Исследования собственных динамических характеристик при обосновании устойчивости оборудования АЭС к сейсмическим и другим внешним воздействиям

Любой промышленный объект прежде всего должен полностью соответствовать своему назначению в выполнении возложенных на него функций и удовлетворять требованиям максимальной надежности, эффективности, экономичности и безопасности для людей и окружающей среды при расчетных режимах штатной эксплуатации. Однако в реальных условиях объекты могут подвергаться также экстремальным внешним воздействиям как природного, так и связанного с человеческим фактором техногенного (случайного или преднамеренного) происхождения.

Для обеспечения надежности и экологической безопасности промышленных предприятий такие экстремальные воздействия должны быть тщательно проанализированы и учтены по мере возможности еще на стадиях проектирования и сооружения, а предусмотренные в проектах меры защиты от внешних воздействий должны совершенствоваться и дополняться в процессе эксплуатации по мере усовершенствования наших знаний по природе этих воздействий, их интенсивности, а также по методам и средствам защитных мероприятий.

Особое значение данная проблема имеет для объектов повышенной ответственности и потенциальной опасности для людей и окружающей природы, связанных с производством либо использованием радиоактивных, токсичных, пожарои взрывоопасных материалов и изделий.

Среди этих объектов наиболее ответственными с точки зрения безопасности людей и экологии являются ОИАЭ и особенно АЭС, поскольку они, как правило, размещаются вблизи крупных городов и промышленных центров. Это связано с тем, что крупные аварии на ОИАЭ и, в частности, АЭС создают угрозу радиоактивного заражения атмосферы, почвы, зеленых насаждений и водной среды на огромных расстояниях в сотни и тысячи км и в течение длительного времени (в десятки лет). Трагическими примерами являются взрывы атомных бомб над японскими городами Хиросима и Нагасаки в 1945 г. и чернобыльская катастрофа в 1986 г. Первая трагедия произошла по злой воле государства, которое в политической борьбе двух систем сознательно перешло все мыслимые пределы разума и человечности. Вторая была вызвана недостаточностью опыта и знаний конструкторов, ученых и эксплуатационного персонала. При этом следует не забывать, что при аварии в 1979 г. на АЭС «Three Mile Island» в США человечество было на грани еще более тяжелых последствий, чем вызванных аварией на Чернобыльской АЭС. Наконец, совершенно свежий примертяжелейшие последствия на японской АЭС «Фукусима-Даичи», вызванные на этот раз сильнейшим океаническим землетрясением. Это событие непосредственно касается темы данной диссертации.

Ограниченность технически доступных и экономически оправданных для добычи мировых запасов нефти и газа, транспортные и экологические проблемы использования каменного угля, крайне ограниченные по масштабам возможности использования возобновляемых источников солнечной, ветровой, геотермальной и приливной энергии, гуманитарные и этические барьеры на пути широкомасштабного производства биотоплива, в лучшем случае весьма далекие во времени перспективы решения технических проблем по обеспечению практического использования термоядерной энергии — все это привело к очевидности того, что в обозримом будущем реальной альтернативы атомной энергетике (по крайней мере в производстве электроэнергии) у человечества нет [1, 2].

В результате общие масштабы развития мировой атомной энергетики (в настоящее время в мире действует около 450 ядерных энергоблоков с установленной электрической мощностью более 370 тыс. МВт) при всех локальных колебаниях в отдельных странах будут неизбежно расти. Безусловно, это возможно только при условии обеспечения максимально возможной безопасности.

Перечень возможных внешних экстремальных воздействий достаточно обширен, однако по комплексу факторов одними из наиболее опасных являются землетрясения.

Сейсмические колебания, передаваемые через грунт на основание сооружения, его строительные конструкции и технологическую начинку, по своей природе имеют стохастический характер с резко выраженной резонансной областью частот. В связи с этим при анализе устойчивости промышленных объектов к сейсмическим воздействиям важнейшее значение приобретает надежное знание СДХ (форм, частот и декрементов колебаний) всех ответственных элементов этих объектов — строительных сооружений, несущих конструкций, технологического оборудования, коммуникаций.

Данная работа посвящена методам определения и анализу СДХ важного для безопасности технологического оборудования АЭС, которые определяют расчетные нагрузки на оборудование при сейсмических воздействиях и, как следствие, корректность оценок его сейсмостойкости.

По своей физической природе сейсмическим воздействиям на конструкции аналогичны и другие внешние воздействия резонансного характера. К ним относятся такие воздействия техногенного происхождения, как удары о сооружения промышленных объектов тяжелых летящих предметов при авиакатастрофах, воздействие взрывной ударной волны при разного рода взрывах на площадках АЭС либо в непосредственной близости от них.

В этих случаях, как и при анализе сейсмостойкости, определяющими характеристиками воспринимающих воздействие конструкций (технологических систем, оборудования) являются их собственные частоты и ДК. В связи с этим задача экспериментального исследования СДХ ответственного за безопасность АЭС технологического оборудования приобретает универсальный характер, обеспечивая исходные данные для анализа устойчивости оборудования ко всем видам внешних воздействий резонансного характера.

В то же время следует отметить, что до настоящего времени основные работы в области устойчивости конструкций АЭС к внешним воздействиям были направлены на решение задач проверки и обеспечения их сейсмостойкости. В части анализа других динамических воздействий (падение самолета, взрывная ударная волна) объем выполненных работ к настоящему времени крайне ограничен. В связи с этим автор в своей работе использует термин «сейсмостойкость», имея ввиду полную применяемость полученных результатов по собственным частотам и декрементам колебаний ко всем вышеперечисленным видам внешних воздействий.

В исследованиях СДХ особое внимание было уделено автором изучению декрементов колебаний в различных конструкциях в связи со сложным механизмом процессов демпфирования, весьма ограниченными фактическими данными и значительными проблемами в области обработки и анализа результатов экспериментальных исследований декрементов колебаний.

Целью диссертационной работы является повышение безопасности АЭС при внешних воздействиях путем разработки и практической реализации усовершенствованных методик и алгоритмов экспериментального определения СДХ, ответственного за безопасность оборудования АЭС в условиях его фактического состояния (раскрепления и внешней обвязки), расширение и анализ банка данных по результатам динамических исследований оборудования, необходимым для корректного задания нагрузок на оборудование при анализе его сейсмостойкости.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить критический анализ нормативных методов подтверждения сейсмостойкости оборудования и практических результатов их использования.

2. По результатам системного анализа существующих методов проведения ДИ и обработки экспериментальных данных, с учетом модернизации программно-технических средств и накопленного практического опыта, разработать комплексную методику обработки экспериментальных данных, позволяющую с высокой достоверностью определять СДХ оборудования (собственные частоты и, особенно, декременты колебаний).

3. Определить и проанализировать основные факторы, влияющие на точность экспериментального определения динамических характеристик оборудования.

4. На основании результатов статистических исследований полученных экспериментальных данных о фактических значениях СДХ оборудования и выявления статистических закономерностей определить актуальность усовершенствования существующих нормативных документов и возможности оптимизации объемов натурных ДИ.

Научная новизна положений диссертации, выносимых на защиту, состоит в следующем:

1. Разработана комплексная методика обработки результатов испытаний по определению динамических характеристик оборудования в натурных условиях монтажа и эксплуатации.

2. Установлены границы применимости метода определения декрементов колебаний по ширине спектральной линии спектров мощности Фурье (спектральный метод) и разработаны новые методы для определения декрементов вне пределов применимости спектрального метода.

3. Выполнен стадистический анализ полученного (в т.ч. при непосредственном участии автора) обширного экспериментального материала по фактическим значениям динамических характеристик практически по всем типам и видам тепломеханического и электротехнического оборудования энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

4. Выявлены статистические закономерности, присущие динамическим характеристикам собственных колебаний оборудования в условиях его фактического состояния (в реальных условиях монтажа, раскрепления и внешней обвязки), имеющие практическое значение для определения расчетных нагрузок от сейсмических воздействий на оборудование и оптимизации объемов натурных ДИ.

Степень достоверности результатов выполненных исследований подтверждается:

1. Применением современных методов постановки, проведения и обработки результатов исследований с учетом конструкционных и физических особенностей исследуемого оборудования и используемых средств измерений.

2. Применением математических и статистических методов исследований с использованием современной вычислительной техники.

3. Положительными результатами практического использования разработанной комплексной методики обработки экспериментальных данных.

4. Применением наиболее современных прецизионных датчиков и электронной аппаратуры при проведении испытаний.

Практическая значимость результатов:

1. Даны конкретные рекомендации по усовершенствованию действующих нормативных документов, регламентирующих экспериментальные, расчетные и расчетно-экспериментальные исследования сейсмостойкости оборудования.

2. Усовершенствована методология проведения и анализа результатов ДИ основного технологического оборудования АЭС при вводе в эксплуатацию новых энергоблоков и модернизации действующих.

3. При непосредственном участии автора разработана и апробирована на пусковых и действующих энергоблоках АЭС, а также на предприятиях — разработчиках и изготовителях автономного оборудования комплексная методика обработки результатов испытаний по определению СДХ оборудования в натурных условиях его монтажа, раскрепления, обвязки и эксплуатации.

4. Повышнена достоверность результатов динамических испытаний по определению СДХ за счет выявленния и анализа методических и инструментальных факторов, влияющих на точность экспериментального определения частот и декрементов колебаний оборудования АЭС.

5. Выполнена классификация важного для безопасности оборудования АЭС по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях;

6. Определены и предложены минимальные значения декрементов колебаний для различных типов оборудования по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях в зависимости от направлений воздействий и собственных частот колебаний для принятия в качестве консервативных нормативных значений в случае отсутствия реальных экспериментальных данных на стадии выполнения проектных обоснований сейсмостойкости.

7. Получены эмпирические кривые для определения в случае отсутствия реальных экспериментальных данных декрементов колебаний трубопроводной арматуры без собственных опор и с собственными опорами в зависимости от диаметров условных проходов трубопроводов, направлений динамических воздействий и частот собственных колебаний.

8. Представлены материалы и экспериментальные данные, дополняющие современные представления о динамическом поведении конструкций и оборудования, которые могут быть использованы заводами-изготовителями и проектными организациями при проектировании и изготовлении сейсмостойкого оборудования с высокой динамической прочностью.

Автор защищает:

1. Результаты исследования и обобщения методических вопросов, связанных с оценкой сейсмостойкости промышленного оборудования.

2. Результаты разработки алгоритмов и методов обработки результатов испытаний по определению СДХ оборудования.

3. Результаты исследования влияния инструментальных и методических факторов на точность определения СДХ оборудования.

4. Результаты статистических исследований экспериментальных данных о фактических значениях СДХ оборудования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

— Всероссийская научно-техническая конференция «Молодые ученые науке и производству», г. Старый Оскол, СТИ МИСиС, 17−18 апреля 2008 г.;

— Международная научно-практическая конференция преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производство и управление», г. Старый Оскол, СТИ МИСиС, 24−25 ноября 2009 г.;

— IV международное совещание по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте, г. Москва, ИМАШ РАН, 2009 г.;

— Семинар «Водородные технологии для внедрения в энергетике и на транспорте» 10-й юбилейной специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», г. Москва, ВВЦ, 2009 г.;

— Семинар «Атомно-водородные технологии для внедрения в энергетике и на транспорте» Научно-практической конференции «От инноваций к технике будущего» 11-й специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК», г. Москва, ВВЦ, 23−26 ноября 2010 г.;

— Конкурс докладов молодых ученых и специалистов «Проектирование в энергетике XXI века» на Международной конференции проектировщиков АЭС, г. Нижний Новгород, НИАЭП, 28−29 октября 2010 г.;

— 2-я международная научно-техническая конференция «Ввод АЭС в эксплуатацию», г. Москва, 23−24 апреля 2012 г.;

8-я международная научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», г. Москва, 23−25 мая 2012 г.;

— международная конференция по защите от землетрясений и цунами в свете инцидента на АЭС «Фукусима-Даичи». МАГАТЭ, Вена, Австрия, 4−7 сентября 2012 г. а также на различных семинарах, совещаниях и заседаниях НТС в:

— ОАО «Концерн Росэнергоатом»;

— ОАО «НИАЭП»;

— ИМАШ РАН;

— ОАО «Атомтехэнерго»;

— ОАО «ВНИИАМ»;

— ФГУП «НИКИЭТ»;

— ООО НТЦ «ЭДС» (МЭИ).

Основные результаты работы опубликованы в 13-ти печатных изданиях, в том числе в 6-ти публикациях в ведущих рецензируемых научно-технических журналах, а также в большом количестве научно-технических отчетов ОАО «ВНИИАМ» и ОАО «Атомтехэнерго» о выполнении обследований сейсмостойкости технологического оборудования пусковых и действующих энергоблоков АЭС и промышленного электротехнического и технологического оборудования, аттестуемого заводами-изготовителями для поставок в регионы с повышенной сейсмической активностью.

Личный вклад автора в полученные результаты:

— при непосредственном участии автора, в том числе под его непосредственным руководством в период с 2005 года и по настоящее время выполнен основной объем работ, связанных с проведением ДИ и обработкой полученных экспериментальных данных основного технологического оборудования на энергоблоках №№ 2,3,4 Ленинградской АЭС, № 2 Ростовской АЭС и № 4 Калининской АЭС;

— автором лично выполнены статистические исследования полученных в ходе обследований на сейсмостойкость экспериментальных данных о СДХ оборудования на энергоблоках №№ 1, 2, 3, 4 Ленинградской АЭС, №№ 1, 2 Ростовской АЭС, № 2 Калининской АЭС;

— автором внесен определяющий личный вклад в разработку и внедрение комплексной методики обработки экспериментальных данных с использованием новых математических методов, выполнен комплекс экспериментальных исследований, позволяющих с высокой достоверностью определять СДХ оборудования;

— при непосредственном участии автора, в том числе под его непосредственным руководством в период с 2008 года и по настоящее время организована и проведена аттестация на сейсмостойкость ряда видов автономного технологического оборудования на многочисленных предприятиях — разработчиках и изготовителях этого оборудования в России и за рубежом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнен анализ и предложена структура действующих в России федеральных и отраслевых НД по учету сейсмических воздействий на АЭС, их технологические системы и элементы (оборудование). По ряду вопросов как отечественные документы, так и документы МАГАТЭ содержат неточности и даже отдельные несоответствия, особенно по выбору значений ДК при задании на оборудование нагрузок от сейсмических воздействий, в связи с чем определены актуальность и конкретные пути усовершенствования действующих НД, а также актуальность разработки нового отраслевого методического НД, регламентирующего методы испытаний по определению СДХ и алгоритмы обработки получаемых экспериментальных данных, рекомендации по выбору испытательного оборудования и по верификации расчетных моделей исследуемого оборудования.

2. Выполненный автором критический анализ нормативных методов оценки сейсмостойкости оборудования и практических результатов их использования показал, что важнейшими данными, во многом определяющими сейсмостойкость оборудования, являются его СДХ при реальных условиях монтажа, раскрепления и трубопроводной обвязки непосредственно на АЭС, что подтверждает необходимость обязательных проверок сейсмостойкости на базе ДИ важного для безопасности оборудования непосредственно на пусковых и действующих энергоблоках АЭС.

3. Выполнен анализ и определены достоинства и недостатки применяемых при ДИ оборудования АЭС способов возбуждения колебаний.

4. Предложены рекомендации по выбору точек установки датчиков в зависимости от типов исследуемого оборудования при проведении ДИ.

5. Разработана комплексная методика обработки экспериментальных данных, позволившая с высокой достоверностью определять СДХ оборудования АЭС.

6. Предложены процедуры предварительной обработки экспериментальных акселерограмм и спектров мощности Фурье с использованием программы «VST Decrements 07».

7. Определены возможности и ограничения спектрального метода определения ДК. Показано, что значения ДК на малых частотах 1−10 Гц, определенные по СМОД, оказываются сильно завышенными.

8. Для вычисления малых декрементов на малых частотах предложено использование метода сглаживания, основанного на прямом вычислении декремента по сглаженной акселерограмме, и метода огибающих, основанного на численном определении среднего наклона в зависимости логарифмов амплитуд от времени.

9. Разработан новый отраслевой документ, в который вошли предложенные автором рекомендации по процедуре проведения испытаний и предложенные методы обработки экспериментальных данных.

10. Выполнена классификация важного для безопасности оборудования АЭС по характеру его динамического поведения при сейсмических воздействиях.

11. Существенно дополнен и проанализирован обширный банк данных по результатам ДИ по всей номенклатуре тепломеханического оборудования на энергоблоках с реакторами ВВЭР-1000 и РБМК-1000.

12. Исследован характер влияния на точность экспериментального определения СЛХ оборудования основных инструментальных и методических факторов: неравномерности АЧХ канала записи акселерограмм, малости воздействий при возбуждении колебаний малых амплитуд и завышения ДК, связанного с ограничениями СМОД.

13. На основе выполненного дифференцированного статистического анализа частот и ДК для различных типов оборудования АЭС выявлено, что около 65% всего оборудования имеют низшую собственную частоту <33 Гц и ДК в диапазоне 0,01- 0,05, причем для каждой из рассматриваемых групп от 10 до 40% единиц имеют декременты менее величины 0,02, установленной ПНАЭ Г-7−002−86. В связи с этим, выявлена необходимость соответствующей корректировки нормативных требований по выбору значений ДК при задании инерциальных нагрузок на оборудование от сейсмических воздействий при проведении проектных расчетов.

14. Определены и предложены для принятия в качестве консервативных нормативных значений в случае отсутствия реальных экспериментальных данных минимальные значения ДК для всех рассмотренных типов оборудования в зависимости от направлений динамических воздействий и собственных частот колебаний.

15. На основе выполненного статистического анализ экспериментально полученных собственных частот и ДК для включенных в базу данных 766 единиц трубопроводной арматуры с вынесенным приводом с различными условиями закрепления показано, что при расчетном обосновании сейсмостойкости арматуры необходимо учитывать несколько декрементов, соответствующих различным направлениям воздействий, диаметру условного прохода стыкуемого трубопровода и значениям собственных частот.

16. По результатам обобщенного анализа полученных экспериментальных данных предложены графические зависимости для определения консервативных значений ДК трубопроводной арматуры в зависимости от набора параметров, условно характеризующих её жесткость (диаметр стыкуемой трубы, наличие опор, направление воздействия и собственные частоты колебаний), что заметно повысит надежность предварительных оценок сейсмостойкости арматуры на стадиях её разработки и проектирования.