Оценка вероятности повреждения сварного соединения № 000 ПГВ-1000М с учетом фактических условий нагружения

ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ПОВРЕЖДЕНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ № 111 ПГВ-1000М С УЧЕТОМ ФАКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НАГРУЖЕНИЯ

,

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», г. Подольск

E-mail: *****@***ru

Введение

Первые повреждения парогенератора ПГВ-1000М в зоне сварного соединения № 111 «горячего» коллектора были обнаружены на ПГ-1 блока № 5 НВАЭС в ноябре 1998 года [1]. В дальнейшем подобные повреждения были обнаружены на восьми парогенераторах и на четырех из них повторно. На рисунке 1 показан парогенератор ПГВ-1000М и коллектор с характерными повреждением в зоне сварного соединения № 111.

Рисунок 1 – Парогенератор ПГВ-1000М

В настоящей работе получены оценки вероятности разрушения сварного соединения № 111 ПГВ-1000М для энергоблока № 5 НВАЭС с использованием уточненных данных по напряженному состоянию при следующих ограничениях и допущениях:

а) процесс зарождения дефектов не рассматривается;

б) плотность начальных трещин соответствует требованиям нормативной документации к качеству металла и не меняется в процессе эксплуатации;

в) влияние коррозионной среды на развитие дефектов учитывается следующим образом:

1) при коррозионном растрескивании под напряжением введением феноменологического коэффициента интенсивности напряжений К1scc, соответствующего растрескиванию материала в условиях коррозионной среды;

2) при коррозионно-усталостном развитии дефектов введением коэффициента А0 в уравнении Пэриса.

1 Исходные данные

1.1 Дефектность

Вероятностная оценка развития дефектов проводилась для шести уровней дефектности. При этом для всех шести уровней дефекты схематизируются в полуэллиптические поверхностные расчетные трещины.

Распределения размеров (длин и глубин) расчетных трещин для зоны сварного шва для всех шести уровней дефектности строятся следующим образом:

- закон распределения принимается логарифмически нормальным;

- математические ожидания логарифмически нормального распределения глубин и длин расчетных трещин определяются с использованием формул схематизации дефектов, как полусумма логарифмов ln(а0), ln(l0), соответствующих наименьшим фиксируемым эквивалентным площадям S0 и ln(а1), ln(l1), соответствующих наибольшим допустимым эквивалентным площадям S1:

qа = 0,5[ln(0,54(S0)0,5) + ln(0,54(S1)0,5)], (1)

ql = 0,5{ln[5(0,54(S0)0,5)] + ln[5(0,54(S1)0,5)]}; (2)

- стандартные отклонения логнормального распределения глубин и длин расчетных трещин для сварных швов и основного металла определяются соответственно путем численного решения следующих уравнений:

, (3)

, (4)

где а0, l0 – глубины и длины расчетных трещин, соответствующие наименьшим фиксируемым эквивалентным площадям [2]; a*, l* – заданные размеры расчетных трещин с вероятностями Pa(a £ a*), Pl(l £ l*), соответствующие выбранному уровню дефектности; qa, ql – математические ожидания логарифмов глубин и длин расчетных трещин, определяемые по формулам (1), (2); wa, wl – стандартные отклонения логарифмов глубин и длин расчетных трещин. Pa(a £ a*), Pl(l £ l*) – вероятности превышения глубин и длин расчетных трещин заданных размеров.

Математические ожидания qa, ql являются постоянными величинами для всех шести уровней дефектности, а стандартные отклонения wa, wl определяются с помощью уравнений (3), (4) в зависимости от заданных размеров расчетных трещин a*, l* для каждого уровня дефектности.

Первому уровню дефектности для зоны сварного соединения соответствуют дефекты с размерами, соответствующими наибольшим допустимым эквивалентным площадям S1 в соответствии с [2] с вероятностями их непревышения, равными 0,95. Со второго по шестой уровни дефектности соответствующие заданные размеры дефектов увеличиваются от размеров, соответствующих требованиям нормативной документации, до размеров, соответствующих постулированному дефекту в соответствии с [2]: a*=18 мм и l*=90 мм и вероятностями его непревышения: Pa(a £ a*) = Pl (l £ l*) = 0,95.

Распределение количества расчетных трещин по поверхности металла в зоне сварного шва описывается распределением Пуассона:

p(k) = m0k exp[-m]/k!, (5)

где m0 – математическое ожидание числа трещин в эталонной области постулируемого распределения p(k).

Оценка математических ожиданий количества дефектов для зоны сварного соединения № 111 зависит от максимально возможных размеров расчетных трещин a*, l*, то есть, зависит от рассматриваемого уровня дефектности.

Параметры логарифмически-нормального закона распределения глубин и длин начальных расчетных трещин и соответствующие им максимальные размеры дефектов, соответствующие 95 % вероятности их непревышения, для шести уровней дефектности, определенные в соответствии с представленным подходом, представлены в таблице.

Таблица – Распределение начальных дефектов

Уровень дефектности	Глубина дефекта	Длина дефекта	m0
qa	wa	a*	ql	wl	l*
1	0,911	0,114	3,0	2,521	0,114	15,0	15,3
2	0,535	6,0	0,535	30,0	5,1
3	0,782	9,0	0,782	45,0	3,8
4	0,957	12,0	0,957	60,0	3,2
5	1,092	15,0	1,092	75,0	2,9
6	1,203	18,0	1,203	90,0	2,8

1.2 Расчетные режимы

При расчете напряженно-деформационного состояния (НДС) была использована МКЭ-модель, приведенная на рисунке 2.

В качестве иллюстрации приведено напряженное состояние для номинального режима на рисунке 3.

Во время анализа проектные режимы: НУЭ, ННУЭ, ПА объединяются в расчетные режимы: холодное состояние – № 1, заполненное состояние – № 2, состояние при Тh – № 3, горячее состояние – № 4, состояние отключенной петли – № 5, номинальный режим – № 6, заполнение – № 7, гидравлическое испытание первого контура – № 8, гидравлическое испытание второго контура – № 9, разогрев до горячего состояния – № 10, подъем мощности – № 11, снижение мощности – № 12, срабатывание АЗ – № 13, отключение петли – № 14, подключение петли – № 15, расхолаживание – № 16, обесточивание станции – № 17, разрыв паропровода – № 18, малая течь – № 19.

Рисунок 2 – Расчетная модель

б)   а)

Рисунок 3 – Распределение интенсивности в номинальном режиме:

а) в коллекторе; б) в сварном соединение № 111

2 Вероятностная оценка

Расчеты вероятностей возникновения течей и крупномасштабного разрушения для зоны сварного соединения № 111 выполняются в следующей последовательности:

- подготовка исходных данных, построение распределений для рассматриваемых уровней дефектности;

- определение вероятности разрушения для каждого уровня дефектности;

- построение зависимости вероятности разрушения в зависимости от уровня дефектности.

Вероятностный анализ разрушения выполняется с использованием вычислительной программы МАВР-2.1. Прогнозируемое распределение глубин дефектов описывается плотностью распределения р(a, to), которая определяется начальным распределением обнаруженных в результате контроля дефектов p(ao, to) и вероятностью обнаружения дефектов Pd(a):

. (6)

Распределение плотности дефектов в расчетной области описывается распределением Пуассона (5).

При наличии в эталонной области k трещин условная вероятность разрушения этого элемента равна:

. (7)

Условная вероятность разрушения Р1i/PCJ(t) для i-го критерия разрушения при наличии одной трещины в момент времени t определяется следующим образом:

, (8)

(9)

Распределения критических глубин трещин Fт, i/PCJ(a, t) определяются на основе:

- критерия коррозионного растрескивания (по критическому коэффициенту интенсивности напряжений, соответствующему коррозионному растрескиванию):

K1 = K1scc, (10)

- критерия упругопластического разрушения (по критическому раскрытию трещины);

- критерия вязкого разрушения (по возникновения локальной пластической нестабильности).

Распределения критических длин трещин Fкр, i/PCJ(l, t) определяются на основе:

- критерия хрупкого разрушения (по критическому коэффициенту интенсивности напряжений):

- критерия упругопластического разрушения (по критическому раскрытию трещины);

- критерия вязкого разрушения (по возникновению общей пластической нестабильности).

Расчеты вероятности разрушения для зоны сварного соединения № 111 выполняются для шести уровней дефектности за четыре периода времени: 4 года, 10, 15, 20, 25 и 30 лет. В результате выполнения расчетов определяются:

- вероятности образования сквозных трещин для четырех механизмов разрушения, включая коррозионно-усталостный рост дефектов;

- вероятности крупномасштабного разрушения для трех механизмов разрушения.

3 Результаты расчетного анализа

В результате расчетов получены оценки вероятности образования сквозных трещин и крупномасштабного разрушения для рассматриваемых шести уровней дефектности и для разных периодов эксплуатации (4 года, 10, 15, 20, 25, 30 лет).

Графики изменения вероятности образования течи в зависимости от периода эксплуатации для разного уровня дефектности построены и представлены на рисунке 4.

Оценки вероятности крупномасштабного разрушения (КР) проводились по трем критериям разрушения: хрупкому (по критическому коэффициенту интенсивности напряжений), упругопластическому (по критическому раскрытию трещины), вязкому (возникновение общей пластической нестабильности). Результаты представлены на рисунке 5.

Рисунок 4 – Вероятность образования сквозной трещины при коррозионно-усталостном

росте дефектов

Рисунок 5 – Вероятность крупномасштабного разрушения для сварного соединения

№ 111 для разных уровней дефектности

Заключение

1 Проведен анализ конструкции, технологии изготовления и напряженного состояния при эксплуатации сварного соединения № 111.

2 Смоделированы 6 уровней дефектности.

3 Получены оценки вероятности течей и КР на основе методов механики разрушения для учтенного напряженного состояния.

4 Результаты приведены на рисунках 4, 5.

5 Дальнейшие развитие работы планируется в следующих направлениях:

- исследование влияния характеристик выявляемости систем контроля на ВАР;

- сбор и анализ данных по коррозионно-усталостному развитию дефектов для уточнения параметров К1scc, а также А0;

- анализ проектных и эксплуатационных режимов для оценки их влияния на ВАР.

Список литературы

1 , , Давиденко реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.

2 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г. – М.: Энергоатомиздат, 1989.