РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПОРНОЙ РЕШЕТКИ ТВСА ВВЭР-1000 С ФИЛЬТРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ Ю.В.Лузан, А.А.Малахов,,П.М.Аксенов, А.Е.Лернер

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПОРНОЙ РЕШЕТКИ ТВСА
ВВЭР-1000 С ФИЛЬТРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ
Ю.В.Лузан, А.А.Малахов,,П.М.Аксенов, А.Е.Лернер
ЭЛЕМАШ-ОАО «Машиностроительный завод», г.Электросталь, Россия
АННОТАЦИЯ
Проведен анализ существующих конструкций нижних опорных решеток и антидебрисных фильтров ТВС типа ВВЭР, предложена конструкция нижней опорной решетки с
фильтрующими свойствами (ОРФ), изготовлены опытные образцы.
Проведены расчеты гидравлического сечения предлагаемой ОРФ.
Проведены расчеты собственных частот и форм колебаний опытных образцов ОРФ.
Дана оценка прочности и жесткости ОРФ ТВСА ВВЭР-1000 в условиях стационарного
режима эксплуатации и при ТТО.
Показано, что предлагаемая опорная решетка ТВСА ВВЭР-1000 с фильтрующими
свойствами по прочности, жесткости и гидравлическому сечению не уступает нижней опорной решетке (НР) штатной конструкции.
Введение и постановка задачи
В настоящее время разработаны и находятся в эксплуатации несколько модификаций
ТВС реакторов типа ВВЭР.
В связи с накоплением по мере эксплуатации АЭС в теплоносителе посторонних дебрис-предметов, приводящих к повреждениям оболочек твэлов, зафиксированным при послереакторных исследованиях отработавших ТВС, часть из этих ТВС оснащена антидебрисными
фильтрами (АДФ). Принято, что АДФ должен задерживать дебрис-предметы размером более
2 мм в поперечном направлении.
Существенным недостатком ТВС без АДФ является возможность пропускать с потоком теплоносителя дебрис-предметы достаточно большой величины. Например, большая
ширина и длина проливных отверстий штатной НР позволяет пропускать в пучок твэлов цилиндрические дебрис-предметы, диаметром до 6,3 мм, и плоские, шириной до 13,4 мм при
толщине до 5,2 мм. Разработанные в настоящее время НР с круглыми проливными отверстиями и типа «ромашка» также не обладают антидебрисными свойствами и пропускают длинные дебрис-предметы до размера в поперечном направлении 7,18 мм и 6,63 мм соответственно.
Существующие АДФ устанавливаются внутри хвостовика и являются разными по конструкции, при этом повышается трудоемкость изготовления ТВС, а как дополнительный
конструктивный элемент они ухудшают гидравлическую характеристику ТВС всех модификаций, что является негативным фактором, т.к. может привести, как показывает практика
эксплуатации ТВС с АДФ на АЭС, к соответствующему ограничению мощности реактора.
В проекте ТВС-2М разработан АДФ, состоящий из наклонных перфорированных пластин. Предлагаемая конструкция АДФ ТВС-2М собирается из 12 таких пластин, установленных под определенным углом друг к другу, с помощью дополнительных ребер в сложную
пространственную конструкцию, при этом большая протяженность сварных швов снижает
надежность сварных соединений.
В ТВСА ВВЭР-1000 используется плоский АДФ типа «шеврон».
2
Были предложения также оснастить штатные НР дополнительными прутками из проволоки 1,5…2 мм, приваренными на нижнюю поверхность НР в районе проливных отверстий,
что в условиях массового производства реализовать практически невозможно.
Данные конструкции АДФ были исследованы в ОАО «ЭНИЦ» и результаты исследований были представлены на 7-ой МНТК «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», Москва, 26-27 мая 2010г. в докладе «Экспериментальное исследование эффективности антидебрисных фильтров кассет ВВЭР-1000».
Рассмотрение имеющихся данных показывает, что конструкции указанных АДФ не
технологичны и требуют больших трудозатрат на изготовление, при этом они создают существенное дополнительное гидравлическое сопротивление.
Сравнительные исследования различных конструкций АДФ, проведенные ОАО
«ЭНИЦ, показали, что эффективность задержания дебриса этим АДФ ТВС-2М составляет
77,9% и не превышает аналогичного показателя плоского АДФ ТВСА ОАО ОКБМ «Африкантов» - 79,1%. При этом перепад давления теплоносителя на НР с АДФ ОАО ОКБ «Гидропресс» составляет 36,1 кПа, что в 1,4…1,5 раз выше перепада давления на НР.
Нами предлагается объединить функции НР (как силового элемента каркаса, удерживающего пучок твэлов в стационарном режиме работы и при транспортно-технологических
операциях (ТТО) и АДФ в одном конструктивном элементе – опорной решетке фильтре
(ОРФ), сконструированной с учетом перспективных решений по модернизации топливных
сборок, связанных с отказом от закрепления твэлов в нижней решетке. Такая конструкция
нижней решетки призвана реализовать не только антидебрисные свойства, но и существенно
снизить усилие извлечения твэлов из ТВС, обеспечивая тем самым выполнение важного современного требования к качеству топлива – ремонтопригодности.
В настоящее время специалистами ОАО «МСЗ» разработаны чертежи ОРФ для ТВСА
ВВЭР-1000 под технологию гидроабразивной резки, проведены расчеты и расчетноэкспериментальные исследования, а также изготовлены опытные образцы конструкции.
Проливное сечение предлагаемой ОРФ состоит из отверстий для протока теплоносителя преимущественно в форме вытянутых прямоугольников, длинные стороны которых
перпендикулярны граням решетки. Ширина этих прямоугольников на просвет составляет
1,9+0,1 мм, т.е. данная конструкция ОРФ обладает требуемыми антидебрисными свойствами.
Предлагаемая ОРФ может быть использована в перспективных конструкциях ТВС
ВВЭР-1000,1200, ТВС для АЭС-2006, а также в РК и ТВС ВВЭР-440.
Целью настоящей работы является расчетно-экспериментальное исследование гидравлических, механических свойств и прочности предлагаемой ОРФ ТВСА ВВЭР-1000 по
сравнению со штатной НР.
Исходные данные
Штатная нижняя опорная решетка (НР) ТВС ВВЭР-1000, например, 498.06.121, имеет
252 отверстия типа «гантель», 96 отверстий диаметром 6,3±0,18 в районе отверстий для
установки направляющих каналов (НК) и по контуру НР для протока теплоносителя. Отверстия типа «гантель» образованы двумя отверстиями диаметром 6,3±0,18, соединенными пазом, шириной 5,2 min. Длина отверстий типа «гантель» составляет 13,4min. Материал НР
сталь 08Х18Н10Т. Толщина штатной НР, прочность которой подтверждена расчетами ОАО
"ОКБМ" и результатами многолетней эксплуатации, составляет 13,6-0,27 мм.
Конструкция предлагаемой ОРФ для ТВСА ВВЭР-1000 без закрепления твэлов в
нижней решетке приведена на рис.1. Заготовка ОРФ изготавливается методом гидроабразивной резки из стали 08Х18Н10Т.
Следует отметить, что используемый метод изготовления придает проливным окнам
небольшую конусность (0,2..0,3 мм по толщине) поэтому даже при одинаковом проливном
сечении в свету ОРФ должна иметь меньшее гидравлическое сопротивление по сравнению с
НР, изготавливаемой механической обработкой.
3
Проливное сечение предлагаемой ОРФ изображено на рис.2 и содержит 1260 окон для
протока теплоносителя.
Толщина перемычек между отверстиями ОРФ составляет 0,7min со стороны входа
струи и 1,28-0,1 мм с противоположной стороны. Т.е. усредненная по толщине ОРФ минимальная толщина перемычки составляет 0,94 мм, что и принято для расчетов. Толщина
опытных образцов плиты ОРФ составляет 16 мм при шаге расположения твэлов, равном
12,75 мм.
Материал ОРФ ВВЭР-1000 - нержавеющия сталь типа 08Х18Н10Т. Механические
свойства плит и листа из этой стали при температуре 20 оС приведены в таблице 1 согласно
[1-2].
Номинальное допускаемое напряжение определялось согласно «Нормам…» [1]:
[]=min{Rm/nm;Rp0,2/n0,2},
(1)
где: Rm- предел прочности, nm=2,6;
Rp0,2- предел текучести, n0,2=1,5.
Допускаемое среднее касательное напряжение согласно [1] составляет [τ]=0,5[σ].
Таблица 1. Механические и физические свойства стали.
Параметр
Модуль упругости, ГПа
Коэффициент Пуассона, Предел текучести, МПа
Предел прочности, МПа
Номинальное допускаемое напряжение, МПа
Допускаемое касательное напряжение, МПа
Плотность, кг/м3
* - определена экспериментально
Значение
196
0,3
196
491
130,6
65,3
7859,5*
перемычка
площадка
для опирания
твэла
отверстие
для протока
теплоносителя
отверстие
под центральную
трубу
отверстие
под НК
Рис.1. Конструкция ОРФ ВВЭР-1000.
4
Рис.2. Проливное сечение ОРФ ТВСА ВВЭР-1000.
Массово-геометрические характеристики испытуемых образцов НР и ОРФ (для двух
опытных образцов) приведены в таблице 2.
Таблица 2. Массово-геометрические характеристики
Тип
НР
ОРФ
Масса, кг
1,82
2,67
2,64
Толщина, мм
13,50
15,26
15,265
Размер «под ключ», мм
229,92
229,86
229,87
Площадь пролива, мм2
21571,0…21899,9
23491,30
23756,30
Оценка гидравлического сечения НРФ
Площадь сечения для протока теплоносителя штатной НР составляет
Fшт=252 Fг+96 Fо ,
(2)
где: Fг – площадь паза типа «гантель»,
Fо=πd2/4 – площадь отверстия,
d – диаметр отверстия.
Площадь сечения для протока теплоносителя предлагаемой ОРФ составляет
Fорф=6 F60,
(3)
где: F60- сечение для протока теплоносителя 60 градусного сектора циклической симметрии ОРФ.
Результаты расчетов минимальной площади сечения для протока теплоносителя штатной НР по формуле (2) при Fг=69,284 мм2, минимальном d=6,12 мм приведены в таблице 2.
Минимальная площадь F60 определялась путем геометрического моделирования в
программном комплексе ANSYS [3], аттестованном ГАН РФ. Результаты моделирования
5
ОРФ, представленные в таблице 3, показали, что при минимальной ширине проливных окон
на просвет 1,9 мм и шаге расположения твэлов, равном 12,75 мм, величина F60 составляет
3565,0 мм2, а FОРФ , определенная по формуле (3), составляет 21390,0 мм2.
Таблица 3. Результаты расчетов минимальной площади сечения для протока теплоносителя.
Конструкция нижней решетки
Минимальная площадь сечения для
протока теплоносителя, мм2
Штатная НР
Предлагаемая ОРФ
20283,6
21390,0
Из таблицы 3 следует, что по площади сечения для протока теплоносителя предлагаемая ОРФ не уступает штатной НР и имеет существенный резерв.
По фактической геометрии (см.таблицу 2) проливное сечение штатной НР составляет
21571…21900 мм2, а опытных образцов ОРФ– 23491…23756 мм2, что на 7,2…10,1% выше.
Оценка механических характеристик ОРФ
Оценка жесткости предлагаемой ОРФ по сравнению со штатной НР проводилась статическим и динамическим методами.
В связи с довольно сложной конструкцией нижнего узла ТВСА ВВЭР-1000, сравнительные испытания проводились на полномасштабных образцах решеток без закрепления их
к хвостовику (рис.3).
При статических испытаниях в связи с техническими трудностями реализации нагружения опорной решетки равномерно распределенной нагрузкой, нагрузка прикладывалась к
центральному отверстию в виде сосредоточенной силы, а опирание плит проводилось на 3
угла с шагом 120 градусов.
Результаты статических испытаний представлены на рис.4 и в таблице 4.
Таблица 4. Результаты статических испытаний нижних решеток
Конструкция решетки
Штатная НР
Предлагаемая ОРФ
Усредненная жесткость, Н/мм
а)
2995
5546
б)
Рис.3 Образцы без приварки к хвостовику: штатная НР (а) и ОРФ (б).
6
ОРФ
Штатная НР
Рис.4. Диаграммы нагружения при статических испытаниях.
Наиболее представительным является динамический метод, поскольку НДС первой
формы колебаний опорной решетки в этом случае наиболее близко соответствует ее НДС в
эксплуатационных условиях, как в стационарном режиме работы, так и при ТТО.
В основе методики определения собственных частот лежит модальная модель системы, представляющая конструкцию, как набор отдельных механических систем с одной степенью свободы. Таким образом, динамическая деформация конструкции может быть представлена в виде взвешенной суммы форм мод ее колебаний, а каждая мода - в виде модели
системы с одной степенью свободы. Модальные параметры позволяют полностью описать
собственные динамические характеристики и являются неизменными для данной системы
[4]. К таким параметрам можно отнести:
- модальную (собственную) частоту;
- модальное затухание;
- форму колебания.
Наиболее удобным способом определения собственных частот является применение
частотной характеристики модели, как отношения выходного спектра сигнала в частотной
области к входному спектру
H ( ) 
где:
A( )
F ( )
(4)
Н – частотная характеристика ускоряемости, g/N;
А – спектр ускорения, g;
F – спектр силы, N.
Перевод временных реализаций сигнала в частотную область происходит при помощи
математического аппарата быстрого преобразования Фурье, используемого в анализаторах
сигнала фирмы "Брюль и Къер" (Дания), широко используемых в ОАО "МСЗ" [5].
Наиболее точным, при определении форм колебаний изделий, следует считать метод
ударного возбуждения, позволяющий оперативно приложить возбуждающую силу в широком частотном диапазоне практически к любой точке исследуемой конструкции.
Для проведения эксперимента использовался комплект аппаратуры фирмы "Брюль и
Къер":
7
четырехканальный анализатор 3560С "Pulse";
ударный молоток 8202 с датчиком силы 8200;
миниатюрные акселерометры 4374.
Анализ полученных данных проводился при помощи программного обеспечения "Pulse
9.0" фирмы "Брюль и Къер".
Для определения частот и идентификации форм колебаний опорной решетки использовались три измерительных акселерометра. Акселерометры устанавливались в геометрическом центре (датчик 1) и на половине радиуса описанной окружности от центра к углу опорной решетки (датчик 2) и непосредственно в углу (датчик 3). Схема испытаний представлена
на рис. 5 (а). Для создания одинаковых условий закрепления решеток использовался магнитный подвес, изображенный на рис. 5 (б), обеспечивающий удержание решетки в горизонтальном положении на трех опорах и позволивший данной конструкции реализовать все
возможные формы колебаний. Возбуждение колебаний производилось в различных точках,
равномерно расположенных на поверхности опорной решетки.
Отношение жесткости ОРФ к жесткости НР рассчитывалось из соотношения
DОРФ/DНР = pОРФ 2 mОРФ/ pНР2mНР,
(5)
где:
D - цилиндрическая жесткость решетки;
р – собственная частота;
m – масса решетки.
-
Измерительные датчики 1, 2, 3.
а)
б)
Рис.5. Схема испытаний (а) и реализация магнитного подвеса решетки (б).
Данная схема нагружения позволяет реализовать весь спектр возможных частот и форм
колебаний испытуемых конструкций плит. Однако, определение всех форм колебаний экспериментальным методом без наличия специального программного обеспечения весьма трудоемкое исследование. В некоторых случаях интерпретация сложных форм колебаний конструкции требует значительного количества измерений. В связи с этим были проведены модальные расчеты в программном комплексе ANSYS первых 20-ти форм колебаний ОРФ с
использованием метода конечных элементов.
Из набора этих частот были идентифицированы практически значимые, наиболее близкие по форме к рабочей. На рис.6 приведены эти расчетные формы колебаний ОРФ - формы
10 и 11 и соответствующие им экспериментально определенные АЧХ.
8
Наиболее значимой является форма колебаний 10, имеющая частоту 1183,0 Гц, которая
принята в качестве основной для оценки жесткости ОРФ. Экспериментально определенное
значение частоты этой формы составляет 1186 Гц, что практически совпадает с расчетом.
Следующая форма имеет расчетную частоту 1876,5 Гц, что также хорошо согласуется с экспериментом – 1865 Гц.
Результаты динамических испытаний представлены в таблице.5 .
Таблица 5. Результаты динамических испытаний для основной формы колебаний.
Исполнение
решетки
Штатная НР
ОРФ
а)
Модальная скорость затухания,
%
0,15
0,14
Частота, Гц
973
1186
[(m/sІ)/N]
Frequency Response H1(Input 2,Input 1) (Magnitude)
FRF : Input : Input : FFT Analyzer
2,8k
2,4k
2k
1,6k
1,2k
800
400
0
1k
б)
1,04k
[(m/sІ)/N]
1,08k
1,12k
1,16k
1,2k
[Hz]
1,24k
1,28k
1,32k
1,36k
2k
2,04k
Frequency Response H1(Input 4,Input 1) (Magnitude)
FRF : Input : Input : FFT Analyzer
2k
1,8k
1,6k
1,4k
1,2k
1k
800
600
400
200
0
1,68k 1,72k
1,76k
1,8k
1,84k
1,88k
1,92k
1,96k
[Hz]
Рис. 6. Формы колебаний и АЧХ ОРФ. Основная (С – образная) форма
1186 Гц (а), S-образная форма 1865 Гц (б).
9
Результаты обработки данных статических и динамических испытаний по формуле (5)
с учетом фактических массово-геометрических характеристик плит (см.табл.2) приведены в
таблице 6.
Как следует из таблицы 6, предлагаемая НРФ имеет изгибную жесткость в 1,85…2,16
раза выше, чем штатная НР. Близкое соответствие результатов статических и динамических
испытаний подтверждает правильность идентификации формы 10 колебаний ОРФ как основной.
Аналогичные результаты могут быть получены из сопоставления приведения толщин
штатной решетки и ОРФ к сплошной плите, полученные согласно «Нормам…» [1] по коэффициенту ослабления отверстиями, которые составляют 5,4 и 6,7 мм соответственно.
Таблица 6. Основные результаты испытаний.
Исполнение
опорной решетки
Статические испытания
Отношение
жесткостей
Динамические испытания
Собственная частота, Гц
Отношение
жесткостей
Штатная НР
1
973
1
ОРФ
1,85
1186
2,16
Отношение цилиндрической жесткости плит при этих значениях толщин составляет
1,91, что близко к полученным экспериментально отношениям.
Аналогично по моменту сопротивления можно получить, что прочность ОРФ выше
прочности штатной НР в ~1,5 раза, что не вызывает сомнений в связи с тем, что ОРФ имеет
меньшую перфорацию и большую толщину.
Следует отметить, что ОРФ имеет большее сечение перемычек в зоне крепления НК.
Наибольшие нагрузки ОРФ будет испытывать при ТТО в случае заклинивания хвостовика при извлечении ТВС, когда к головке ТВС прикладывается расчетное осевое усилие,
равное максимальному усилию, развиваемому перегрузочной машиной – 39,2 кН (4,0 тс). В
этом случае нагрузка воспринимается 18-ю НК, узлами крепления НК к ОРФ и самой ОРФ.
Напряжения среза перемычек ОРФ в зонах крепления НК определяются по фактической перфорации плиты
τmax=P/n/Fср,
(6)
где: P – усилие выгрузки ТВС,
n=18 – количество НК,
Fср – площадь среза.
Минимальное количество перемычек в предлагаемой НРФ на один НК составляет 6
при минимальной толщине перемычки 0,94 мм, следовательно минимальная площадь среза
составляет Fср=6∙0,94∙16=90,2 мм2.
Расчет по формуле (6) при Р=39,2 кН дает τmax= 24,0 МПа , что ниже, чем максимальные касательные напряжения в перемычках штатной НР, составляющие 44,0 МПа.
Допускаемые касательные напряжения в условиях ТТО составляют 65,3 МПа, т.е. условия прочности удовлетворяются как для штатной НР, так и для предлагаемой ОРФ.
10
Заключение
1.Проведен анализ существующих конструкций нижних опорных решеток и антидебрисных фильтров ТВС типа ВВЭР, предложена конструкция нижней опорной решетки с
фильтрующими свойствами - ОРФ, изготовлены опытные образцы.
2.Проведены расчеты гидравлического сечения предлагаемой ОРФ. Расчеты показали,
что по площади гидравлического сечения предлагаемая ОРФ не уступает штатной НР ТВСА
ВВЭР-1000 и имеет существенный резерв не менее 10%.
3.Проведено расчетно-экспериментальное исследование жесткости опытных образцов
предлагаемой ОРФ по сравнению со штатной решеткой ТВСА ВВЭР-1000. Показано, что
при увеличенном гидравлическом сечении предлагаемая ОРФ имеет изгибную жесткость в
~2 раза выше, чем штатная НР.
4. Проведена оценка прочности предлагаемой НРФ в условиях эксплуатации и при
ТТО. Предлагаемая ОРФ условиям прочности удовлетворяет с бóльшим запасом, чем штатная НР.
Литература
1.Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических
установок (ПНАЭ Г-7-002-86). М. Энергоатомиздат, 1989
2. Марочник сталей и сплавов. Под ред. В.Г.Сорокина. М. Машиностроение, 1989.
3.ANSYS User's Manual for revision 5.0. Volume IV. Theory edited by Peter Khonke, PhD.
Houston: Swenson Analysis Systems, Inc. 1992.
4. «Modal analysis of large structures – Multiple exciter systems», издание Брюль и Къер,
Дания, 1989.
5. Pulse multi-analyzer system Type 3560. Version 9.0. DK-2850, Nærum, Denmark.