Обоснование сейсмостойкости трубопроводов первого контура ВВЭР-1000 в соответствии с требованиями Российских Норм ПНАЭ и Американского кода ASME. Сравнительный анализ. Семинар ГП НАЭК «Энергоатом» по оценке сейсмичности площадок АЭС и проведению их сейсмической переоценки Украина, Киев, ноября 2011 года Виктор Костарев, президент ЦВС

Companion Guide to the ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Third Edition-Volumes 1, 2 & 3 под редакцией K.R. Rao

Нормативные документы; Классификация элементов и оборудования; Анализ прочности элементов трубопровода; Определение сейсмического воздействия; Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР Содержание

Нормативные документы Россия: ПНАЭ Г Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок НП , Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций НП , Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии НП , Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования

Нормативные документы Россия: РБ , Определение исходных сейсмических колебаний грунта для проектных основ; РБ , 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) 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 НормыОбозначениеНоминальные допускаемые напряжения ПНАЭ Класс 1, 2, 3 [ ] ASME Class 1 SmSm min(S t /3; 1.1S t *R t /3; (2/3)S y ; (2/3)S y *R y ; или 0.9Sy*R y для аустенитных сталей) ASME Class 2 ShSh min(S t /3.5; 1.1S t *R t /3.5; (2/3)S y ; (2/3)S y *R y (или 0.9S y *R y для аустенитных сталей)) Примечания: 1.номинальные допускаемые напряжения определяются по Приложениям в ASME Sec II, Part D; 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

Допускаемые напряжения

Варианты расчетов, сочетание нагрузок и категории напряжений Расчет Расчетные условия ASME BPVC Категории напряжений ASME BPVC Расчетный режим ПНАЭ 1Design ConditionsP m, P l, P b НУЭ 2Level A Service Limit P m, P l, P b, Q, F НУЭ 3Level B Service Limit P m, P l, P b, Q, F (OBE) НУЭ+ПЗ 4 Level C Service Limit P m, P l, P b ННУЭ 5Level D Service Limit P m, P l, P b (SSE) НУЭ+МРЗ Примечание: P, Q, F это категории напряжений (соответствуют S 2, S rk, S afk по ПНАЭ)

Критерии прочности по ASME Class 2 Расчет Категория напряжений Расчетные формулы Условие прочности ASME BPVC 1S SL 1.5S h NC SeSeS a =f(1.25S h +0.25S c )NC S OL min(1.8S h ; 1.5S Y )NC S OL min(3S h ; 2S Y )NC-3655

Анализ прочности по ASME Class 1

Критерии прочности по ПНАЭ Расчет Категория напряжений Расчетные формулы Условие прочности ПНАЭ 1 ( ) [ ] п ( ) RK п ( aF ) K a 1п ( s ) [ ]/1.9 [ ] п ( s ) 2 1.8[ ]

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)

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: D O /t n 40; 3.Уровень напряжений от весовой нагрузки ограничен величиной: 4.Напряжения от весовой и инерционной (реверсивной) нагрузки удовлетворяют уравнению: (Коэффициент B 2 ' ~ в 1.5 раза ниже B 2 )

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 Earthquake description; N Methods of dynamic analysis N "Damping (0.05 независимо от уровня воздействия) Труба Level BLevel DCase N OBE (ПЗ) SSE (МРЗ) Гц Гц> 20 Гц D > 305мм D < 305 мм 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

Исходное сейсмическое воздействие (демпфирование 2 %)

Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 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 BEND 1H12 1H REDU 3 A TEE 1C >>> Максимальные напряжения категории S2 (МРЗ) - не проходит элем. узел1 узел2 расчет допуск. FS PIPE ! BEND 1H12 1H REDU 3 A TEE 1C

Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 (ПНАЭ) Отношение расчетных напряжений к допускаемым

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, kNLisega Type SnubbersNumber of Devices Total Number of Devices: 8 HVD Approach Capacity, kNGERB VD Type HVDsNumber of Devices 8080VD-426/ VD-325/ Total Number of Devices: 3

РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТРУБОПРОВОДА АЭС С ГА И ВД Суммарные нагрузки на опоры трубопровода при установке 8- ми (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.