В настоящее время на АЭС в России, как и во всем мире, наблюдается преобладание ядерных реакторов, охлаждаемых водой под давлением. В последние годы объемы строительства и ввода в эксплуатацию новых мощностей АЭС в России заметно возросли. Этому способствует Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007;2010 годы и на перспективу до 2015 года», в которой предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР [1]. В России разрабатываются проекты перспективных реакторных установок с реакторами ВВЭР-600, ВВЭР-1200 и ВВЭР-ТОИ.
Одним из важнейших компонентов АЭС с ВВЭР является парогенератор (ПГ) [2, 3], значительно влияющий на надежность и безопасность всей РУ. В настоящее время все разрабатываемые проекты РУ планируется оснащать современными парогенераторами, такими как ПГВ-ЮООМКП, ПГВ-ЮООМКО. Одними из основных элементов горизонтального парогенератора являются цилиндрические коллекторы, вертикально соединенные с корпусом ПГ сварным соединением № 111. Коллектор теплоносителя парогенератора является узлом закрепления теплообменных труб и границей, сдерживающей радиоактивную среду первого контура.
Опыт эксплуатации ПГ с ВВЭР-1000, оснащенных парогенераторами ПГВ-1000 и ПГВ-1000М показывает, что конструкция коллектора теплоносителя наряду с многочисленными достоинствами имеет ряд недостатков, приводящих в совокупности с условиями эксплуатации к повреждениям коллекторов и простоям энергоблоков.
Наиболее масштабные повреждения, повлекшей за собой простои и недовыработку электроэнергии на АЭС, возникли в перфорированной зоне «холодных» коллекторов [4]. Первое повреждение коллектора в перфорированной зоне было обнаружено в 1986 г. на ПГ-1 2-го блока Южно-Украинской АЭС. В дальнейшем аналогичные повреждения были обнаружены на 25-ти парогенераторах. В середине 90-х данная проблема была решена путем совершенствования конструкции перфорированной зоны коллектора, технологии закрепления теплообменных труб и оптимизации условий эксплуатации, в результате чего повреждения коллекторов в зоне перфорации прекратились.
Однако, в настоящее время отмечаются повреждения в узле присоединения коллекторов теплоносителя к патрубку Ду1200 корпуса парогенератора ПГВ-ЮООМ — в зоне сварного соединения № 111. Первые повреждения были обнаружены на ПГ-1 блока № 5 НВАЭС в 1998 году. В дальнейшем (до момента написания данной работы), подобные повреждения были обнаружены на 17 парогенераторах и на пяти из них повторно. Разработка мероприятий по предотвращению повреждений в узлах присоединения коллекторов к корпусу парогенератора ПГВ-1000М является сложной научно-технической задачей, которая до настоящего времени не решена и повреждения продолжаются.
Актуальность диссертационной работы заключается в разработке оптимизированного, с точки зрения напряженного состояния, узла соединения коллектора теплоносителя с корпусом парогенератора для новых АЭС с ВВЭР, а также в разработке мероприятий, позволяющих повысить надежность и долговечность коллекторов теплоносителя парогенераторов существующих блоков АЭС с ВВЭР.
Цель научного исследования.
Целью диссертационной работы является изучение и исследование работоспособности коллекторов теплоносителя ПГ, а также разработка мероприятий для обеспечения надежной эксплуатации узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенератора реакторной установки ВВЭР-1000 за счет эффективного снижения остаточных и эксплуатационных напряжений в зоне сварного соединения № 111.
Научная новизна.
В результате проведенных исследований:
— выполнен анализ закономерностей повреждений и основных повреждающих факторов узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса парогенераторавыявлена аналогия между повреждениями коллектора теплоносителя в перфорированной зоне и повреждениями узла присоединения коллектора в зоне сварного соединения № 111. Установлена важная роль напряженного состояния в повреждениях узла присоединения коллектора к корпусу ПГ. Предложены методы снижения напряжений в коллекторах действующих и проектируемых АЭС с ВВЭР;
— разработан, обоснован расчетами и экспериментально подтвержден метод снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения наружной поверхности воздухом;
— для вновь проектируемых парогенераторов выполнена модернизация конструкции узла присоединения коллектора к патрубку корпуса, позволившая снизить напряжения в данном узле на 40%.
Научная и Практическая значимость.
Разработанный метод снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом позволяет повысить надежность и увеличить ресурс коллектора теплоносителя эксплуатируемых ПГ с ВВЭР-1000.
Экспериментальные данные по исследованию возможности снижения напряжений в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса ПГ путем охлаждения данного узла воздухом нашли отражение в РКД на кожух коллектора теплоносителя, которым в ближайшее время планируется оснастить коллекторы теплоносителя действующих ПГ АЭС с ВВЭР-1000.
Метод по снижению напряжений в узле присоединения коллектора путем охлаждения данного узла воздухом может быть использован при решении аналогичных задач на других узлах и элементах РУ АЭС.
В парогенераторах РУ вновь разрабатываемых и сооружаемых энергоблоков проектов АЭС 2006, АЭС «Белене», АЭС с> ВВЭР-ТОИ применена модернизированная конструкция коллектора теплоносителя, позволившая снизить напряжения в узле присоединения к патрубку корпуса ПГ на 40%. Такие парогенераторы уже изготовлены для НВАЭС-2 и ЛАЭС-2.
Достоверность.
Достоверность расчетных данных подтверждается использованием апробированных инженерных методик расчета, применением верифицированных программных кодов и сходимостью расчетных характеристик с данными, полученными экспериментально.
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением аттестованных методов измерения и повторением каждого из экспериментов.
Личный вклад автора.
Автор диссертационной работы:
— непосредственно участвовал в исследованиях повреждений узлов присоединения коллекторов к патрубкам парогенераторов ПГВ-1000М;
— разработал методы снижения уровня напряжений в узлах присоединения коллекторов парогенераторов новых проектов и находящихся в эксплуатации на АЭС, а также провел необходимые расчетные обоснования;
— провел модернизацию конструкции коллектора теплоносителя, обеспечившую снижения напряжений в узле присоединения к патрубку корпуса парогенератора для проектируемых и строящихся АЭС с ВВЭР.
— принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях влияния наружного охлаждения на уровень напряжений в узле присоединения коллектора теплоносителя к патрубку корпуса ПГ на этапах:
— постановки задачи;
— обсуждения и согласования технического задания на экспериментальную модель;
— разработки программы и методики экспериментальных исследований;
— сооружения модели и испытательного стенда;
— оснащения стенда средствами измерения;
— проведения экспериментов;
— анализа результатов экспериментальных исследований.
На защиту выносятся.
Результаты расчетов и экспериментальных исследований напряжений в узле присоединения коллектора к патрубку корпуса парогенератора.
Модернизированная конструкция коллектора теплоносителя для проектируемых и строящихся АЭС с ВВЭР.
Результаты разработки и исследований метода снижения напряжений в узле присоединения коллектора путем наружного охлаждения.
Апробация работы и публикации.
По результатам работы сделаны сообщения на: 5-й и 6-й Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (Подольск 2007 г. и 2009 г.) — конференции молодых специалистов ОКБ «Гидропресс» (Подольск 2007 г. и 2008 г.) — 7-м Международном семинаре по горизонтальным парогенераторам (Подольск 2006 г.) — Молодежной международной конференции по энергетике (Будапешт, Венгерская республика 2007 г.) — молодежной международной конференции «Полярное сияние» (Санкт-Петербург 2009 г.).
Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 научных работах и докладах, из них 4 в ведущих рецензируемых научно-технических журналах «Вопросы атомной науки и техники» вып. 19, 2007 г. и вып. 21, 2008 г., «Атомная энергия» Том 104, вып. 1, январь 2008 г., «Теплоэнергетика» № 3, март 2011 г., в описаниях к двум патентам на полезную модель (№ 69 199 от 10.12.2007 г. и № 85 607от 10.08.2009 г), а также в научно-техническом отчете ОКБ «ГИДРОПРЕСС» 320−0-201, 2010 г.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, изложена на 128 листах, включая 100 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 38 наименований.
Выводы.
1.Создана экспериментальная установка для изучения возможности создания сжимающих напряжений на внутренней поверхности узла присоединения коллектора при наружном охлаждении воздухом. Проведено численное моделирование эксперимента с применением программного комплекса ПоБтиЫюп.
2. Расчетом определены значения температур и компоненты напряжений во всех точках рассматриваемой модели при расходе охлаждающего воздуха 2000 м3/час. Определены радиальные напряжения, образующие на галтели модели напряженное состояние сжатия. Показана область сжимающих напряжений, которые можно зафиксировать тензорезисторами при эксперименте.
3. Проведены исследования по влиянию наружного охлаждения модели узла присоединения коллектора на напряженное состояние внутренней поверхности модели. При сравнении значений температур экспериментальной модели с расчетом имеет место различие в ряде точек. Данное различие обусловлено как локальным перегревами отдельных зон модели, так и некорректными показаниями ряда термопар. Тем не менее, напряжения по показаниям тензорезисторов в рассматриваемых точках качественно совпали с результатами расчета, а средние по опытам № 7 и № 8 сжимающие напряжения на внутренней поверхности «кармана» модели совпали со средними расчетными напряжениями с различием в 2%. При определении напряжений на поверхности модели основной вклад в общую погрешность результатов вносила погрешность преобразователя напряжений, которая не превышает 7%.
Возможность и эффективность снижения растягивающих напряжений на внутренней поверхности узла присоединения коллектора при наружном обдуве воздухом данного узла была подтверждена.
4. Максимальные сжимающие напряжения в модели узла присоединения колектора, измеренные при максимальном расходе 2000 м3/час, достигают 166 МПа.
Заключение
.
1. Выполнен анализ проблемы обеспечения работоспособности коллекторов парогенераторов ПГВ-1000М. Показана общность причин повреждения коллекторов в перфорированной части и в узле присоединения к патрубку корпуса (зона сварного соединения № 111). Показана необходимость снижения эксплуатационных и остаточных напряжения для предотвращения повреждений коллекторов в узле присоединения.
2. Для определения напряженного состояния узла присоединения коллектора и адекватного учета всех нагружающих факторов проведены расчеты на З-Э модели парогенератора, включающей всю циркуляционную петлю в компоновке серии 320 и «малой» серии. Определены режимы, в которых имеют место способствующие развитию процесса замедленного деформационного коррозионного растрескивания повреждающие факторы: температура в интервале 260 -275 °С, соответствующая минимальной пластичности стали 10ГН2МФА, и высокие растягивающие напряжения — на уровне предела текучести материала при воздействии коррозионной среды. Подобные напряжения возникают в номинальном режиме и при гидравлических испытаниях по второму контуру, но при проведении гидравлических испытаний уровень температуры недостаточен для развития процесса ЗДКР. В РУ «малой» серии изгиб ГЦТ вследствие воздействия номинального температурного поля приводит к увеличению экстремума главных напряжений, а в РУ серии 320 — к снижению.
3. В результате анализа НДС конструкции узла соединения коллектора с корпусом вновь проектируемых ПГ проведены вариантные расчеты и разработана конструкция коллектора с максимально возможными, из конструктивных соображений, радиусами галтельных сопряжений. В модернизированной конструкции узла присоединения коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора максимальные местные растягивающие напряжения, по отношению к базовому варианту, снижены на 147 МПа (42%) и составляют 201 МПа. Модернизированная конструкция узла присоединения коллектора принята в проектах вновь разрабатываемых парогенераторов для АЭС-2006, АЭС «Белене», АЭС с ВВЭР-ТОИ (ПГВ-ЮООМКП, ПГВ-ЮООМКУ и д.р.).
4. Для снижения напряжений в узле присоединения коллектора действующих парогенераторов предложены механический и температурный методы. Механический метод труднореализуем на реальном ПГ в связи со сложностью установки механических устройств и в связи с ухудшением условий для проведения УЗК. Температурный метод снижения напряжений лишен подобных недостатков. Снижение напряжений достигается охлаждением узла присоединения коллектора теплоносителя к патрубку Ду1200. Для этого на узел присоединения коллектора устанавливается тонкий стальной кожух, под который вентиляторами подается воздух с расходом 5000 — 7000 м3/час. Это позволяет создать разность температур между внутренней и наружной поверхностями узла присоединения коллектора, что приводит к разгрузке внутренних слоев металла в зоне галтели. При этом снижаются все составляющие напряжений, в наибольшей степени осевые растягивающие напряжения (первые главные). Снижение осевых растягивающих напряжений в зоне наблюдаемых повреждений составит не менее 30%- уровень напряжений станет существенно ниже предела текучести, что будет способствовать увеличению ресурса парогенератора ПГВ-1000М и уменьшению предпосылок для повреждения коллектора в зоне сварного соединения № 111.
5. Для количественной оценки влияния конструкторских решений (с максимально возможным радиусом галтельных сопряжений) узла присоединения коллектора вновь разрабатываемых ПГ и системы обдува узла присоединения коллектора действующих ПГ на ресурс, в рамках нормативной методики, проведены расчеты накопленного циклического повреждения. Расчетами показано, что конструкция ПГ с охлаждением узла присоединения коллектора к корпусу имеет вдвое меньшую (до 54%) величину накопленной циклической повреждаемости по сравнению с базовой конструкцией ПГ (без обдува). Накопленная циклическая повреждаемость в модернизированном узле соединения коллектора теплоносителя с корпусом ПГ по сравнению с базовым снизилась в зоне действия максимальных растягивающих напряжений на 79% или почти в 5 раз.
6. Проведены стендовые испытания модели узла присоединения коллектора и исследованы закономерности формирования сжимающих напряжений на её внутренней поверхности при охлаждении наружной поверхности воздухом. Показана эффективность снижения растягивающих напряжений на внутренней поверхности узла соединения коллектора с корпусом при использовании наружного охлаждения. С увеличением расхода охлаждающего воздуха увеличивается температурный перепад на стенках узла соединения коллектора с корпусом, и снижаются растягивающие напряжения на внутренней поверхности данного узла.
7. Экспериментальные данные по исследованию возможности снижения напряжений в узле соединения коллектора теплоносителя с патрубком корпуса ПГ путем охлаждения данного узла воздухом нашли отражение в РКД на кожух коллектора теплоносителя, которым в ближайшее время планируется оснастить коллекторы теплоносителя ПГ АЭС с ВВЭР-1000.
