авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |

Характерные особенности расчетного обоснования прочности элементов конструкций ядерных реакторов на стадии эксплуатации и при создании новых установок

-- [ Страница 1 ] --

Российский научный центр «Курчатовский институт»

ИНСТИТУТ

РЕАКТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

УДК 621.039.531

Сергеева Людмила Васильевна

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТНОГО ОБОСНОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ НА СТАДИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРИ СОЗДАНИИ НОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.14.03- «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва-2007

Работа выполнена в Российском научном центре «Курчатовский институт»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бараненко Валерий Иванович

доктор технических наук Хмелевский Михаил Яковлевич

доктор технических наук, профессор Щепинов Валерий Павлович

Ведущая организация:

ФГУП ОКБМ им. И.И. Африкантова (603074, г. Нижний Новгород, Бурнаковский пр.,15)

Защита диссертации состоится_________2007г. в ____ч.____мин.

на заседании диссертационного совета Д 520.009.06 в Российском научном

центре «Курчатовский институт» по адресу 123182, г. Москва, пл. Курчатова, д.1.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт»

Автореферат разослан_____________2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.Г.Мадеев

Актуальность проблемы

Учет характерных особенностей расчетов на прочность элементов конструкций ядерных реакторов актуален, как при продлении срока эксплуатации этих реакторов, так и при создании новых установок. К числу таких особенностей относится существенная пластичность и ползучесть, связанные с высокими температурами и длительными сроками эксплуатации, анизотропия свойств реакторных материалов, в частности, таких широко используемых, как графит и сплавы циркония; изменение механических свойств под действием облучения, влияние активной разрушающей среды, особенно коррозионной. Существенную роль могут сыграть такие специфические виды коррозии, как, например, нодульная коррозия, рассмотрение которой также представляется весьма актуальным. Кроме того, важной и актуальной проблемой является снижение и исчерпание прочности вследствие эрозионно-коррозионного износа трубопроводов - элементов второго контура.

Уточнение всех расчетных прогнозов, в частности, предполагаемого ресурса в настоящее время приобретает всё большую актуальность. На первых энергоблоках РБМК уже встал вопрос о продлении срока службы сверх проектного тридцатилетнего до сорока пяти лет, поэтому весьма актуальными представляются расчеты на прочность графитовой кладки, которая является несменяемой частью реактора.

Эти расчеты предполагают рассмотрение всего процесса деформирования кладки вплоть до стадии образования и роста трещин.

Актуальными являются также расчеты на прочность в свете концепции “течь перед разрушением”, удовлетворение положений которой позволяет отказаться от рассмотрения возможности крупномасштабного разрушения, важно лишь своевременно обнаружить течь и безопасно остановить реакторную установку.



Не менее актуальными являются расчеты на прочность элементов конструкций вновь создаваемых реакторных установок. Важнейшей составляющей дальнейшего развития цивилизации становится водородная энергетика. В данной работе представлены расчеты на прочность элементов графитовых отражателей ВГ-400. Проведен сравнительный анализ прочности блоков графитового отражателя трех типов.

Цели и задачи работы

Целью работы является разработка методик, алгоритмов и расчетных программ для проведения вариантных расчетов, позволяющих рассчитать напряженно-деформированное состояние и прочностные характеристики, закладываемые в критерии прочности, необходимые для оценки целостности и работоспособности реакторных конструкций.

В числе задач данной работы следует назвать:

- разработку математической модели и вывод определяющих уравнений для расчета напряженно-деформированного состояния в элементах реакторных конструкций, материалы которых обладают существенной анизотропией, в частности, такие как сплавы циркония и графит;

- разработку методик и программ, с помощью которых можно рассчитать такие прочностные характеристики как функция повреждаемости, коэффициент интенсивности напряжений, J-интеграл, раскрытие трещины в вершине;

- создание трехмерной оболочечной программы для расчета сосудов давления, трубопроводов, патрубков и других оболочечных конструкций и проведение расчетов по ней;

- разработку двух и трехмерных программ для расчетного исследования элементов графитовой кладки с учетом анизотропии свойств, образования и роста трещин и других особенностей внутриреакторного поведения;

- исследование устойчивости оболочек твэлов;

- математическое моделирование роста трещин в трубопроводах в условиях коррозионно-активной среды;

- проведение расчетов напряженно-деформированного состояния в трубопроводах второго контура АЭС с ВВЭР, имеющих утонения вследствие эрозионно-коррозионного износа;

- разработку математической модели и вычислительной программы нодульной коррозии канальных труб;

- разработку методики расчета кинетики роста трещин в трубопроводах по механизму водородного охрупчивания;

- создание методики, программы и проведение вариантных расчетов для определения площади проходного сечения сквозных трещин, как кольцевых, так и продольных, в стенке корпуса ВВЭР, для вероятностной программы, а также вывод аппроксимирующей зависимости площади трещины от характеристик материала, размеров трещины и напряжений;

- создание методики расчета кинетики развития микротрещин в особо тонкостенных оболочках, в которой учитываются индивидуальные процессы роста и слияния субмикротрещин в микротрещины.

- написание программы и расчеты на прочность элементов графитовых отражателей ВТГР.

Научная новизна и практическая значимость работы

При расчетах на прочность разработаны не только математические модели, дающие возможность оценить прочность конструкций с традиционных позиций, позволяющих определить напряженно-деформированное состояние, но и программы, с помощью которых можно рассчитать такие прочностные характеристики как функция повреждаемости, J-интеграл.

Впервые разработаны методики, в которых учитывается неравномерное взаимодействие отдельных элементов конструкций, таких, например, как графитовая кладка и канальная труба реактора РБМК.

Впервые получены результаты исследования влияния такого технологического дефекта, как исходная овальность на потерю устойчивости оболочки твэлов ВВЭР и РБМК.

С участием автора была получена функция повреждаемости для материалов оболочек твэлов ВВЭР.

Разработанная методика и программа позволили осуществить вариантные расчеты для оценки влияния исходных параметров (в частности, начальной глубины) технологических трещинообразных дефектов на работоспособность элементов конструкций ядерных реакторов (твэлов, трубопроводов, канальных труб) и научно обосновать браковочные признаки.

Результаты исследования прочности графитовых втулок сложного профиля вошли в “Нормы расчета на прочность типовых узлов и деталей из реакторного графита уран-графитовых реакторов”.

Программа расчета напряженно-деформированного состояния графитовых блоков отражателей ВТГР передана в отдел высокотемпературной энергетики и внедрена в практику вычислительных расчетов.

Методика и программа для расчета площади проходного сечения сквозных трещин, как кольцевых, так и продольных, в стенке корпуса реактора типа ВВЭР были в составе вероятностной методики и программы переданы в ОКБ «Гидропресс» и другие организации отрасли, а также в Китайскую народную республику.

Получена аппроксимирующая зависимость изменения площади трещины при вариациях механических характеристик материала, длины трещины и уровня напряжений, возникающих в конструкции при эксплуатационном нагружении.

Методика и результаты расчета кинетики изменения напряженно-деформированного состояния и раскрытия трещин в элементах металлоконструкций вошли в комплекс работ, выполненных для оценки и обоснования остаточного ресурса металлоконструкций промышленных уран-графитовых реакторов, а также были использованы для прогнозирования процесса разрушения основных элементов металлоконструкций ПУГР и постепенного вывода их из эксплуатации.

Автор выносит на защиту

- методику расчетного исследования кинетики роста трещин в элементах конструкций активных зон с учетом воздействия внешней среды;

- методику, программу и результаты вариантных расчетов площади проходного сечения сквозных трещин, как кольцевых, так и продольных, в стенке корпуса реактора, типа ВВЭР в свете концепции «течь перед разрушением»;

- трехмерную конечно-элементную модель и программу расчета напряженно-деформированного состояния элементов графитовой кладки, позволяющую учитывать существенную анизотропию свойств графита в разных направлениях, а также во времени;

- модель расчета напряженно-деформированного состояния при неравномерном исчерпании зазора и дальнейшем контакте элементов графитовой кладки и трубы технологического канала с учетом упругих, вязкопластических деформаций, а также того, что графит и канальная труба обладают существенной анизотропией свойств;

- результаты исследования влияния такого технологического дефекта, как исходная овальность на потерю устойчивости оболочки твэла;

- математическую модель и вычислительную программу нодульной коррозии канальных труб;

- трехмерную оболочечную программу для расчета сосудов давления, трубопроводов, патрубков и других оболочечных конструкций и результаты расчетов по ней;

- проведение расчетов напряженно-деформированного состояния в трубопроводах второго контура АЭС с ВВЭР, имеющих утонения вследствие эрозионно-коррозионного износа;

- расчеты на прочность элементов графитовых отражателей ВТГР.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на всесоюзных, российских и международных семинарах, конференциях и симпозиумах.

Цикл работ, выполненных Сергеевой Л.В. и в соавторстве, был отмечен почетным дипломом Академии наук СССР (1983г.), премиями им. И.В. Курчатова на конкурсе научных работ РНЦ «Курчатовский институт» (трижды).

Сообщения и публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано более 120 работ, из них более 35 печатных.

Работы, составляющие основное содержание диссертации, опубликованы:

  • в отечественных журналах: «Атомная энергия», «Вопросы атомной науки и техники» (ВАНТ), «Вестник машиностроения», «Справочник. Инженерный журнал», в зарубежном журнале «Nuclear Engineering and Design»,
  • в трудах международных конференций « Proceedings International Conference on Pipeline Safety», 1997г. и 1999г.

- в материалах отраслевого семинара "Вопросы прочности и надежности элементов активных зон энергетических ядерных реакторов", г. Обнинск, 1982г.

  • в сборнике научных трудов МИФИ «Проблемы материаловедения атомной техники», Москва, Энергоатомиздат, 1989г.

- в материалах семинара "Прочность и надежность элементов активных зон энергетических ядерных реакторов", Обнинск, 1991г.

Структура диссертации

Диссертация изложена на 293 страницах, включая 118 рисунков и 11 таблиц, а также список использованных источников из 238 публикаций; состоит из введения, 5-ти глав и заключения (общих выводов).

Содержание работы

Во введении сформулированы задачи настоящей работы

Глава 1.

В первой главе изложены основы математического моделирования поведения материала в специфических условиях высоких температур, реакторного облучения, длительной эксплуатации, когда во многих случаях необходимо учитывать пластичность, ползучесть, радиационные рост, усадку или распухание, анизотропию свойств и охрупчивание материала, причем ряд из этих особенностей одновременно.





Для многих практических задач в качестве модели деформирования анизотропного материала используется математическая модель Хилла. В рамках указанной модели поверхности текучести и потенциала ползучести в пространстве напряжений представляют собой эллипсоиды с центром в начале координат, которые расширяются подобно самим себе в процессе деформирования. Для многих практических задач такая модель деформирования является грубой.

Для совершенствования математической модели анизотропного материала были предприняты попытки учесть смещение поверхности текучести и потенциала ползучести наряду с их расширением. В результате чего были получены определяющие уравнения для расчета напряженно-деформированного состояния реакторных конструкций, учитывающие указанные особенности поведения анизотропных материалов.

Система уравнений как обычно включает уравнения равновесия, уравнения совместности деформаций и физические соотношения, с помощью которых задаются свойства материалов.

Уравнения равновесия в полярной системе координат имеют вид:

,

(1)

где r, z – радиальная и осевая координаты соответственно; – полярный угол,- компоненты тензора скоростей напряжений.

Известные уравнения совместности деформаций в данном случае можно было записать следующим образом:

; ;;;, (2)

где , ,- компоненты скоростей перемещений в направлениях r, , z, - компоненты тензора скоростей деформаций.

Физические соотношения в данном случае требуют более подробного рассмотрения.

Скорость пластических деформаций в рамках рассматриваемой модели определяется по формуле:

(3)

где Skl - компоненты девиатора напряжений (индексы i,j,k,l – сочетания из индексов r,, z); - коэффициенты анизотропии; Ф – функция трансляционного упрочнения, зависящая от работы пластического перемещения поверхности текучести после начала нагружения; - эффективное напряжение, контролирующее процесс пластических деформаций;

- частные производные функции текучести ; t-температура; q – доза накопления радиационных повреждений.

Введем обозначения ;;. Тогда ;

После подстановки промежуточных формул и группировки членов, содержащих одинаковые компоненты скоростей деформаций и напряжений, была получена система линейных уравнений:

(4)

где

, ,

квадратные матрицы 6х6 с индексами, чередующимися в том же порядке, что и в матрицах столбцах.

В частности, первое уравнение системы в развернутом виде можно записать следующим образом:

. (5)

Выражение для матрицы – столбца скоростей пластических деформаций:

После преобразований получим следующие выражения для компонент матриц

,где и

(6)

,,,,,,.

Остальные компоненты матрицы были получены аналогично (см. диссертацию) и в силу громоздкости выкладок здесь не приводятся.

Выражение для компонент тензора деформаций ползучести можно записать в форме:

, где П – потенциал ползучести со смещающейся и расширяющейся подобно самой себе поверхностью в пространстве напряжений;;

- функция трансляционного упрочнения ползучести;- работа вязкого деформирования единичного объема, связанного со смещением поверхности потенциала ползучести в пространстве напряжений;

- координаты центра поверхности потенциала ползучести до начала нагружения;

, - коэффициенты анизотропии.

, где - мощность вязкого деформирования, связанного с формоизменением единичного объема; - эффективное напряжение, контролирующее скорость ползучести;

Вводя обозначения ;;;;; и, используя предшествующие выражения, можно получить:

Аналогично были получены выражения для других компонент матрицы скоростей деформаций ползучести.

Выражение для матрицы столбца скоростей упругих деформаций можно записать в виде

, где - матрица коэффициентов анизотропии при упругом деформировании:

Скорости деформаций, обусловленных изменением объема и линейных размеров под действием температуры и потока излучения, можно записать в виде шестикомпонентного вектора-столбца:

,



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.