введение Первые повреждения парогенератора ПГВ-1000М в зоне сварного соединения №111 "горячего" коллектора были обнаружены на ПГ-1 блока №5 НВАЭС в ноябре 1998 года. В дальнейшем подобные повреждения были обнаружены на семи парогенераторах и на трех из них повторно [1]. Предотвращение повреждений парогенератора ПГВ-1000М в зоне сварного соединения № 111 оказалось сложной научно-технической задачей. На рис. 1 показан парогенератор ПГВ-1000М и коллектор с повреждением в зоне сварного соединения № 111. На рис. 2 показано количество поврежденных парогенераторов в зависимости от года обнаружения повреждения. Рис. 1 Парогенератор ПГВ-1000М Все повреждения коллекторов обусловлены образованием трещин различной протяженности. По заключению созданных для расследования специальных комиссий и технических советов повреждение коллекторов парогенераторов было вызвано совокупным воздействием напряжений и коррозионно-активной среды на металл коллектора – сталь 10ГН2МФА. Рис. 2 Количество поврежденных парогенераторов в зависимости от года обнаружения повреждения. Известно, что при воздействии напряжений на уровне предела текучести и коррозионно-активной среды сталь 10ГН2МФА проявляет склонность к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию (ЗДКР) в температурном интервале 260 - 275 °С. Напряженное состояние металла коллектора определяется воздействием различных факторов (давление по первому и второму контурам, температурное поле, остаточные технологические напряжения и др.). Исследование напряженного состояния ПГ в зоне сварного соединения № 111 Для исследования напряженного состояния зоны сварного соединения №111 парогенератора ПГВ-1000М в среде Solid Works создана расчетная область, которая включает в себя обечайки корпуса с патрубками Ду 1200 и Ду 800, подкладные листы с приваренными к ним верхними частями опор ПГ, коллекторы теплоносителя, главные циркуляционные трубопроводы, корпус главного циркуляционного насоса, часть обечайки корпуса реактора с патрубками Ду 800. В расчетной области (для её упрощения) не рассматриваются: крышка реактора, крышки коллекторов теплоносителя и люков Ду 800, а так же эллиптические днища ПГ. Такая расчетная область позволяет наиболее точно определить вклад в напряженное состояние зоны сварного соединения №111 всех нагружающих факторов. Для корректного учета усилия со стороны ГЦТ расчетная область рассматривается в двух компоновках ("малой" серии и серии 320). На рис. 3 показана расчетная область реакторной установки "малой" серии. На рис. 4 показана расчетная область реакторной установки серии 320. При исследовании напряженного состояния зоны сварного соединения №111 парогенератора ПГВ-1000М рассматривалось действие следующих нагружающих факторов: - давления гидравлических испытаний по первому контуру; - давления гидравлических испытаний по второму контуру; - расчетного давления по первому и второму контурам; - температурного поля в номинальном режиме; - рабочего давления по первому и второму контурам и температурного поля; - сопротивление в опорах парогенератора при разогреве; - сопротивление в опорах парогенератора при расхолаживании; - монтажный натяг главного циркуляционного трубопровода; - воздействие трубного пучка на коллектор. Рис. 3 Расчетная область реакторной установки "малой" серии Рис. 4 Расчетная область реакторной установки серии 320 Как показали расчеты наибольшие напряжения возникают в режиме проведения гидравлических испытаний по второму контуру. Распределение наибольшего главного напряжения в режиме проведения гидравлических испытаний по второму контуру показано на рис. 5, где ноль и 360 град соответствует длинной образующей, 90 и 270 град соответствуют образующим, ближним к "холодному" и "горячему" торцам ПГ соответственно; 180 град соответствует короткой образующей. Рис. 5 Распределение наибольшего главного напряжения в режиме проведения гидравлических испытаний по второму контуру Распределение наибольшего главного напряжения в режиме проведения гидравлических испытаний по второму контуру практически не отличается для РУ «малой» серии и серии 320. При действии со стороны второго контура рабочего и расчетного давлений характер распределения напряжений соответствует рис. 5, а величина напряжений уменьшается пропорционально действующему давлению. Для удобства экстремум с абсциссой 105 град назовем первым, а экстремум с абсциссой 255 град назовем вторым. При разогреве РУ из холодного состояния до рабочей температуры происходит температурное расширение всех элементов РУ. При этом происходит вертикальное расширение корпуса реактора и увеличение расстояния от его опоры до патрубков присоединения ГЦТ. Данное температурное расширение корпуса реактора приводит к изгибу горячей ветки ГЦТ который влияет на зону сварного соединения №111 парогенератора, в зависимости от компоновки РУ, по разному. Это связано с различным положением «горячих» коллекторов. В РУ «малой» серии «горячий» коллектор расположен ближе к реактору, чем «холодный» и при разогреве изгибается к центру ПГ. В РУ серии 320 «горячий» коллектор расположен дальше от реактора, чем «холодный» и при разогреве изгибается от центра ПГ. На рис. 6 и 7 показаны перемещения расчетной области реакторной установки "малой" серии и серии 320 соответственно. Перемещения показаны в увеличенном масштабе. На рис. 8 показано распределение наибольшего главного напряжения в номинальном режиме на галтели "кармана" для "горячего" и "холодного" коллекторов РУ "малой" серии и серии 320. На рис. 8 ноль и 360 град соответствует длинной образующей, 90 и 270 град соответствуют образующим, ближним к "холодному" и "горячему" торцам ПГ соответственно; 180 град соответствует короткой образующей. В номинальном режиме ПГ нагружен рабочим давлением по первому и второму контурам и температурным полем. Рис.6 Перемещения расчетной области реакторной установки "малой" серии Рис. 7 Перемещения расчетной области реакторной установки серии 320 Как видно из рис. 8 температурное поле в номинальном режиме привело к снижению напряжений на галтели "горячего" коллектора РУ "малой" серии в зоне первого экстремума и к увеличению напряжений в зоне второго экстремума. На галтели "горячего" коллектора РУ серии 320 температурное поле в номинальном режиме наоборот привело к увеличению напряжений в зоне первого экстремума и к уменьшению напряжений в зоне второго экстремума. Основное количество повреждений в зоне сварного соединения № 111 "горячего" коллектора располагалось между короткой патрубка Ду 1200 и образующей ближней к "горячему" торцу ПГ. На рис. 8 этот диапазон находится от 220 град до 250 град, то есть повреждения в зоне сварного соединения № 111 практически совпадают с вторым экстремумом напряжений в номинальном режиме и при гидроиспытаниях по второму контуру. Рис. 8 Распределение наибольшего главного напряжения в номинальном режиме на галтели "кармана" коллектора Наличие сопротивления в опорах ПГ при его перемещении (частичное заклинивание) при разогреве увеличивает напряжения в первом экстремуме на галтели "кармана" коллектора и уменьшает их во втором экстремуме для РУ "малой" серии. Аналогично происходит и с монтажным натягом ГЦТ который мог иметь место при замене ПГ на станции. Сопротивление в опорах ПГ при его расхолаживании наоборот приводит к уменьшению напряжения в первом экстремуме и к их увеличению во втором. Для РУ серии 320 изменение напряжений на галтели "кармана" горячего коллектора при сравнении с РУ "малой" серии происходит в точности наоборот. То есть при сопротивления в опорах ПГ при его перемещении при разогреве и при наличии монтажного натяга ГЦТ происходит уменьшение напряжений в первом экстремуме и их увеличение во втором. При сопротивление в опорах ПГ при его расхолаживании происходит увеличение напряжения в первом экстремуме и их уменьшение во втором экстремуме. Трубный пучок не оказывает заметного влияния на "карман" коллектора теплоносителя для обоих схем РУ. Таким образом для зоны сварного соединения № 111 РУ "малой" серии и серии 320 наибольшие напряжения (на уровне фактического предела текучести) получены в режиме гидравлических испытаний по второму контуру и в номинальном режиме эксплуатации. В РУ "малой" серии действие номинального температурного поля приводит к увеличению экстремума главного напряжения, а в РУ серии 320 к его снижению. В РУ серии 320 максимальное главное напряжение в зоне сварного соединения №111 в номинальном режиме эксплуатации на 24% меньше, чем в РУ "малой" серии. В связи с тем, что главным фактором, приводящим к повреждению, является наличие высоких растягивающих напряжений на внутренней поверхности "кармана" коллектора, ниже предложен метод по снижению данных напряжений. Снижение растягивающих напряжений на галтели "кармана" коллектора Зарождение коррозионных трещин происходит на галтели "кармана" коллектора (являющейся концентратором напряжений) из-за наличия на ней высоких растягивающих напряжений. Для снижения растягивающих напряжений на галтели "кармана" коллектора и в зоне сварного соединения № 111 предлагалось использовать механические устройства (обжимные кольца) [2]. Но данные кольца имеют большой вес и громоздки в монтаже, поэтому для этой цели предлагается метод охлаждения воздухом наружных слоев металла в зоне сварного соединения № 111. Суть метода заключается в создании сжимающих напряжений на галтели "кармана" коллектора, для чего необходимо охладить наружную поверхность зоны сварного соединения № 111 на 50-100° С. В результате охлаждения образуется разность температур между внутренней и наружной поверхностями патрубка Ду 1200, переходного кольца и "кармана" коллектора, наружные слои металла станут холоднее внутренних, следовательно, они меньше расширятся и будут сжимать внутренние слои. Конструктивно данный метод реализуется установкой на узел соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 стального разборного кожуха, под который вентиляторами через патрубки подается воздух из бокса ПГ. Кожух на узле соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 показан на рис. 9 и рис. 10. Рис. 9 Кожух на узле соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 Кожух предполагается изготавливать разборным из двух частей. Каждая часть представляет собой стальной каркас облицованный изнутри листовой сталью. Ориентировочная масса кожуха в сборе - 110 кг. На рис. 9 зеленым цветом показано упорное кольцо, которое устанавливается в области сварного соединения приварки ГЦТ к коллектору теплоносителя, стягивается болтами и держится на силе трения. На данное упорное кольцо опираются части кожуха. После установки на ПГ, части кожуха скрепляются с помощью резьбовых соединений, ожидаемое время монтажа демонтажа не более 30 минут. После демонтажа кожуха, зона сварного соединения № 111 доступна для осмотра и контроля. Кожух в сборе показан на рис. 11. Рис. 10 Кожух на узле соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 Рис. 11 Кожух в сборе Был просчитан вариант с охлаждением наружной поверхности патрубка Ду 1200, переходного кольца и "кармана" коллектора воздухом с температурой 60 °С и расходом 2 кг/с (6200 м3/ч). Расчет проведен в 3D постановке с использованием расчетного комплекса CosmosWorks. В результате охлаждения температура наружной поверхности понизилась на 50-100° С, температура внутренней поверхности - в среднем на 30 °С, что привело к снижению максимальных растягивающих напряжений на галтели "кармана" коллектора более чем на 40%. Наибольшее главное напряжение в сечении "кармана" коллектора без использования охлаждения показано на рис. 12 (величина наибольшего главного напряжения ограничена 300 МПа). Рис. 12 Наибольшее главное напряжение в сечении "кармана" коллектора без использования охлаждения Наибольшее главное напряжение в сечении "кармана" коллектора при использовании охлаждения показано на рис. 13 (величина наибольшего главного напряжения ограничена 200 МПа). Распределение наибольшего главного напряжения у галтели «кармана» коллектора показано на рис. 14, где ноль и 360 град соответствует длинной образующей, 90 и 270 град соответствуют образующим, ближним к "холодному" и "горячему" торцам ПГ соответственно; 180 град соответствует короткой образующей. Рис. 13 Наибольшее главное напряжение в сечении "кармана" коллектора при использовании охлаждения показано Рис. 14 Распределение наибольшего главного напряжения у галтели «кармана» коллектора На рис. 14 видно, что использование охлаждения наружной поверхности патрубка Ду 1200, переходного кольца и «кармана» коллектора привело к снижению растягивающих напряжений по всей окружности галтели «кармана» коллектора. К отрицательным эффектам данного метода относится рост растягивающих напряжений на наружной поверхности узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 и тепловые потери (около 30 кВт). Но напряжения на наружной поверхности узла соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 не превысят допустимых напряжений, а тепловые потери не превысят 0,001 % от тепловой мощности РУ. После организации охлаждения наружной поверхности патрубка Ду 1200, переходного кольца и "кармана" коллектора произойдет существенное снижение главного повреждающего фактора - высокого уровня растягивающих напряжений, увеличится ресурс парогенератора и уменьшится вероятность повреждения коллекторов в зоне сварного соединения №111. Подтверждение полученных в расчете результатов Для подтверждения результатов полученных в расчете и определения фактического уровня снижения напряжений необходимо провести испытания на масштабной модели "кармана" коллектора парогенератора ПГВ-1000М. В результате данных испытаний должна быть осуществлена экспериментальная проверка эффективности снижения растягивающих напряжений в зоне сварного соединения № 111 приварки коллектора теплоносителя к патрубку Ду 1200 корпуса ПГВ-1000М, возникающих от действия давления во втором контуре и других нагружающих факторов за счет охлаждения этой зоны воздухом, проверка удобства обслуживания и эксплуатации предлагаемого устройства. Конструкция модели «кармана» коллектора парогенератора ПГВ-1000М (без теплоизоляции, кожуха охлаждения и тензорезисторов) показана на рис. 15. Собственно модель "кармана" коллектора парогенератора ПГВ-1000М представляет собой выполненный в масштабе 1:2 узел соединения коллектора теплоносителя с корпусом парогенератора и состоит из следующих основных частей: - имитатора корпуса парогенератора с патрубком Ду 600 поз. 1; - имитатора коллектора парогенератора поз. 2. Корпус ПГ заменен пластиной, такая замена разрешена [3]. При расчетном обосновании прочности узлов соединения патрубка с корпусом рекомендовано корпус заменять пластиной, толщина которой соответствует толщине корпуса а наружный радиус пластины равен двум радиусам патрубка. В штатной конструкции ПГ образующие патрубка Ду 1200 имеют переменную высоту, что приводит к переменной жёсткости патрубка по различным образующим. В модели приняты образующие патрубка равной длины. Для учета переменной жесткости патрубка пластина, имитирующая корпус, выполнена с переменным наружным радиусом (рис. 15). Выбор переменного радиуса пластины и возможность учета переменной жесткости натурного патрубка обоснованы расчетом. Разрез модели «кармана» коллектора парогенератора ПГВ-1000М (без теплоизоляции, кожуха охлаждения и тензорезисторов) показан на рис. 16. 1 - имитатор корпуса парогенератора с патрубком Ду 600 2 - имитатор коллектора парогенератора Рис. 15 Конструкция модели «кармана» коллектора парогенератора ПГВ-1000М Рисунок 16 - Разрез модели «кармана» коллектора парогенератора ПГВ-1000М Суть будущих экспериментов заключается в изготовлении металлической модели "кармана" коллектора, установке на нее тензорезисторов и термопар, нагреве модели изнутри (имитация температурных полей в стационарном режиме) и принудительном охлаждении ее наружной поверхности воздухом. При нагреве модели изнутри и ее охлаждении снаружи образуется разность температур между внутренней и наружной поверхностями модели "кармана" коллектора. Наружные слои металла будут холоднее внутренних, следовательно, они меньше расширятся и будут сжимать внутренние слои, в которых образуются сжимающие напряжения. Данные сжимающие напряжения в области галтели "кармана" и в зоне соответствующей сварному соединению № 111 парогенератора ПГВ-1000М должны быть зафиксированы тензорезисторами при эксперименте. Для подготовки требований к проведению эксперимента на модели «кармана» коллектора парогенератора ПГВ-1000М, определения мощности нагрева и расхода охлаждающего воздуха было проведено численное моделирование эксперимента с применением программного комплекса CosmosWorks По предварительным оценкам расход охлаждающего воздуха, поступающего под кожух модели, должен составить порядка 1,3 кг/с (4000 м3/час), температура охлаждающего воздуха 20 °С, мощность нагревательных элементов, с учетом тепловых потерь, не более 30 кВт. Были определены величины снижения уровня растягивающих напряжений в зоне, соответствующей зоне сварного соединения № 111 парогенератора ПГВ-1000М, при обдуве модели воздухом. Расчет показал принципиальную возможность получения результатов, подтверждающих возможность снижения механических напряжений в зоне сварного соединения №111. На галтели модели "кармана" коллектора зафиксировано снижение всех составляющих напряжений. В наибольшей степени снижаются осевые напряжения, которые в реальной конструкции парогенератора ПГВ-1000М являются основным повреждающим фактором. В будущем, полученные расчетные данные будут сравниваться с экспериментальными. В организации и проведении работ принимали активное участие сотрудники ОАО "Концерн Энергоатом" В.Н. Ловчев и Д.Ф. Гуцев. Выводы Разработаны мероприятия по обоснованию снижения механических напряжений в зоне сварного соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду 1200 корпуса ПГ для предотвращения повреждений коллектора в данной зоне и обеспечению надежной и безопасной эксплуатации сварного соединения № 111. Снижение механических напряжений достигается установкой на узел соединения коллектора теплоносителя с патрубком Ду1200 тонкого стального кожуха, под который вентиляторами, через патрубок, будет подаваться воздух. Это позволит создать разность температур между внутренней и наружной поверхностями патрубка Ду1200, переходного кольца и "кармана" коллектора, что приведет к разгрузке внутренних слоев металла в зоне галтели. Снижение растягивающих напряжений в зоне галтели "кармана" коллектора составит ~ 40%, напряжения в номинальном режиме станут существенно меньше предела текучести, а, следовательно, рост трещин по механизму ЗДКР прекратится, увеличится ресурс парогенератора ПГВ-1000М и уменьшится вероятность повреждения коллектора в зоне сварного соединения № 111. Список литературы 1. С.Л. Лякишев, Н.Ф. Коротаев, В.В. Денисов, С.А. Харченко "Пути предотвращения повреждений коллекторов парогенератора ПГВ-1000М в зоне сварного соединения №111". Научно - технически сборник "Вопросы атомной науки и техники". Серия: "Обеспечение безопасности АЭС". 2007. Выпуск 21 "Реакторные установки с ВВЭР". 2. С.Л. Лякишев, Н.Б. Трунов,С.А. Харченко, Н.Ф. Коротаев "Снижение напряжений в области сварного соединения №111 парогенератора ПГВ-1000М механическим способом". Сборник трудов 5-й международной научнотехнической конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР". Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2007. 3. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86. Москва, Энергоатомиздат, 1989.
