Доклад Виктора Костарева
реклама
Семинар ГП НАЭК «Энергоатом» по оценке сейсмичности площадок АЭС и проведению их сейсмической переоценки Украина, Киев, 17-18 ноября 2011 года Обоснование сейсмостойкости трубопроводов первого контура ВВЭР-1000 в соответствии с требованиями Российских Норм ПНАЭ и Американского кода ASME. Сравнительный анализ. Виктор Костарев, президент ЦВС www.cvs.spb.su, email: [email protected] Companion Guide to the ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Third Edition-Volumes 1, 2 & 3 под редакцией K.R. Rao Содержание • • • • • Нормативные документы; Классификация элементов и оборудования; Анализ прочности элементов трубопровода; Определение сейсмического воздействия; Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР1000 Нормативные документы Россия: • ПНАЭ Г-7-002-86 “Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок” • НП-031-01, Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций • НП-064-05, Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии • НП 068-05, Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования Нормативные документы Россия: • РБ-006-98, Определение исходных сейсмических колебаний грунта для проектных основ; • РБ-019-01, Оценка сейсмической опасности участков размещения ядерно- и радиационно опасных объектов на основании геодинамических данных • СПиР-О-2008 "Свод правил и руководств по опорным конструкциям элементов АЭС с ВВЭР" Нормативные документы США: • ASME BPVC Subsections NB(C,D) -3600 “Design and analysis for Class 1 (2, 3) pipes”; • ASME BPVC Subsection NF-3600 “Design Rules for Piping Supports”; • ASME BPVC, Appendix N “Dynamic Analysis Methods”; • ASME BPVC, Appendix F “Rules for Evaluation of Service Loading with Level D Service Limits” + 21 RG (Regulation Guide) + 11 SRP (Standard Review Plan) Номинальные напряжения Нормы Обозначение Номинальные допускаемые напряжения ПНАЭ Класс 1, 2, 3 [] ASME Class 1 Sm min(St/3; 1.1St*Rt/3; (2/3)Sy; (2/3)Sy*Ry; или 0.9Sy*Ry для аустенитных сталей) ASME Class 2 Sh min(St/3.5; 1.1St*Rt/3.5; (2/3)Sy; (2/3)Sy*Ry (или 0.9Sy*Ry для аустенитных сталей)) min( RmT / 2.6; RTp /1.5) Примечания: 1. номинальные допускаемые напряжения Приложениям в ASME Sec II, Part D; определяются по 2. для аустенитных сталей (у них нет "площадки текучести") можно брать 0.9Sy только, если при работе допускаются небольшие пластические деформации (для фланцев, например, нельзя); 3. Rt и Ry это "тренд" от температуры. Т.е. Sy*Ry это наше Rp(t) а St*Rt -> Rm(t) Номинальные напряжения Номинальные допускаемые напряжения определяются по Приложениям в ASME Sec II, Part D Номинальные напряжения Номинальные напряжения Допускаемые напряжения Допускаемые напряжения Варианты расчетов, сочетание нагрузок и категории напряжений Расчет № Расчетные условия ASME BPVC Категории напряжений ASME BPVC Расчетный режим ПНАЭ 1 Design Conditions Pm, Pl, Pb НУЭ 2 Level A Service Limit Pm, Pl, Pb, Q, F НУЭ 3 Level B Service Limit Pm, Pl, Pb, Q, F (OBE) НУЭ+ПЗ 4 Level C Service Limit Pm, Pl, Pb ННУЭ 5 Level D Service Limit Pm, Pl, Pb (SSE) НУЭ+МРЗ Примечание: P, Q, F это категории напряжений (соответствуют S2, Srk, Safk по ПНАЭ) Критерии прочности по ASME Class 2 Расчет № Категория напряжений Расчетные формулы 1 SSL 2 Se 3 SOL B1 PDo + B2 MA MB 2t Z min(1.8Sh; 1.5SY) 4 SOL B1 PDo + B2 MA MB 2t Z min(3Sh; 2SY) B1 PDo + B2 MA 2t Z i MC Z Условие прочности 1.5Sh ASME BPVC NC-3652 Sa =f(1.25Sh+0.25Sc) NC-3653.2 NC-3653.1 NC-3655 Анализ прочности по ASME Class 1 да Определение набора нагрузок и состояний трубопровода из Проектной Спецификации Вычисление общих мембранных и изгибных напряжений, уравнение (9), NB_3652 (9) < 1.5*Sm нет Вычисление минимальной толщины стенки (NB-3640) Se<3*Sm Sn < 3*Sm Определение конфигурации трубопровода нет (9) < min(1.8*Sm;1.5*Sy) да Level B Определение опорноподвесной системы трубопровода Давление < 1.1*Pдоп. (Pдоп. определяется по уравнению (3), NB-3641.1) Выполнение расчетов по определению внутренних усилий от весовой нагрузки и усилий самокомпенсации (температурная нагрузка) да да Вычисление первичных + вторичных, мембранных + изгибных напряжений, Уравнение (13), NB-3653.6 Вычисление пиковых напряжений Sp, Уравнение (11), NB-3653.2 нет нет Se<3*Sm Вычисление напряжений Salt, Уравнение (14), NB-3653.6 нет (9) < min(2.25*Sm;1.8*Sy) Давление < 1.5*Pдоп. (Pдоп. определяется по уравнению (3), NB-3641.1) Определение градиента температур по толщине стенки и между разнородными сечениями/материалами Level D (9) < min(3*Sm;2*Sy) Level C да нет Попробовать применить более точные методы анализа (NB3200) или перепроектировать трубопровод Определение величины накопленной повреждаемости для каждого значения Salt и соответствующего числа циклов ni нет нет Определение суммарной величины накопленной повреждаемости U для всех рассматриваемых режимов Трубопровод удовлетворяет условиям прочности. U<1 да Попробовать уточнить определение режимов и циклов Определение допускаемого числа циклов Ni для каждого из значений Salt, NB-3653.4 по кривым из Приложения I. да Давление < 2*Pдоп. (Pдоп. определяется по уравнению (3), NB-3641.1) нет да Вычисление напряжений Salt=Sp/2, NB-3653.3 Выполнение расчетов по определению внутренних усилий от динамических нагрузок (земдетрясение и т.д.) Классификация нагрузок для НУЭ, ННУЭ и аварийных ситуаций Попробовать применить более точные методы анализа (NB3200) или перепроектировать трубопровод Вычисление напряжений от самокомпенсации Se, Уравнение (12), NB-3653.6 Вычисление первичных + вторичных напряжений Sn, Уравнение (10), NB-3653.1 да нет Критерии прочности по ПНАЭ Категория Расчет № напряжений Расчетные формулы Условие прочности 1 ()2 1.3 [] 2 ()RK 3 (aF)K a≤1 4 (s)2 1.6 []/1.9 [] 5 (s)2 1.8[] ПНАЭ п.5.4.7 п.5.4.2 п.5.6 п.5.11.2.11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ Коэффициенты интенсификации напряжений для деталей трубопровода (ASME) – тесты Маркла (~ 50-е г.г.) Определение коэффициента местных напряжений для тройникового соединения (ПНАЭ) Определение коэффициента местных напряжений для тройникового соединения (ПНАЭ) Анализ прочности элементов трубопровода Сравнение величин максимального момента в сечении прямой трубы при равенстве допускаемых напряжений Анализ прочности элементов трубопровода Сравнение величин максимального момента в сечении отвода при равенстве допускаемых напряжений Анализ прочности элементов трубопровода Сравнение величин максимального момента в сечении прямой трубы при величине допускаемых напряжений, определяемой Нормами Анализ прочности элементов трубопровода Сравнение величин максимального момента в сечении отвода при величине допускаемых напряжений, определяемой Нормами Классификация динамических нагрузок на реверсивные и нереверсивные. Условия применения реверсивной динамической нагрузки для Level D Service Limits): 1. Трубопровод изготовлен из апробированного материала и обладает достаточной пластичностью (т.е. не подвержен хрупкому разрушению); 2. Отношение внешнего диаметра трубы к толщине стенке не превышает величины 40: DO/tn ≤ 40; 3. Уровень напряжений от весовой нагрузки ограничен величиной: 4. Напряжения от весовой и инерционной (реверсивной) нагрузки удовлетворяют уравнению: (Коэффициент B2' ~ в 1.5 раза ниже B2) Условия применения реверсивной динамической нагрузки для Level D Service Limits): 5. Размах результирующего момента и амплитуда осевой силы в сечении трубопровода от действия сейсмического смещения опор (seismic anchor motion) и других реверсивных динамических нагрузок ограничены величинами: 6. В трубопроводе отсутствуют локализаторы ползучести; 7. Перемещения трубопровода находятся в допускаемых пределах. Определение сейсмической нагрузки ASME, Appendix N “Dynamic Analysis Methods”: N-1210 - “Earthquake description“; N-1220 - “Methods of dynamic analysis“ N-1230 - "Damping” (0.05 независимо от уровня воздействия) Level B Level D Case N-411-1 Труба OBE (ПЗ) SSE (МРЗ) D > 305мм 0.02 0.03 0.05 0.05 - 0.02 0.02 D < 305 мм 0.01 0.02 0.05 0.05 - 0.02 0.02 0 - 10 Гц 10 - 20 Гц > 20 Гц Величины демпфирования, принятые в американской практике, для расчета трубопроводов на динамические воздействия ПНАЭ: демпфирование в трубопроводах принимается равным 0.02 Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 3 2.5 X Ускорение, g 2 Y 1.5 Z 2 1 0.5 0 0.1 1 10 100 Частота, Гц Исходное сейсмическое воздействие (демпфирование 2 %) Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 3 Ускорение, g 2.5 2 X 1.5 Y 1 Z 0.5 0 0.1 1 10 100 Частота, Гц Исходное сейсмическое воздействие (демпфирование по N-411-1) Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 (ПНАЭ) >>>Максимальные напряжения, Уравнение (9) - Level D ---------------------------------------------------элем. узел1 узел2 расчет допуск. FS ---------------------------------------------------PIPE 0014 14 252 491 0.51 BEND 1H12 1H13 212 491 0.43 REDU 3 A065 156 510 0.31 TEE 1C19 114 491 0.23 --------------------------------------------------->>> Максимальные напряжения категории S2 (МРЗ) - не проходит ---------------------------------------------------элем. узел1 узел2 расчет допуск. FS ---------------------------------------------------PIPE 0014 14 372 340 1.09 ! BEND 1H12 1H13 266 340 0.78 REDU 3 A065 129 353 0.37 TEE 1C19 142 340 0.42 ---------------------------------------------------- Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 (ПНАЭ) 1.2 1 PNAE ASME ASME (Reversing) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Straight Pipe Bend Reducer Отношение расчетных напряжений к допускаемым Tee СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГЦК ВВЭР-1000, РАСКРЕПЛЕННОГО ГА И ВД Анализ по dPIPE на уровень сейсмического воздействия на поверхности грунта 0.3g ZPGA Четыре ВД снижают нагрузки и напряжения от сейсмики примерно в 4 раза, что достигается установкой 8 ГА СРАВНИТЕЛЬНЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАЗВЕТЛЕННОГО ТРУБОПРОВОДА АЭС, СВЯЗАННОГО С БЕЗОПАСНОСТЬЮ, С ГА И ВД РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТРУБОПРОВОДА АЭС С ГА И ВД Анализ по dPIPE на воздействие 0.4 g ZPA Snubbers Approach Capacity, kN Lisega Type Snubbers 350 308216 100 306216 46 305213 Total Number of Devices: Number of Devices 1 2 5 8 HVD Approach Capacity, kN GERB VD Type HVDs 80 VD-426/325-7 46 VD-325/219-7 Total Number of Devices: Number of Devices 2 1 3 РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТРУБОПРОВОДА АЭС С ГА И ВД Суммарные нагрузки на опоры трубопровода при установке 8ми (восьми) ГА (голубые колонки) и 3 (трех) ВД630 либо ВД426 (белые и вишневые колонки) РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТРУБОПРОВОДА АЭС С ГА И ВД (Выводы) • Для обеспечения примерно одинакового сейсмического запаса трубопровода необходимо установить либо 8 снабберов – ГА, либо только 3 демпфера типа ВД. • Базовые (первичные) затраты на сейсмическое раскрепление системы демпферами ВД примерно в 2.5 раза меньше, чем при применении снабберов-ГА. • В соответствии с имеющимся опытом эксплуатации снабберов – ГА и демпферов на АЭС затраты на обслуживание демпферов в течение срока службы АЭС в несколько раз ниже , чем ГА. ВЫВОДЫ Демпферы ВД обеспечивают эффективную защиту трубопроводов, распределительных систем и оборудования АЭС от всех возможных динамических, ударных и вибрационных воздействий, связанных с нормальными, переходными и аварийными режимами эксплуатации АЭС (механические воздействия, возбуждение потоком среды, паровые и гидроудары, двухфазный поток и т.д.) а также от особых динамических воздействий (сейсмика, взрывная волна, падение самолета и прочие особые воздействия) Выводы 1. Выполнено сравнение норм расчета на сейсмостойкость трубопроводов по ПНАЭ и ASME. 2. Дано сравнение величин номинальных допускаемых напряжений для материалов трубопроводов и показано, что значения номинальных допускаемых напряжений определенных по ПНАЭ практически совпадают с ASME. 3. Значения допускаемых напряжений при расчете на сочетание нагрузок НУЭ+МРЗ по ПНАЭ приблизительно в 1.7 раза ниже, чем по нормам ASME для трубопроводов 1 класса. 4. При расчете на сочетание нагрузок НУЭ+МРЗ уровень напряжений в прямых трубах и отводах по ПНАЭ ниже на 4-6%, чем по нормам ASME 5. При низком уровне напряжений от механических нагрузок (вес и сейсмика) приведенные напряжения в трубопроводе могут полностью определяться нормальными окружными напряжениями от давления, т.е с увеличение интенсивности сейсмического воздействия приведенные напряжения не изменяются. В нормах ASME этот эффект отсутствует, хотя в обеих методиках используется теория наибольших касательных напряжений. Выводы 6. Проведено сравнение методик расчета на сейсмостойкость, основные результаты которой представлены в таблице: На основании сравнения основных положений ПНАЭ и норм ASME (класс 1) можно утверждать, что при расчете на сейсмостойкость трубопроводов в ПНАЭ предъявляются более жесткие требования к элементам трубопроводов по сравнению с нормами ASME. ПНАЭ дают приблизительно двойной запас по сравнению с нормами ASME при расчетах на сейсмостойкость трубопроводов на сочетание нагрузок НУЭ+МРЗ.
