Разработка методики контроля вибродинамической нагруженности внутриреакторного оборудования ВВЭР-1000

Внутриреакторное оборудование ядерных энергетических установок с ВВЭР-1000, включающее внутрикорпусные устройства (ВКУ) и тепловыделяющие сборки (ТВС), в эксплуатационных условиях подвержено действию различного рода динамических нагрузок. Обеспечение вибродинамической надежности ВКУ и ТВС является важнейшим фактором, определяющим безопасность АЭС. Недооценка при проектировании водо-водяных реакторов предыдущего поколения гидродинамических сил от потока теплоносителя привела в свое время к износу и разрушению тепловых экранов, узлов крепления, опорных конструкций и других важнейших элементов ВКУ и ТВС /1−5/. Разработка конструкции элементов внутриреакторного оборудования ВВЭР-1000 проводилась на основе углубленного экспериментально-расчетного анализа рассматриваемых гидроупругих систем. Повышение требований к надежности и безопасности АЭС привело к расширению спектра рассматриваемых динамических нагрузок на ВКУ и ТВС реакторов нового поколения. Так, наряду с вибрациями от потока теплоносителя, при обосновании динамической прочности основного внутриреакторного оборудования ВВЭР-1000 принимаются в расчет возможные сейсмические воздействия, а также интенсивные перепады давления в случае проектной аварии.

В данных условиях эффективным представляется комплексное решение задач обеспечения надежности внутриреакторного оборудования, охватывающее цикл экспериментально-расчетных исследований на стадии разработки конструкции, проверку и подтверждение основных проектных решений в ходе предэксплуатационных испытаний при вводе энергоблоков АЭС в эксплуатацию, а также обоснование эксплуатационного ресурса ВКУ и ТВС.

В связи с вышеизложенным и с учетом интенсификации (начиная с 2000 г.) работ по вводу в строй энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 особую важность приобретает задача разработки методики предэксплуатационных динамических испытаний и измерений, включая применение критериев приемлемости результатов пусконаладочного контроля основного оборудования реакторных установок при вводе АЭС в эксплуатацию, что и составляет предмет настоящей работы.

Целыо работы является разработка методики контроля вибродинамической нагру-женности внутриреакторного оборудования ВВЭР-1000 на основе комплекса экспериментально-расчетных исследований, включавших: изучение возмущающих гидродинамических сил (выявление основных параметров, характеризующих нестабильность течения, и путей улучшения гидродинамики проточной части) — исследование фактической вибронагруженности элементов конструкций в ходе стендовых испытаний и их оптимизация по условиям вибропрочности, что, в свою очередь, предполагает изучение вибрационных характеристик конструктивных элементов (форм и частот собственных колебаний с учетом присоединенных масс жидкости, диссипативиых сил), а также анализ вибронагруженности при непроектных условиях закрепления внутрире-акторного оборудованиявыбор оптимальных методов и средств контроля вибродинамической нагруженно-сти ВКУ и ТВС в натурных условияхпроведение натурных динамических испытаний и предэксплуатационных измерений параметров вибрационного поведения внутриреакторного оборудования с последующим статистическим обобщением полученных данных;

О обоснование критериев приемлемости результатов пусконаладочного контроля динамики ВКУ и ТВС, обеспечивающих надежность контролируемого оборудования в течение проектного ресурса по условиям вибропрочности и износа.

Структура задач настоящих диссертационных исследований представлена следующей схемой:

Этапы внутриреакториых Содержание работ виброисследований.

Задачи атомной энергетики о.

— а.

Е о о я, а a.

S г я a я.

Натурные н модельные вибродинамические исследования внутриреакторного оборудования серийного ВВЭР-1000 гидродинамических нагрузок динамических характеристик и откликов.

Верификация расчетных методов анализа динамики ВКУ и ТВС напряженно-деформированного состояния.

Подтверждение подобия предшествующим испытаниям.

Обобщенное обоснование вибропрочности.

Методы и средства пусконаладочного виброконтроля ВКУ и ТВС.

Критерии пусконаладочного виброконтроля.

Соответствие критериям или выявление аномальных событий и вибросостояний о. о и О.

С w i й И я *.

•л Л tI.

0 >а я *.

1 g, а о.

— i S 3§.

5 X Ч.

J Jи.

V о U о я m я со.

5 м g ч с.

4.5.4. Основные результаты натурных виброисследований, выполненных на всех введенных в эксплуатацию серийных блоках АЭС с ВВЭР-1000, могут быть сведены к следующим.

Колебания основного оборудования РУ в потоке теплоносителя являются вынужденными. Так, из графиков спектральной плотности динамических напряжений в шахте реактора (рис. 3.1) видно, что в колебаниях преобладают частотные составляющие, связанные с работой ГЦН (16,6- 33,2- 49,8 и 99,6 Гц), а также с собственными колебаниями теплоносителя (0,8- 7,2- 10,0 Гц). Основная мощность спектров сосредоточена в частотном диапазоне до 200 Гц. В спектрах сигналов датчиков, установленных на исследуемых элементах, присутствуют также составляющие с более широкополосными максимумами спектральной плотности, характерными для демпфированных колебаний на собственных частотах исследуемого оборудования.

Для шахты к частотным составляющим спектров, полученным в процессе ХГО практически на всех исследованных блоках, определяемым собственными колебаниями, относятся частоты 5- 10- 14- 19- 24,49,64 Гц.

В спектрограммах, полученных по показаниям тензоакселерометров, установленных на головках ТВС, присутствует высокодобротный резонанс на частоте 3,0 Гц. Для спектров сигналов датчиков, установленных на обечайке БЗТ, характерно наличие частоты собственных колебаний 43 Гц.

В целом интенсивность собственных колебаний исследуемых элементов невелика, что объясняется значительным демпфированием (логарифмический декремент колебаний достигает 0,3) и что хорошо иллюстрируется на примере спектрограмм динамических напряжений в сходственных точках шахты головных реакторов ВВЭР-1000, построенных с использованием линейных масштабов (рис. 4.3), где преобладают составляющие с частотами возмущающих сил.

4.5.5. Анализ результатов динамических измерений на головных РУ с ВВЭР-1000 выявил наиболее вибронагруженные элементы исследуемого оборудования, что было подтверждено при проведении последующих измерений. Обобщение данных СПНИ позволило получить максимальные значения численных характеристик вибронагруженности оборудования РУ В-320 при проектных условиях по его изготовлению, сборке, наладке и эксплуатации.

Наиболее нагруженным элементом ВКУ является внутрикорпусная шахта. Уровень динамический напряжений и вибраций, замеренных в этом контролируемом элементе ВКУ, не превышал соответственно 0,8 МПа и 0,8 g по максимальным амплитудам. При этом, как и в случае пульсаций давления, уровень вибронагруженности шахты зависит не столько от расхода теплоносителя через реактор, сколько от сочетания работающих ГЦН. При несимметричном гидродинамическом нагружении внутриреакторного оборудования при работе трех ГЦН наблюдались значительные уровни динамических напряжений и виброускорений этого элемента. Во всех исследованных режимах остальные контролируемые элементы оборудования РУ нагружены меньше, чем шахта. Максимальные амплитуды динамических напряжений и вибраций обечайки БЗТ не превышают соответственно 0,4 МПа и 0,3 g. Значения аналогичных характеристик виброускорений элементов ИТВС (головки, направляющих каналов и имитаторов твэл) не превышали 0,6 g.

Slf), кПа.

SS=139 к Па U.

— Н.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100.

Гц.

10 20 30 40 50 60 а — блок 1 Балаковской АЭСб — блок 1 Запорожской АЭСв — блок 5 АЭС «Козлодуй».

Рисунок 4.3. Спектрограммы динамических напряжений в сходственных точках шахты головных реакторов ВВЭР-1000.

4.5.6. Как и для пульсаций давления, разработка контрольных (нормативных) значений динамических напряжений и вибраций первоначально была выполнена на основе многофакторного дисперсионного анализа результатов пусконаладочных измерений головных серийных установок с ВВЭР-1000.

При этом была реализована аналогичная схема дисперсионного анализа с теми же учитываемыми факторами, что и при анализе пульсаций давления.

Отличительной особенностью данного вида статистических обобщений являлось то, что при дисперсионном анализе напряжений и вибраций в качестве исходных данных использовался не весь массив результатов измерений, а только те данные, которые соответствовали проектным закреплениям элементов. В частности, из рассмотрения исключались результаты измерений на холодной обкатке, поскольку при этом реализуются другие граничные условия за счет того, что разделитель потока не касается шахты. Кроме того, проводилось сопоставление частот собственных колебаний рассматриваемых элементов с результатами исследований их виброхарактеристик на моделях, которые определялись при известных упруго-динамических характеристиках опорных узлов. Результаты анализа в виде контрольных значений максимальных амплитуд и частотных составляющих динамических напряжений и вибраций в контролируемых элементах ВКУ вошли в качестве одного из приемочных критериев в проектную документацию.

4.5.7. Для получения критериев параметров динамического отклика и вибронагру-женности оборудования РУ В-320 было проведено статистическое обобщение результатов пусконаладочных измерений практически всех действующих серийных блоков АЭС с ВВЭР-1000. Рассматривались только режимы, при которых обеспечивалось проектное закрепление элементов конструкций. Обобщение проводилось при доверительной вероятности 0,95. В качестве критериев динамического отклика и вибронагруженности оборудования РУ были приняты контрольные значения амплитуд, общих и частотных стандартов виброускорений и динамических напряжений, а также контрольные спектральные маски вибрационных процессов. Подход к получению контрольных спектральных масок виброускорений и динамических напряжений тот же, что и для пульсаций давления в различных зонах гидравлического тракта РУ. Они строятся на основе базовых частот, наиболее характерных для обобщенных спектров вибраций и/или динамических напряжений в контролируемых элементах. Интенсивность каждой частотной составляющей соответствует верхней границе доверительного интервала среднеквадратических значений виброускорений или динамических напряжений по обобщаемым данным при доверительной вероятности 0,95. В спектральной маске ширина каждой частотной полосы соответствует реальному диапазону изменения базовой частоты (с учетом шага дискретизации и расширения полос), полученному в результате статистического обобщения результатов натурных измерений. Нижняя граница интенсивности процесса в спектральных масках виброускорений и динамических напряжений определяется проявлениями и присутствием в измеренных сигналах широкополосного случайного шума.

4.6 Критерии приемлемости результатов пусконаладочных динамических испытаний.

4.6.1. Система контроля характеристик вибрационной нагруженности внутри-корпусных устройств, являющаяся составной частью СПНИ, предназначена для выполнения следующих задач:

1) получение информации о вибронапряженном состоянии внутриреакторных элементов и характере гидродинамических нагрузок на них;

2) оценка соответствия полученных данных проектным;

3) выявление и регистрации непроектных (аномальных) явлений и процессов, влияющих на работоспособность и прочность контролируемого оборудования;

4) систематизация информации о величинах и спектрах динамических нагрузок на элементы ВКУ в условиях максимально приближенных к эксплуатационным.

Также как и для других систем, исходя из решаемых задач, критерии приемлемости результатов динамических измерений характеристик вибрационной нагружепности ВКУ и ТВС были приняты по параметрам гидродинамического возбуждения, динамического отклика и вибронагруженности контролируемых элементов.

В качестве критериев используются контрольные значения амплитуд, общих и частотных стандартов, а также контрольные спектральные маски динамических процессов, определенные с помощью статистического обобщения результатов СПНИ РУ В-320.

4.6.2. При проведении экспресс-анализа данных СПНИ с использованием вышеуказанных критериев приемлемость результатов обеспечивается непревышением контрольных значений, спектрограммы исследуемых процессов также не должны превышать контур контрольных спектральных масок.

Обобщение параметров отклика ВКУ и их вибронапряженного состояния показало, что характерными зонами и элементами являются: по динамическим напряжениям и виброускорениям — обечайка шахты в зонах входных и выходных патрубков, обечайка шахты в нижнем сечении, обечайка БЗТ. Контрольные значения параметров, обеспечивающих приемлемость результатов пусконаладочных динамических испытаний ВКУ реактора, приведены в табл. 4.2, контрольные спектральные маски представлены на рис. 4.4 — 4.7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе комплекса лабораторных, стендовых и натурных исследований внутриреакторного оборудования ВВЭР-1000 разработана методика, использование которой позволило определить вибрационные характеристики основных несущих конструкций, включая частоты и формы низших собственных колебаний внутрикорпусной шахты реактора и ТВС.

Выявлены и оценены факторы, определяющие параметры вибродинамического поведения ВКУ и ТВС ВВЭР-1000 в стационарных и переходных режимах.

Подтвержден вынужденный характер колебаний внутриреакторного оборудования под действием частотных составляющих, генерируемых ГЦН, а также широкополосного спектра динамических нагрузок движущегося теплоносителя.

Разработаны критерии приемлемости гидродинамической нестабильности потока теплоносителя в первом контуре, динамического отклика и вибронагруженности элементов оборудования РУ, включающие в себя контрольные значения амплитуд, общих и частотных стандартов, а также контрольные спектральные маски динамических процессов.

Определен и включен в пусконаладочную документацию объем и состав динамических испытаний и измерений для применения на вводимых серийных энергоблоках АЭС с ВВЭР-1000.

Показано, что при непревышении соответствующих контрольных значений вибропрочность внутриреакторного оборудования по условиям усталости и износа обеспечивается в течение проектного ресурса.

Предложена и реализована в проектао-конструкторской документации оптимальная конфигурация систем пусконаладочного виброконтроля внутриреакторного оборудования.

Показана эффективность разработанной и используемой в ходе предэксплуатацион-ных испытаний последовательно пускаемых энергоблоков ВВЭР-1000 системы пусконала-дочных динамических измерений ВКУ и ТВС как базисного инструмента диагностического контроля гидродинамических нагрузок и вибронапряженного состояния внутриреакторного оборудования.

Обеспечено своевременное выявление аномальных вибросостояний контролируемого оборудования в ходе пусконаладочных работ энергоблоков № 1 Калининской АЭС, № 2 Южноукраинской АЭС, № 1 Хмельницкой АЭС, № 1 Волгодонской АЭС, № 6 АЭС «Козлодуй» и № 6 Запорожской АЭС с выработкой рекомендаций, реализация которых привела к снижению показателей гидродинамических возмущений и виброактивности (нагруженности) до уровней проектных значений. =.

Определены показатели измерительных каналов и конструктивного исполнения первичных преобразователей, обеспечивающие представительность получаемой информации.

Установлен перечень возможных непроектных условий взаимного раскрепления внутриреакторного оборудования и параметров гидродинамических нагрузок, а также особенности их проявлений в контролируемых характеристиках.

Намечены пути дальнейшего повышения эффективности вибродинамического комплекса СПНИ.