Особенности обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС
Особенности обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС
В статье подробно рассмотрены ключевые аспекты обеспечения сейсмостойкости оборудования атомных электростанций. Особое внимание уделяется оборудованию I категории сейсмостойкости, критически важному для безопасности станции.
В статье описываются методы анализа, а также критерии оценки работоспособности оборудования при сейсмических воздействиях.
Материал будет полезен инженерам, проектировщикам и специалистам в области ядерной энергетики, стремящимся к глубокому пониманию стандартов и практик сейсмической защиты АЭС.
Сейсмостойкость оборудования АЭС
Одним из важнейших этапов обоснования прочности и работоспособности разрабатываемого оборудования является анализ сейсмостойкости.
Подход к обеспечению сейсмостойкости оборудования атомных станций имеет определенную специфику по сравнению с иными объектами, определяющуюся следующими обстоятельствами:
1. Атомные станции являются объектами повышенной опасности и чрезвычайно высокой ответственности, следовательно при их проектировании учитывают возможность реализации значительно более редких, а значит и более сильных землетрясений.
2. Само понятие «сейсмостойкость» имеет для атомных станций более широкий смысл, заключающийся, помимо прочности при сейсмическом воздействии, еще и в необходимости выполнения функций, связанных с обеспечением безопасности, во время и после прохождения землетрясения.
Требования к оборудованию АЭС I категории сейсмостойкости
Нормы (НП‑031‑01, ПНАЭ Г‑7‑002‑86) для оборудования АЭС I категории сейсмостойкости (оборудование систем безопасности, элементы важные для безопасности и др.) предъявляют требования:
• Сохранять работоспособность при землетрясении интенсивностью до ПЗ (проектное землетрясение) включительно и после его прохождения.
• Сохранять способность выполнять функции, связанные с обеспечением безопасности атомных станций, во время и после прохождения землетрясения интенсивностью до МР3 (максимальное расчетное землетрясение) включительно.
Обоснование соблюдения последнего требования сводится к следующему.
1. Для оборудования, не имеющего в своем составе подвижных частей, требования сейсмостойкости могут быть подтверждены определением напряженно-деформированного состояния исследуемой конструкции под действием на нее одновременно эксплуатационных и сейсмических нагрузок. Допустимый уровень такого напряженного состояния определяется допускаемыми напряжениями, определенными в соответствии с действующими нормативными документами.
2. Для оборудования, имеющего в своем составе подвижные части (исполнительные механизмы системы управления и защиты, насосы, арматура, вентиляционные установки, электродвигатели), дополнительно должна быть подтверждена возможность функционирования подвижных элементов конструкции в процессе воздействия МР3.
В качестве критериев работоспособности могут быть приняты, например:
а) Для насосных агрегатов и электродвигателей — отсутствие выбора конструктивного зазора между ротором и статором, а также непревышение удельных нагрузок в подшипниках.
б) Для исполнительных механизмов системы управления и защиты — подтверждение проектного времени сброса стержней при прохождении через внутрикорпусные элементы при их поперечных нерегулярных смещениях вследствие сейсмических нагрузок.
в) Для арматуры — достаточность проектных усилий, необходимых для перемещения и уплотнения запорного органа, в условиях приложения дополнительных сейсмических нагрузок.
• Сохранять работоспособность при землетрясении интенсивностью до ПЗ (проектное землетрясение) включительно и после его прохождения.
• Сохранять способность выполнять функции, связанные с обеспечением безопасности атомных станций, во время и после прохождения землетрясения интенсивностью до МР3 (максимальное расчетное землетрясение) включительно.
Обоснование соблюдения последнего требования сводится к следующему.
1. Для оборудования, не имеющего в своем составе подвижных частей, требования сейсмостойкости могут быть подтверждены определением напряженно-деформированного состояния исследуемой конструкции под действием на нее одновременно эксплуатационных и сейсмических нагрузок. Допустимый уровень такого напряженного состояния определяется допускаемыми напряжениями, определенными в соответствии с действующими нормативными документами.
2. Для оборудования, имеющего в своем составе подвижные части (исполнительные механизмы системы управления и защиты, насосы, арматура, вентиляционные установки, электродвигатели), дополнительно должна быть подтверждена возможность функционирования подвижных элементов конструкции в процессе воздействия МР3.
В качестве критериев работоспособности могут быть приняты, например:
а) Для насосных агрегатов и электродвигателей — отсутствие выбора конструктивного зазора между ротором и статором, а также непревышение удельных нагрузок в подшипниках.
б) Для исполнительных механизмов системы управления и защиты — подтверждение проектного времени сброса стержней при прохождении через внутрикорпусные элементы при их поперечных нерегулярных смещениях вследствие сейсмических нагрузок.
в) Для арматуры — достаточность проектных усилий, необходимых для перемещения и уплотнения запорного органа, в условиях приложения дополнительных сейсмических нагрузок.
Методы анализа сейсмостойкости оборудования АЭС
Нормативной документацией (НП‑031‑01, ПНАЭ Г‑7‑002‑86) устанавливаются три метода обоснования прочности и работоспособности при сейсмических воздействиях:
1. Статический метод
При расчете статическим методом пренебрегают вынужденными колебаниями конструкции, то есть рассматривают ее как абсолютно твердое тело. Такое допущение может быть принято если все собственные частоты конструкции выше частот воздействия. Такой расчет проводится путем приложения инерционной нагрузки, равной спектральному ускорению соответствующему, собственной частоте конструкции, либо ускорению нулевого периода. Ускорение нулевого периода для спектра ответа определяется как значение спектрального ускорения, при котором кривая спектра ответа приближается к горизонтальной прямой.
2. Линейно-спектральный метод
В настоящее время для сейсмических расчетов конструкции, в том числе сооружений и оборудования АЭС, наиболее широко применяется линейно-спектральный метод. Данный метод основан на разложении системы дифференциальных уравнений движения по собственным формам.
3. Метод динамического анализа
Метод динамического анализа основан на интегрировании по времени уравнений движения конструкции. При динамическом анализе в качестве нагружающего фактора используются зависимости движения основания от времени.
1. Статический метод
При расчете статическим методом пренебрегают вынужденными колебаниями конструкции, то есть рассматривают ее как абсолютно твердое тело. Такое допущение может быть принято если все собственные частоты конструкции выше частот воздействия. Такой расчет проводится путем приложения инерционной нагрузки, равной спектральному ускорению соответствующему, собственной частоте конструкции, либо ускорению нулевого периода. Ускорение нулевого периода для спектра ответа определяется как значение спектрального ускорения, при котором кривая спектра ответа приближается к горизонтальной прямой.
2. Линейно-спектральный метод
В настоящее время для сейсмических расчетов конструкции, в том числе сооружений и оборудования АЭС, наиболее широко применяется линейно-спектральный метод. Данный метод основан на разложении системы дифференциальных уравнений движения по собственным формам.
Для расчета используется исходное сейсмическое воздействие, заданное в виде спектров отклика.
3. Метод динамического анализа
Метод динамического анализа основан на интегрировании по времени уравнений движения конструкции. При динамическом анализе в качестве нагружающего фактора используются зависимости движения основания от времени.
Важнейшим параметром для динамического анализа является шаг интегрирования (приращение времени между расчетными моментами времени). Величина данного параметра должна выбираться аккуратно, так как это определяет точность решения. Размер шага интегрирования должен быть достаточно малым чтобы отследить частоту отклика, частоту контакта (при наличии), эффекты распространения волн (если необходимо учитывать), нелинейность отклика (пластичность, статус контакта).
В соответствии с рекомендациями, верхняя граница шага интегрирования может быть принята как величина 1/20f, где f — частота отклика. Частота отклика — средневзвешенное всех собственных частот конструкции, возбуждаемых при данной нагрузке.
При задачах с контактом шаг интегрирования должен быть достаточно малым, чтобы отследить частоту колебаний в зазоре. В соответствии с рекомендациями, для корректной передачи усилий между телами шаг интегрирования может быть ограничен величиной 1/30fк, где fк — частота колебаний в зазоре.
Виды нелинейностей:
При выборе расчетного метода необходимо корректно классифицировать рассматриваемую систему как линейную или нелинейную. Поведение конструкции считается нелинейным если при нагружении происходит значительное изменение жесткости. Нелинейное поведение конструкции проявляется в нескольких случаях, которые можно условно сгруппировать в три категории:
• Геометрическая нелинейность (в процессе движения системы ее характеристики изменяются вследствие больших перемещений, наличия зазоров и люфтов, и прочее).
• Нелинейность материала (пластичность, нелинейная упругость, ползучесть).
• Нелинейность изменяющегося состояния (контакт).
• Геометрическая нелинейность (в процессе движения системы ее характеристики изменяются вследствие больших перемещений, наличия зазоров и люфтов, и прочее).
• Нелинейность материала (пластичность, нелинейная упругость, ползучесть).
• Нелинейность изменяющегося состояния (контакт).
Методы задания нагружающего воздействия
Наиболее полным образом сейсмическое воздействие на оборудование определяется законом колебаний основания. Различают три типа таких законов: зависимости перемещений, скоростей и ускорений от времени.
Однако даже в одной и той же сейсмической зоне законы колебаний грунта, наблюдаемые при разных землетрясениях, могут быть различными, так как зависят от множества факторов. Поэтому полное описание сейсмологической обстановки на рассматриваемой площадке требует учета не одного закона, а их ансамбля, соответствующего различным возможным реализациям землетрясения.
Часто используется иной способ задания сейсмического воздействия: с помощью спектров ответа, характеризующих динамическую реакцию простейшей механической системы — линейного неконсервативного осциллятора.
Идеальным представлением сейсмических характеристик площадки являлся бы достаточно полный перечень записей сейсмических движений грунта, зарегистрированных непосредственно в данном месте. По ним затем мог бы быть построен спектр отклика.
Часто используется иной способ задания сейсмического воздействия: с помощью спектров ответа, характеризующих динамическую реакцию простейшей механической системы — линейного неконсервативного осциллятора.
Идеальным представлением сейсмических характеристик площадки являлся бы достаточно полный перечень записей сейсмических движений грунта, зарегистрированных непосредственно в данном месте. По ним затем мог бы быть построен спектр отклика.
Однако сильные землетрясения происходят редко, и получить такой массив записей невозможно. По этой причине в качестве исходной сейсмической характеристики площадки задают спектр отклика, а уже по нему при необходимости генерируют расчетные сейсмические движения основания.
Три компоненты акселерограммы, используемые при динамическом расчете, должны быть различными и взаимно статически независимыми, иначе при расчетах с одновременным их использованием результаты будут получаться с погрешностью (чаще в сторону завышения сейсмических нагрузок).
Три компоненты акселерограммы, используемые при динамическом расчете, должны быть различными и взаимно статически независимыми, иначе при расчетах с одновременным их использованием результаты будут получаться с погрешностью (чаще в сторону завышения сейсмических нагрузок).
В качестве трех компонент акселерограммы может быть использована одна и та же запись со сдвигом по оси времени, однако такие записи не могут считаться различными.
Заключение
В данной статье рассмотрена специфика и методы обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС. Описаны требования к исходным данным и ограничения рассмотренных методов.
Описанный в работе комплексный подход к анализу сейсмостойкости разрабатываемого оборудования основан на соблюдении следующих принципов:
• Анализ требований соответствующей нормативной документации к данному типу оборудования (с учетом категории сейсмостойкости).
• Выбор расчетного метода, обеспечивающего учет всех особенностей конструкции и удовлетворяющего требованиям по точности.
• Корректный выбор способа задания нагружающего воздействия в зависимости от метода расчета, свойств системы и других факторов.
• Соблюдение требований к построению расчетных моделей исследуемых конструкций с целью отражения реальных жесткостных и весовых характеристик, обеспечивающих получение достоверных результатов.
• Учет особенностей задания исходных данных (достаточное количество учтенных форм колебаний конструкции, учет затухания энергии, выбор шага интегрирования, настройка контактного взаимодействия).
• Использование современного высокопроизводительного аттестованного конечно-элементного вычислительного комплекса для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций.
Описанный в работе комплексный подход к анализу сейсмостойкости разрабатываемого оборудования основан на соблюдении следующих принципов:
• Анализ требований соответствующей нормативной документации к данному типу оборудования (с учетом категории сейсмостойкости).
• Выбор расчетного метода, обеспечивающего учет всех особенностей конструкции и удовлетворяющего требованиям по точности.
• Корректный выбор способа задания нагружающего воздействия в зависимости от метода расчета, свойств системы и других факторов.
• Соблюдение требований к построению расчетных моделей исследуемых конструкций с целью отражения реальных жесткостных и весовых характеристик, обеспечивающих получение достоверных результатов.
• Учет особенностей задания исходных данных (достаточное количество учтенных форм колебаний конструкции, учет затухания энергии, выбор шага интегрирования, настройка контактного взаимодействия).
• Использование современного высокопроизводительного аттестованного конечно-элементного вычислительного комплекса для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций.
Список использованных источников1. Бирбраер А.Н. Расчет конструкции на сейсмостойкость. – СПб.: Наука, 1998.2. Бирбраер А.Н. Экстремальные воздействия на сооружения / А. Н. Бирбраер, А. Ю. Роледер. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2009.3. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.4. НП-031-01. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций.
Статьи
О температурных напряжениях и их влиянии на прочность изделий
Особенности обоснования сейсмостойкости оборудования АЭС
Поверочный расчет зданий и сооружений на контрольное землетрясение
Нормативные требования к численному моделированию физических процессов
Проверка результатов МКЭ анализа
Особенности обоснования прочности оборудования АЭС
Особенности обоснования долговечности оборудования АЭС
Особенности обоснования долговечности оборудования АЭС
Особенности обоснования долговечности оборудования АЭС