Трещиностойкость и долговечность несущих конструкций АЭС с позиции механики разрушения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 539.43 : 620.191.33 - 620.174

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ АЭС С ПОЗИЦИИ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

Докт. техн. наук, проф. ЛЕОНОВИЧ С. Н.

Белорусский национальный технический университет

В связи со строительством в Республике Беларусь атомной электрической станции особую актуальность приобретает расчетное обоснование ресурса и безопасной эксплуатации несущих конструкций АЭС.

Количественный анализ условий прочности, долговечности, живучести при возникновении и развитии аварийных ситуаций потенциально опасных элементов атомных станций проводят для таких стадий жизненного цикла, как [1-3]:

• проектирование;

• изготовление;

• испытания и доводка;

• эксплуатация.

Состояние вопроса. Основы оценки ресурса работы элементов атомных станций заложены в [3, 4]. Расчетное обоснование ресурса и безопасной эксплуатации несущих конструкций АЭС нужно проводить поэтапно с учетом непрерывного развития традиционных инженерных подходов: на прочность, жесткость и устойчивость (с применением методов сопротивления материалов); на прочность и циклический ресурс, долговечность (с применением методов теории много- и малоцикловой усталости); на прочность и временной ресурс - долговечность (с применением методов теории ползучести и длительной прочности); на сопротивление хрупкому разрушению и радиационный ресурс (с учетом изменения физико-механических свойств под действием облучения); на динамическую прочность и ресурс (с применением методов динамики деформирования и разрушения); на трещиностойкость (с применением методов линейной и нелинейной механики разрушения) [3, 4].

Механика разрушения применительно к несущим конструкциям АЭС. Базовые соотношения механики деформирования и разрушения, а также механики катастроф в общем случае можно записать в виде

х <5ь,<5Т,<5ЬТ,<5_ъЕХНв,т,у,К1с /, /, аа, Ц },

(1)

где - характеристики безопасности; Ят>

N — то

же ресурса; Р - то же надежности; 1(г - то же прочности (сопротивления разрушению); / — функционал эксплуатационной нагруженности; Рэ — параметры эксплуатационной нагруженно-сти в нормальных и аварийных ситуациях; ^ — температура в данный момент времени; N -число циклов нагружения; х - время эксплуатации; Ф — параметры полей физических воздействий (радиация, среда, магнитные поля); /а -функционал физико-механических свойств конструкционных материалов; <5ъ - предел прочности; оТ - то же текучести; Ст/,, - то же длительной прочности; ст | - то же выносливости; Е — модуль упругости; X — коэффициент теплопроводности; НВ — твердость (микротвердость); т - показатель упрочнения в упруго-пластической области; \|/с - предельная пластичность материала; К\с — характеристика трещиностойкости; / — функционал конструктивных форм несущего элемента конструкции; I - размер дефекта; ао - теоретический коэффициент концентрации напряжений; ^ — характеристика поперечного сечения в рассматриваемой зоне.

Расчеты живучести несущих элементов АЭС необходимо проводить по критериям трещино-стойкости. Эти расчеты отражают способность сопротивляться действию механических, тепловых, гидродинамических, электромагнитных нагрузок при наличии в элементах дефектов (исходных технологических или возникающих при эксплуатации). Наиболее опасными из дефектов являются микро- и макротрещины, со-

здающие предельно высокую концентрацию напряжений и деформаций. Характеристиками живучести для поврежденных дефектами элементов могут являться ресурс, прочность и надежность

Р, ад = ППР3, г, М, т, Ф)/0 X

х аь,0т,сьх, с_ъЕ, А,, Нв, т, \|/, К1с £ /,осст,^ }.

(2)

Основные расчетные уравнения для нормальных условий эксплуатации (когда номинальные и местные напряжения находятся в пределах упругости !о,',,отах /,! < !<>/ }) могут быть

получены на базе линейной механики разрушения - при однократном нагружении, действии длительных и циклических нагрузок [5].

Применительно к наиболее опасному хрупкому разрушению имеем

но дополнять расчетом по критическим температурам хрупкости

(5)

4п=/ >t=tc + мс

где [¿] - допустимая минимальная температура эксплуатации; (с - критическая температура хрупкости, соответствующая резкому снижению К\с', | Д/61 - запас по критическим температурам хрупкости.

Поскольку номинальные напряжения при хрупких разрушениях по уравнениям линейной механики разрушения зависят от размеров дефектов I и размеров поперечных сечений расчеты живучести по критериям трещино-стойкости можно сводить к расчетам допустимых размеров дефектов [/]

Сх=/ к1с,р,ф,р^х < I (6)

Л^ г РМ,ф X кХс I

(3)

Расчеты прочности 1(п по критериям трещи-ностойкости сводятся к определению расчетных дефектов I, выбору наибольших эксплуатационных нагрузок Рэ и соответствующих им минимальных температур учету воздействий физических полей Ф и специальному экспериментальному определению показателей трещи-ностойкости конструкционных материалов (критическое значение коэффициента интенсивности напряжений КС) [6]. При этом параметры вероятности хрупкого разрушения Р могут быть оценены с учетом рассеяния характеристик Рэ, Ф, К\с и I.

Сопротивление хрупкому разрушению можно свести к удовлетворению соотношений

iч=f К

шах ? Пип

с

(4)

Иг-

где [Л1] - допустимое значение коэффициента интенсивности напряжений с учетом минимальной температуры эксплуатации пк -запас по критическому коэффициенту интенсивности напряжений Кс, определяемому при температуре

С учетом выраженной зависимости Кс от ^ти! конструкционных сталей расчет по К мож-

где £ах - максимальный размер дефекта при эксплуатации, устанавливаемый средствами дефектоскопии; I - критический размер дефекта; п - запас по размеру дефекта.

Ресурс И.\ на стадии развития дефектов при нормальных условиях эксплуатации по критериям трещиностойкости определяют в соответствии с (2) на основе диаграмм разрушения при длительном статическом или циклическом нагружении, связывающих скорости роста трещин I (по времени т или по числу циклов А'):

Г Р\1,Н,т,Ф /„ К1с =

=/

м м

с/т' (Ш' Тс

(7)

При этом ресурс получают путем интегрирования уравнения для диаграммы разрушения по текущему размеру дефекта

1с

[пх % ]

(8)

где 1с - критический размер дефекта, устанавливаемый по соотношениям (3), (6); 10 - исходный (начальный) дефект на данной стадии эксплуатации; [т, ТУ] - допустимое время или число циклов эксплуатационного нагружения; пх, п,: -запасы по ресурсу.

п

Характеристики надежности Р по параметрам временного или циклического ресурса могут быть найдены так же, как для случая хрупкого разрушения, по формулам (3)—(6) при введении в расчет функций распределения для Рэ, ^ Ф, Кс, I. Эти расчеты можно сводить к установлению запасов по минимально допустимым (для заданной вероятности) Кс и максимально возможным (для той же вероятности) скоростям трещин (с!Иск и сН с/Ы) и уровням нагрузок^3.

Для аварийных ситуаций расчеты живучести по критериям трещиностойкости проводят в соответствии с (2)—(8). При этом для данного момента развития аварийной ситуации следует использовать соответствующие экстремальные уровни нагрузок Р^, минимальные и максимальные уровни температур I, максимальные размеры дефектов I и минимальные характеристики механических свойств. Для анализа живучести в аварийных ситуациях следует использовать уравнения нелинейной механики разрушения с полным набором расчетных параметров (2). Базовые характеристики линейной механики разрушения — коэффициенты интенсивности напряжений К и Кс заменяют на характеристики нелинейной механики разрушения: 8 - раскрытие трещин; J - интеграл; I — предел трещиностойкости; Т — критерий.

Для обеспечения сопоставимости результатов анализа живучести в нормальных условиях эксплуатации и при аварийных ситуациях рекомендуется использовать условные значения коэффициентов интенсивности напряжений, определяемых через коэффициенты интенсивности деформаций

к;=/ К,с.Е.т. с:/ог . (9)

Нелинейную механику деформирования и разрушения, а также механику катастроф как фундаментальную научную дисциплину следует рассматривать в качестве научной основы анализа источников возникновения и процессов развития аварийных и катастрофических ситуаций в сложных технических системах с повышенной потенциальной опасностью; проектирования по традиционным и новым критериям живучести и безопасности; принятия решений о допустимости реализации проектов, возмож-

ной эксплуатации и продлении ресурса безопасной эксплуатации.

Механика разрушения и механика катастроф позволяют назначить показатели ресурса и безопасности с использованием расчетно-экспериментального обоснования прочности, ресурса, надежности и живучести для всех стадий жизненного цикла конструкций.

В Ы В О Д Ы

Безопасность АЭС с позиций механики катастроф следует рассматривать как комбинированную способность несущих элементов потенциально опасных технических систем противостоять всем неблагоприятным наиболее вероятным факторам экстремально высоких внешних и внутренних воздействий при наиболее вероятных пониженных характеристиках сопротивления деформациям и разрушению.

Безопасность S в нормальных условиях и при возникновении аварийных ситуаций можно считать обеспеченной, если удовлетворяется комплекс требований не только к запасам прочности, но и трещиностойкости в наиболее опасные моменты возникновения и развития аварий.

Разработанные базовые подходы прошли многоуровневую проверку во время длительной стажировки автора на атомной станции в г. Бушер (Исламская Республика Иран).

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 525 с.

2. Исследования напряжений и прочности ядерных реакторов. - М.: Наука, 1987-1990. - Т. 1. - 232 с. - Т. 2. -312 с. - Т. 3. - 296 с.

3. Прочность конструкций при малоцикловом нагру-жении / Н. А. Махутов [и др.]. - М.: Наука, 1983. - 272 с.

4. Mahoutov, N. A. Bases for estimation of power stations elements service life / N. A. Mahoutov, M. M. Gadenin // Diagnostics, prediction and improvement of structural element durability. Edit. V.V. Panasyuk. - Lviv: Physico-mechanical institute, 1999. - P. 15-25.

5. Леонович, С. Н. Прочность конструкционных бетонов при циклическом замораживании-оттаивании с позиции механики разрушения / С. Н. Леонович. - Брест: БрГТУ, 2006. - 380 с.

6. Гузеев, Е. А. Механика разрушения бетона: вопросы теории и практики / Е. А. Гузеев, С. Н. Леонович, К. А. Пирадов. - Брест: БПИ, 1999. - 215 с.

Поступила 17.07.2008