CC BY
42
= ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС -
УДК 624.04.45.001.3
НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ НА ЭТАПЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ ЭНЕРГОБЛОКА №3 РОСТОВСКОЙ АЭС
© 2014 г. В.Н. Медведев *, Александр С. Киселев*, Алексей С. Киселев*, А.Н. Ульянов*, В.Ф. Стрижов*, Е.А. Потапов**
* Институт проблем безопасного развития атомной энергетики, г. Москва Ростовская АЭС, г. Волгодонск, Ростовская обл.
В работе рассматриваются особенности напряжённо-деформированного состояния
защитной оболочки энергоблока №3 Ростовской АЭС на стадии возведения и
преднапряжения.
Ключевые слова: содержание, тяговый трос (арматурный напрягаемый элемент, арматурный
пучок (проволок), пучковая арматура), напряжение, усилие (попытки).
Поступила в редакцию 01.07.2014 г.
ВВЕДЕНИЕ
Эксплуатационная пригодность преднапряженных защитных оболочек РО энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 в расчетные периоды строительства и эксплуатации определяется, главным образом, напряженно-деформированным состоянием (НДС) строительных конструкций защитной оболочки и уровнем их преднапряжения.
В соответствии с действующей нормативной документацией контроль НДС защитной оболочки необходимо проводить с момента начала возведения сооружения [Л. 1]. Для этого используется проектная информационно-измерительная система защитной оболочки, включающая: преобразователи силы арматуры струнные (ПСАС), преобразователи линейных деформаций струнные (ПЛДС), преобразователи температуры струнные (ПТС), преобразователи линейных перемещений струнные (ПЛПС). Кроме того, установлены датчики силы ПСИ-01, предназначенные для измерения усилий на тяжных концах арматурных канатов.
В рамках данной работы рассматриваются особенности напряжённо-деформированного состояния защитной оболочки энергоблока № 3 Ростовской АЭС на стадии возведения и преднапряжения.
1. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ НА СТАДИИ ВОЗВЕДЕНИЯ
Ниже приведены результаты оценки напряженно-деформированного состояния защитной оболочки 3-го энергоблока Ростовской АЭС на стадии возведения, включая период бетонирования.
1.1 НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ В ПЕРИОД БЕТОНИРОВАНИЯ
Изменения напряжений в стержневой арматуре и деформаций в бетоне в период бетонирования обусловлены:
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2014
- экзотермией бетона, возникающей после бетонирования;
- колебаниями температуры окружающей среды;
- деформациями усадки бетона.
Оценка НДС защитной оболочки приводится по показаниям датчиков, установленных в защитной оболочке 3-го энергоблока Ростовской АЭС, представленных в виде графиков изменения напряжений в стержневой арматуре, деформаций в бетоне и температуры в зависимости от времени. Для оценки логичности работы датчиков типа ПСАС и ПЛДС использовались показания датчиков температуры, работа которых за период наблюдения показала достаточно стабильные показания.
Оценка логичности работы датчиков типа ПТС выполнялась по очевидным критериям. Во-первых, фиксировался подъём температуры в бетоне от его экзотермии до 55°С и затем снижение до 25-30°С в летний период, подъем температуры до 28°С и последующее снижение до 5°С в зимний период. Во вторых, происходит отслеживание климатических температурных колебаний, что также свидетельствует о работоспособности датчиков типа ПТС.
Например, на представленных на рисунках 1-2 графиках хорошо прослеживается изменение температуры от экзотермии бетона, в первые сутки после бетонирования температура поднимается до 56°С и затем снижается до 25°С в течение 2,5 суток. Напряжения в меридиональной арматуре при этом меняются незначительно. В тоже время в кольцевой арматуре напряжения возрастают до -40 МПа в течение первых суток и затем снижаются до -20 МПа, что связано со стеснением деформаций кольцевого направления при повышении температуры в стенке защитной оболочки.
ПСАС-1101 рад ПСАС-1106 м.в. ПСАС-1107 м.н. ПСАС-1108 м.н. ПСАС-1126 м.в. ПТС-1501 н. ПТС-1502 ср. ПТС-1503 в.
-20
14.05.11 12:00
15.05.11 0:00
15.05.11 12:00
16.05.11
0:00
16.05.11 12:00
17.05.11
0:00
17.05.11 12:00
18.05.11
0:00
18.05.11 12:00
19.05.11
0:00
Дата
Рис. 1. - Измерение напряжений в меридиональной стержневой арматуре и температуры в бетоне с момента окончания бетонирования захватки оболочки (15.05.2011) по 18.05.2011, 3-й блок РоАЭС, створ №1, отметка 13,2 м
14.05.11 12:00
ПСАС-1101 рад ПСАС-1102 к. н. ПСАС-1103 к. в. ПСАС-1104 к. н. ПСАС-1105 к. в. ПТС-1501 н. ПТС-1502 ср. ПТС-1503 в.
15.05.11 0:00
15.05.11 12:00
16.05.11
0:00
16.05.11 12:00
Дата
17.05.11
0:00
17.05.11 12:00
18.05.11
0:00
18.05.11 12:00
19.05.11
0:00
Рис. 2. - Измерение напряжений в кольцевой стержневой арматуре и температуры в бетоне с момента окончания бетонирования захватки оболочки (15.05.2011) по 18.05.2011, 3-й блок РоАЭС, створ №1, отметка 13,2 м
Аналогичный характер наблюдается и при измерении деформаций в бетоне: в меридиональном направлении деформации изменяются незначительно, а в кольцевом
направлении увеличение сжимающих деформаций составляет порядка -125 е*10 (см. рисунок 3).
150
125
100
г
0
01 а
-25
-50
-75
-100 14.05.11
12:00
ПЛДС-1402 к. н. ПЛДС-1403 к.ср. ПЛДС-1405 м.н. ПЛДС-1406 м.ср. ПЛДС-1407 м.в. ПЛДС-1404 ПТС-1501 н. ПТС-1502 ср. ПТС-1503 в.
15.05.11 15.05.11 16.05.11 16.05.11 17.05.11 17.05.11 18.05.11 18.05.11 19.05.11 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00
Дата
Рис. 3. - Измерения деформаций и температуры в бетоне с момента окончания бетонирования захватки оболочки (15.05.2011) по 18.05.2011, 3-й блок РоАЭС, створ №1, отметка 13,2 м.
Показания конуса учтены
Таким образом, результаты измерений показывают, что экзотермия бетона по-разному влияет на деформации и напряжения в кольцевом и меридиональном направлениях. Так, из-за стесненных условий работы оболочки в кольцевом направлении возникают деформации сжатия в бетоне и сжимающие напряжения в стержневой арматуре. В меридиональном направлении от экзотермии сжатие не значительно или вообще отсутствует. Через несколько суток (от 3 до 5) температура в бетоне снижается, и показания датчиков становятся близкими к значениям, действующим перед бетонированием.
1.2 НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ ПОСЛЕ БЕТОНИРОВАНИЯ ДО НАЧАЛА ПРЕДНАПРЯЖЕНИЯ СООРУЖЕНИЯ
В данном разделе приводятся показания датчиков, установленных в защитной оболочке 3-го энергоблока Ростовской АЭС, в виде графиков изменения напряжений в стержневой арматуре, деформаций в бетоне и температуры в зависимости от времени. При этом рассматривается работа приборов с момента окончания бетонирования каждой захватки в местах установки датчиков и по 10.09.2013 г.
Следует отметить, что на показания датчиков КИА в этот период времени оказывают влияние следующие три фактора:
- деформации усадки бетона;
- собственный вес вышележащих конструкций;
- колебания температуры окружающей среды.
100
80
60
40
20
-20
-40
-60
-80
( > —ч л 1 •ч
У \ V * И1 ь п \
1 V пг
1
*** г Ж-Ш-Ь
-ПСАС-3106 рад ПСАС-3109 м.н. - ПСАС-3110 м.в. ПСАС-3123 м.н. ПСАС-3124 м.в. ПТС-3502 н. ПТС-3503 ср. ПТС-3504 в.
Дата
0
Рис. 4 - Измерение напряжений в меридиональной стержневой арматуре и температуры в бетоне с момента окончания бетонирования захватки оболочки (02.11.2011) по 10.09.2013, 3-й блок РоАЭС, створ №3, отметка 32,6 м.
Дата
Рис. 5. - Измерение напряжений в кольцевой стержневой арматуре и температуры в бетоне с момента окончания бетонирования захватки оболочки (02.11.2011) по 10.09.2013, 3-й блок РоАЭС, створ №3, отметка 32,6 м
Собственный вес вышележащих конструкций наряду с деформациями усадки бетона приводит к увеличению сжатия в оболочке. При этом влияние собственного веса сказывается, главным образом, на меридиональных деформациях и напряжениях, в кольцевом направлении влияние собственного веса минимально.
На рисунке 6 распределения компонентов напряжений от воздействия собственного веса представлены в виде эпюр меридиональных (БМ) и окружных (БТ) напряжений [МПа] в вертикальном сечении защитной оболочки. Значения компонентов напряжений на наружной поверхности соответствуют напряжениям в бетоне, а на внутренней поверхности - напряжениям в металлической облицовке.
1.35
1.36
1.37
1.38 1.46 -2.05
0.25 0.27
-0.03 0.14 -0.38
Рис. 6. - Эпюры меридиональных (БМ) и окружных (БТ) напряжений [МПа] в сечении 2000 (створ 3) защитной оболочки 3 блока Ростовской АЭС от воздействия собственного веса
2 НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ НА ЭТАПЕ ПРЕДНАПРЯЖЕНИЯ
На рисунках 7-8 приведены приращения напряжений в стержневой арматуре (ПСАС) и температуры в бетоне (ПТС) при преднапряжении защитной оболочки с 10.09.2013 по 19.12.2013 г., на которых можно видеть, что показания каждой пары датчиков у наружной и внутренней поверхности хорошо согласуются между собой и показывают стабильные результаты.
Дата
Рис. 7. - Приращение напряжений в меридиональной стержневой арматуре и температуры в бетоне при преднапряжении защитной оболочки с 10.09.2013 по 19.12.2013, 3-й блок РоАЭС, створ №1, купол, Я=19 м
Дата
Рис. 8. - Приращение напряжений в кольцевой стержневой арматуре и температуры в бетоне при преднапряжении защитной оболочки с 10.09.2013 по 19.12.2013, 3-й блок РоАЭС, створ №4, отметка 32,6 м
Анализ приведенных данных показывает, что полученные расчетные значения параметров напряженно-деформированного состояния ЗО 3-го блока РоАЭС при ее преднапряжении качественно соответствуют измеренным (см. таблицу № 1). Количественно в целом по всем проанализированным сечениям соответствие результатов расчета и измеренных значений напряжений в ненапрягаемой арматуре можно считать удовлетворительным. Погрешность расчета составляет в среднем от 5 до 15%.
Таблица 1. - Сравнение расчетных и измеренных напряжений в стержневой арматуре от преднапряжения в цилиндре защитной оболочки с учетом измерения температуры в бетоне, 3-й блок РоАЭС, створ №4, отметка 32,6 м
Тип датчика Показания Показания Приращение Расчетные Расчетные
перед после натя- от всех а/к, значения от значения с
обжатием, жения всех МПа (3-2) натяжения учетом
10.09.13 а/к, 19.12.13 всех а/к температуры
1 2 3 4 5 6
ПСАС-4101 рад. 12,23 49,08 36,85
ПСАС-4102 м.в. -51,17 -92,34 -41,17 -36,457 -40,052
ПСАС-4103 м.н. 11,75 -20,91 -32,66 -34,514 -31,772
ПСАС-4104 к.в. -25,08 -114,66 -89,58 -106,400 -109,422
ПСАС-4105 к.н. -24,81 -130,84 -106,04 -97,434 -93,79
ПСАС-4106 к.в. 5,15 -86,72 -91,87 -106,400 -109,422
ПСАС-4107 к.н. -30,73 -127,82 -97,09 -97,434 -93,79
ПСАС-4108 м.в. -80,21 -118,13 -37,92 -36,457 -40,052
ПСАС-4109 м.н. 43,43 15,83 -27,60 -34,514 -31,772
ПТС-4501 в. 28,85 21,51 -7,34
ПТС-4502 ср. 30,62 20,81 -9,81
ПТС-4503 н. 12,23 49,08 36,85
Для измерения перемещений защитной оболочки от воздействия предварительного напряжения арматурных канатов и деформаций ползучести железобетона в средней части цилиндра защитной оболочки, на отметке 36,9 м установлено 12 датчиков типа ПЛПС (преобразователей линейных перемещений струнных). Датчики типа ПЛПС устанавливаются группами по 3 шт. в каждом из 4 створов.
Результаты измерений показали, что все 12 датчиков ПЛПС находятся в работоспособном состоянии, о чем свидетельствует хорошая сходимость получаемых результатов измерений в каждом из 4 створов с расчетными данными (см. таблицу №2).
Таблица 2. - Сравнение расчетных и экспериментальных значений радиальных перемещений ЗО 3-го блока Ростовской АЭС на отметке 36,9 м после натяжения всех канатов СПЗО
Створ Расчетные Измеренные А между расчетом и
перемещения, мм перемещения, мм измерениями, мм
I -10,4 -10,9 0,5 (4,6%)
II -8,7 -9,3 0,6 (6,4%)
III -12,7 -14,0 1,3 (9,1%)
IV -12,1 -13,2 1,1 (8,3%)
Максимальная погрешность расчета в результате уточнений расчетной модели уменьшилась по сравнению с результатами, полученными на предыдущем этапе работы, по радиальным перемещениям на отметке 36 м по высоте ЗО имеет место в III створе и составляет 9,1%. В абсолютных значениях это соответствует 1,3 мм. Соответствие измеренных и рассчитанных перемещений можно считать удовлетворительным. Погрешность расчета может быть связана с рядом факторов, связанных с нелинейным характером деформирования бетона в отдельных наиболее нагруженных зонах, а также с температурными условиями деформирования, которые могут быть учтены в расчете лишь приближенно.
Сопоставление результатов расчета с данными радиальных перемещений в средней части цилиндра оболочки показало достаточно хорошее согласование, что также свидетельствует об обеспечении проектного уровня обжатия защитной оболочки.
3 ОСОБЕННОСТИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ ПО ПРЕДНАПРЯЖЕНИЮ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ
При производстве работ по преднапряжению защитной оболочки энергоблока №3 Ростовской АЭС были приняты меры по совершенствованию технологии натяжения армоканатов с учетом результатов выполнения аналогичных работ на энергоблоке № 5 Нововоронежской АЭС энергоблоке № 4 Калининской АЭС [Л. 2-3]. Принимая во внимание достаточно большой разброс потерь усилий при выполнении анкеровки пучков на Калининской АЭС, на этот процесс обратили особое внимание. Учитывая достаточно большое количество датчиков ПСИ-01, установленных на оболочке энергоблока № 3 Ростовской АЭС, появилась возможность не только контролировать усилие на тяжном конце пучка при анкеровке, но также оценивать время стабилизации усилия по длине пучка после его заанкеривания.
Проектная величина усилий в арматурных канатах при преднапряжении (на домкрате) составляет 9,0 МН (918 тс), с учетом потерь преднапряжения на анкерном устройстве усилия в армоканатах по проекту составляют: 8,7 МН (887,15 тс) - в цилиндрической части оболочки; 8,58 МН (874,92 тс) - в купольной части оболочки.
По установленной разработчиком технологии натяжения армоканатов рекомендуется поднять давление в домкрате до проектного уровня (465 бар) и ожидать 5 минут. Период ожидания в 5 минут, по мнению разработчика, необходим для преодоления прочности на сдвиг смазки в канате в оболочке из ПЭВП.
Результаты работ с использованием установленной разработчиком технологии натяжения армоканатов показали, что после преднапряжения первых девяти армоканатов в цилиндре оболочки усилия на анкере в среднем составляли 849,27 тс, что на 4,3% ниже проектных значений.
Средние значения потерь усилий в канатах на анкеровку составляют 79,4 тс или 8,55%. Максимальные потери в армоканате № 87Б - 102,68 тс или 11,05%, минимальные потери в армоканате № 73А - 56,5 тс или 6,09%.
В этой связи для достижения проектного уровня натяжения армоканатов было предложено увеличить время выдержки усилия на домкрате перед передачей нагрузки с домкрата на анкер с 5 до 15 минут. Полученные результаты показывают, перед передачей нагрузки на анкерный блок усилия на домкрате имели переменчивый характер, а усилия на анкере незначительно возросли (см. рисунок № 9).
После этого было предложено во время выдержки (15 минут) каждые 5 минут давление поднимать до проектного.
Анализ результатов преднапряжения, выполненных с учетом вышесказанного, показал, что вначале давление быстро упало на 15 бар, после повторной подтяжки
давление упало на 6 бар, а на третьем этапе - на 2 бара. При этом перед передачей нагрузки с домкрата на анкер усилия имели большую величину и более стабильный характер, что важно для определения распределения усилий по длине каждого армоканата. На анкере усилия приблизились к проектной величине (см. рисунок № 10).
1 000
900
800
О 700
н
аТ
га 600
га
о
2 500
га
т
К 400
£
О
> 300
200
100
0
30.10.2013 30.10.2013 30.10.201 3 30.10.2013 30.10.2013 30.10.2013 30.10.2013 30.10.2013 30.10.2013 30.10.2013 30.10.2013 30.10.2С 13:55 14:03 14:12 14:21 14:29 14:38 14:47 14:55 15:04 15:1 2 15:21 15:30
Дата, время
Рис. 9. - График натяжения армоканата № 93А, расположенного в защитной оболочке энергоблока № 3 Ростовской АЭС. Выдержка 15 минут
1000
900
800
о 700 н
а)"
™ 600
га
о
I. 500
га
т
55 400
£
О
* 300
200
100
0
31.10.2013 31.10.2013 31.10.2013 31.10.2013 31.10.2013 31.10.2013 31.10.2013 31.10.2013 31.10.2013 31.10.2013 31.10.2
15:04 15:10 15:15 1 5:21 15:27 15:33 15:38 15:44 1 5:50 1 5:56 16:0'
Дата, время
Рис. 10. - График натяжения армоканата № 12Б, расположенного в защитной оболочке энергоблока № 3 Ростовской АЭС. Выдержка 3 этапа по 5 минут
♦л^а/п «I- -1864 5
\ *
^г|909/ 1- -
\
-а-
м выдержка 15 минут
- йнат № 93 а|-
—-
На основании полученных измерений ИБРАЭ РАН было сделано предложение по изменению технологии натяжения армоканатов системы преднапряжения защитной оболочки энергоблока №3 Ростовской АЭС: на последнем этапе натяжения армоканата после достижения проектного давления Ра (465 бар) выдерживать нагрузку в течение 15 минут, при этом через каждые пять минут поднимать давление до Ра (465 бар).
После того, как Ростовской АЭС были согласованы изменения в технологии, преднапряжение армоканатов выполнялось с учетом рекомендаций ИБРАЭ РАН.
В результате в армоканатах цилиндра защитной оболочки средние усилия после передачи нагрузки с домкрата на анкер составляет 878,67 тс. В армоканатах купола защитной оболочки средние усилия после передачи нагрузки с домкрата на анкер составляет 879,59 тс.
Таким образом, приведенные результаты показывают, что усовершенствованная технология натяжения армоканатов позволила обеспечить проектный уровень преднапряжения защитной оболочки энергоблока № 3 Ростовской АЭС.
ВЫВОДЫ
1) Проведение натурных наблюдений на этапе строительства защитной оболочки позволило проследить особенности работы контрольно-измерительной аппаратуры в процессе возведения и получить исходные данные для уточняющего расчета НДС сооружения перед проведением приемо-сдаточных испытаний.
2) Анализ работы датчиков КИА на этапе бетонирования, показал увеличение температуры бетона от экзотермии до 25-30 °С. Напряжения в меридиональной арматуре при этом меняются незначительно. В тоже время в кольцевой арматуре напряжения возрастают до -40 МПа в течение первых суток и затем снижаются до -20 МПа, что связано со стеснением деформаций кольцевого направления при повышении температуры в стенке защитной оболочки.
3) Проведение натурных наблюдений в процессе выполнения предварительного напряжения защитной оболочки энергоблока №3 Ростовской АЭС позволило своевременно откорректировать и согласовать технологию выполнения работ, в результате чего был достигнут проектный уровень преднапряжения.
4) Предложенная ИБРАЭ РАН технология натяжения канатов может быть использована при замене армоканатов СПЗО на действующих блоках АЭС, а также при преднапряжении защитных оболочек АЭС нового поколения (АЭС 2006).
5) Натурные измерения усилий в армоканатах и напряженно-деформированного состояния защитной оболочки в процессе выполнения и после окончания предварительного напряжения, показали достаточно хорошее согласование с результатами выполненных впоследствии расчетов, что позволяет утверждать о готовности защитной оболочки к проведению предпусковых испытаний внутренним давлением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. РД ЭО 1.1.2.99.0007-2011. Типовая инструкция по эксплуатации производственных зданий и сооружений атомных станций [Текст]. - М., 2011.
2. Медведев, В.Н. и др.. Сравнительный анализ систем предварительного напряжения защитных оболочек АЭС [Текст] / В.Н. Медведев, А.Н. Ульянов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2008. - Спецвыпуск. - С. 99-105.
3. Медведев, В.Н. и др. О применении модернизированной системы преднапряжения СПЗО-М на защитных оболочках АЭС [Текст] / В.Н. Медведев, А.Н. Ульянов, Александр С. Киселев, Алексей С. Киселев, В.Ф. Стрижов // Глобальная ядерная безопасность. - 2012. - №2-3(4). - С. 20-26.
Full-scale Observations During Containment Erection of Rostov NPP Unit №3
V.N. Medvedev *, Aleksander S. Kiselev **, Aleksey S. Kiselev **, A.N. Ul'yanov *, V.F. Strizhov ***, E.A. Potapov ****
Nuclear Safety Institute (IBRAE), Moscow, Rostov NPP, Volgodonsk, Rostov region * e-mail: [email protected]; ** e-mail: [email protected]; *** e-mail: [email protected];
**** e-mail: [email protected]
Abstract - The paper focuses on the features of the Rostov NPP Unit 3 containment stress-strain state during its erection and prestressing.
Keywords: containment, tendon, concrete, tension, efforts.
