CC BY
79
УДК 621.039
ОБОСНОВАНИЕ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ЗАЩИТНЫХ
ОБОЛОЧЕК АЭС С ВВЭР-1000
М.Б. Бакиров, В.А. Муранов, АС. Киселев, В.Н. Медведев
ООО «Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники «Центр материаловедения и ресурса»(ООО «НСУЦ «ЦМиР») г. Жуковский, Московской обл.
Scientific Certification Training Center for Materials and Resource of Nuclear
Technology Components "Center for Materials Science and Resource " Ltd. (SCTC CMSR Ltd.), _Zhukovsky city, Moscow region_
В связи с окончанием проектного срока эксплуатации защитной оболочки энергоблока № 5 Нововоронежской АЭС впервые в отечественной практике выполнены работы по обоснованию продления ее проектного срока службы на дополнительные 30 лет. Приведены основные этапы этой работы, особенности расчетного анализа напряженно-деформированного состояния сооружения и процедуры натурного обследования, которые послужили основой для обоснования возможности продления срока службы защитной оболочки энергоблока № 5 Нововоронежской АЭС и заложили основные требования на проведение работ по управлению ресурсными характеристиками защитной оболочки АЭС с ВВЭР.
Ключевые слова: защитная оболочка, управление сроком службы, обследование, расчет, напряжение, усилие.
In connection with the ending of the design life cycle of Unit number 5 containment of Novovoronezh NPP, for the first time in our country there have been executed works on substantiation of containment service life extension for additional 30 years. The article gives the main stages of this work, the design analysis features of the stress-strain facilities condition and procedures of full-scale inspections, which have formed the basis for substantiation of service life extension possibility of Unit number 5 containment of Novovoronezh NPP and laid the basic requirements for carrying out works on the resource characteristics management of containment of NPP with WWER.
Keywords: containment, service life management, inspection, calculation, tensile strength, stress.
Введение
Построенные в нашей стране, защитные оболочки АЭС относятся к одинарному типу защитных оболочек и совмещают локализующие функции в случае возникновения аварийной ситуации с функциями восприятия внешних климатических и техногенных воздействий.
Защитная оболочка представляет собой сложную конструкцию, выполненную из предварительно-напряженного железобетона. Она состоит из фундаментной конструкции, цилиндрической части и пологого купола. Внутренний диаметр оболочки составляет 45 м, высота 76 м (см. рисунок 1). Толщина стен цилиндрической части -1,20 м, пологого купола 1,10 м. Толщина металлической облицовки составляет 8 мм.
Геометрический объем 85000 м .
Подк ран овая консоль
41.89 (30.09)
Л
11.8 (0.0)
Рисунок 1 - Геометрические размеры защитной оболочки 5-го энергоблока
Нововоронежской АЭС
В настоящее время наступает период окончания проектных сроков эксплуатации защитных оболочек ряда АЭС, включая 5-й энергоблок Нововоронежской АЭС, 1 и 2 энергоблок Калининской АЭС и др. В этой связи требуется выполнить работы по продлению срока службы защитной оболочки.
Впервые в отечественной практике ООО «НСУЦ «ЦМиР» в 2008-2009 гг. были выполнены работы по обоснованию продления срока службы защитной оболочки 5-го энергоблока Нововоронежской АЭС.
Защитная оболочка 5-го энергоблока Нововоронежской АЭС возведена за период с апреля 1976 года по октябрь 1978 года. Работы по преднапряжению защитной оболочки были выполнены в течение трех месяцев с 12 июня по 29 августа 1979 г. Цилиндр и купол сооружения преднапряжены арматурными пучками из высокопрочной проволоки диаметром 5 мм с усилием натяжения арматурных канатов 1000 т. В цилиндре принята геликоидальная схема расположения канатов, в куполе -ортогональная. Арматурные канаты установлены в полиэтиленовых трубах -каналообразователях. Количество арматурных канатов: в цилиндрической части - 184 шт; в куполе - 76 шт.
Приемо-сдаточные испытания защитной оболочки избыточным давлением до 4,15 кгс/см2 проводились с 30 ноября по 30 декабря 1979 г.
Современный уровень знаний о долговечности железобетонных конструкций не позволяет достаточно точно оценить долговечность и конкретный срок службы
железобетонной конструкции. В этом случае представляется возможным лишь установить, имеется ли ресурс ее дальнейшей эксплуатации.
Для оценки ресурса защитной оболочки энергоблока № 5 Нововоронежской АЭС произведена оценка ее технического состояния и выполнены поверочные расчеты.
1. Нормативная база
Основным документом, который использовался при выполнении работ по оценке ресурса защитной оболочки, являлся РД ЭО 0538-04 «Методика по обоснованию срока службы защитных оболочек атомных электростанций с ВВЭР-1000». [Л. 1] Данный документ был разработан специалистами ООО «НСУЦ «ЦМиР» совместно с ОАО «Атомэнергопроект» по заказу ОАО «Концерн Росэнергоатом».
При выполнении работ использовались и другие нормативные документы, включая свод правил СП 13-102-2003 [Л. 2], в котором приведены основные положения, регламентирующие общий порядок подготовки, проведения и оформления результатов обследований несущих строительных конструкций зданий и сооружений и оценки их технического состояния.
2. Основные этапы работы
Основные этапы работы следующие:
- сбор и анализ исходных данных о состоянии защитной оболочки;
- расчетный анализ защитной оболочки в целях определения наиболее нагруженных зон, для которых требуется выполнение визуального, инструментального контроля и лабораторных исследований;
- разработка рабочей программы комплексного обследования защитной оболочки с помощью безобразцового контроля;
- проведение лазерного сканирования, визуальный и инструментальный контроль элементов защитной оболочки, а также лабораторные исследования контрольных образцов;
- проведение дополнительного инструментального контроля элементов защитной оболочки в зимний период;
- выполнение поверочных расчетов защитной оболочки;
- выдача заключения и проекта технического решения на дополнительный 30-летний срок эксплуатации.
2.1 Сбор и анализ исходных данных
Для оценки технического состояния защитной оболочки осуществлен сбор, обобщение и анализ следующих исходных данных:
- проектная, конструкторская, монтажная и эксплуатационная документация (проектные и фактические геометрические параметры защитной оболочки, схемы расположения арматурных канатов и стержневой арматуры, фактическое количество установленных арматурных канатов), включая проектные расчеты на прочность, режимы нагружения и т.д.;
- схемы размещения контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), установленной в теле защитной оболочки;
- результаты входного и эксплуатационного контроля за весь период эксплуатации, показания КИА с момента установки датчиков по настоящее время,
температурные данные внутри и снаружи защитной оболочки;
- сведения о ремонтах, замене и реконструкциях элементов защитной оболочки;
- данные по фактическим режимам нагружения элементов защитной оболочки;
- данные контрольно-профилактических работ (КПР).
На основе анализа полученных данных о состоянии защитной оболочки выполнены детальные численные расчеты с использованием объемной расчетной модели оболочки, учитывающей основные особенности работы конструкции.
2.2 Расчетная оценка защитной оболочки
Учитывая значительные геометрические размеры защитной оболочки, расчетный анализ напряженно-деформированного состояния конструкции выполнялся в целях определения наиболее нагруженных зон, для которых требуется выполнение визуального, инструментального контроля и лабораторных исследований.
Конструкция защитной оболочки 5-го энергоблока Нововоронежской АЭС имеет ряд конструктивных особенностей, которые учтены при выполнении расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) защитной оболочки.
С точки зрения геометрии конструкции, оболочка не является осесимметричной из-за наличия двух крупных технологических проходок диаметром 4 и 3 метра с достаточно сложной геометрией наружных утолщений. Кроме того, схема нагружения оболочки преднапряжением не является симметричной и имеет весьма сложный характер в районе технологических проходок. Это обуславливает необходимость выполнения расчетов в объемной постановке и построения объемной конечно-элементной модели оболочки.
На рисунке 2 представлен общий вид объемной конечно-элементной расчетной модели защитной оболочки 5-го энергоблока Нововоронежской АЭС, разработанной для анализа НДС конструкции, включающей 366992 конечных элемента, 402378 узлов (более 1200000 степени свободы).
Рисунок 2 - Конечноэлементная расчетная модель защитной оболочки пятого энергоблока Нововоронежской АЭС
В расчетах учитывалось:
- неоднородный состав материалов защитной оболочки;
- действие нагрузки от предварительного напряжения арматурных канатов с учетом их расположения в однородной зоне и в зоне крупных технологических проходок;
- различная величина усилий в канатах и снижение усилий натяжения по длине канатов, которое зависит от величины коэффициента трения и угла изгиба каната, потерь усилий при анкеровке канатов;
- особенности формирования напряженно-деформированного состояния в строительный период и в период преднапряжения защитной оболочки;
- происшедшие в ходе эксплуатации изменения напряженно-деформированного состояния за счёт релаксации напряжений в канатах;
- действие нагрузки от собственного веса конструкции;
- результаты многолетних наблюдений и обследований физико-механических свойств и целостности элементов защитной оболочки;
- действие на конструкцию внешних и внутренних температурных нагрузок.
Результаты расчета показали, что в куполе необходимо обследовать зону
сопряжения купола с опорным кольцом (см. рисунок 3). При этом рекомендуется обследовать облицовку на предмет целостности и прилегания к бетону изнутри оболочки, поскольку здесь имеют место наибольшие сжимающие напряжения, которые возрастают в течение эксплуатации из-за ползучести и усадки бетона.
В цилиндрической части защитной оболочки определены следующие зоны, требующие повышенного внимания (см. рисунок 4):
- в средней части в зоне технологической проходки диаметром 3 м;
- в нижней части в зоне технологической проходки диаметром 4 м;
- в области сопряжения цилиндра с фундаментной плитой;
- в зоне сопряжения цилиндрической части с опорным кольцом;
- в зоне расположения подкрановой консоли.
Рисунок 3 - Наиболее нагруженная зона на куполе защитной оболочки
Рисунок 4 - Наиболее нагруженные области в нижней части защитной оболочки в зоне технологической проходки диаметром 4 м
2.3 Разработка рабочей программы комплексного обследования защитной оболочки
Программа обследования защитной оболочки для оценки технического состояния и остаточного ресурса герметичного ограждения разработана на основе анализа базы данных и полученных результатов численных расчетов. При этом определена стратегия натурного контроля защитной оболочки:
- составлен перечень зон для проведения обследования защитной оболочки;
- выбраны методы и средства натурного контроля, исходя из предварительного анализа требований к определению физико-механических свойств;
- определены необходимые объемы работ по натурному контролю.
2.4 Обследование защитной оболочки
Учитывая большую поверхность защитной оболочки, инструментальный контроль ее состояния следует проводить, во-первых, в местах, где при проведении визуального контроля были выявлены видимые дефекты, а во-вторых, в местах, где на основании выполненных предварительных расчетов получены высокие уровни напряжений в бетоне и арматуре сооружения.
Обследование защитной оболочки включало:
- визуальный и инструментальный контроль железобетонных конструкций защитной оболочки с целью определения физико-механических свойств и целостности обследуемых элементов;
- визуальный и инструментальный контроль металлической облицовки защитной оболочки с целью определения физико-механических свойств и целостности обследуемых элементов;
- лазерное сканирование внутренней и внешней поверхности защитной оболочки, с целью определения фактических геометрических размеров защитной оболочки и их изменение в зависимости от времени года (зима - лето) за счёт сезонных колебаний температур;
- визуальный и инструментальный контроль проходок с целью определения
физико-механических свойств и целостности обследуемых элементов;
- визуальный и инструментальный контроль транспортного люка, основного и аварийного шлюза защитной оболочки с целью определения физико-механических свойств и целостности обследуемых элементов.
При обследовании защитной оболочки впервые в отечественной практике был применен метод лазерного сканирования, который заключается в дистанционном сборе пространственной информации с помощью специализированных приборов - наземных лазерных сканеров (см. рисунок 5).
Рисунок 5 - Результаты лазерного сканирования фактической геометрии
защитной оболочки
Принцип работы лазерного сканера аналогичен принципу работы безотражательного электронного тахеометра и заключается в измерении времени прохождения лазерного луча от излучателя до отражающей поверхности и обратно до приёмника. Путём деления этого времени на скорость прохождения лазерного луча определяется расстояние до объекта. Измерения происходят со скоростью нескольких тысяч точек в секунду. Углы в данном случае не измеряются, а задаются поворотом зеркала, одновременно регистрируясь запоминающим устройством.
Суть метода состоит в практически мгновенном получении координат десятков тысяч точек, описывающих сканируемый объект. Для этого не нужен непосредственный доступ к объекту, не нужны отражатели или другие приспособления, необходима лишь прямая видимость.
Цель применения данного метода - сбор данных о геометрических размерах элементов строительных конструкций герметичного ограждения для совершенствования расчетного анализа НДС защитной оболочки энергоблока №5 Нововоронежской АЭС на заключительном этапе.
Результаты обследования показали, что в целом техническое состояние защитной оболочки удовлетворительное: дефектов и повреждений, влияющих на снижение несущей способности конструкции, не наблюдается.
Однако, в зимний период эксплуатации защитной оболочки происходит образование трещин на внешней поверхности цилиндрической части оболочки в зоне вута и вблизи опорного кольца, что свидетельствует о необходимости периодического контроля ширины и глубины образования трещин в период дальнейшей эксплуатации
сооружения (см. рисунок 6).
Полученные в ходе обследования защитной оболочки физико-механические характеристики материалов и фактические геометрические, параметры использовались в дальнейшем при выполнении поверочных расчетов.
ширина, мм глубина, м
Рисунок 6 - Картограмма ультразвукового контроля несплошностей в цилиндрической части по толщине стенки защитной оболочки
2.5 Поверочные расчеты защитной оболочки
Окончательный вывод о работоспособности защитной оболочки сделан на основе:
- предварительных расчетов состояния оболочки при эксплуатации;
- результатов обследования оболочки;
- расчета напряженно-деформированного состояния защитной оболочки при воздействии аварийной нагрузки.
Расчеты напряженно-деформированного состояния защитной оболочки 5 блока НВАЭС для условий максимальной проектной аварии проведены в нелинейной постановке с учетом возможного образования трещин в бетоне. В расчетах учтены следующие факторы и нагрузки:
- собственный вес конструкции;
- нагрузка от системы преднапряжения;
- нагрузка от аварийного внутреннего давления;
- нагрузка от неравномерных, нестационарных температурных полей;
- нагрузка от распора облицовки;
- нагрузка от самонатяжения канатов системы преднапряжения при деформировании оболочки.
Расчет НДС защитной оболочки проведен при приложении аварийной нестационарной нагрузки (см. рисунок 7) с учетом образования трещин в бетоне. В качестве исходного состояния рассматривалось наиболее неблагоприятное эксплуатационное состояние со средним усилием натяжения канатов системы преднапряжения 750 т и перепадом температур сред внутри и снаружи оболочки от +40°С до -30оС.
Рисунок 7 - Характер изменения параметров среды под оболочкой при максимально возможной аварии; ^ - время от начала аварии
Анализ результатов расчетов показал, что при среднем усилии натяжения арматурных канатов системы преднапряжения величиной 750 т, действующем в настоящее время, не происходит образования сквозных трещин в стенках сооружения, что подтверждает эксплуатационную пригодность защитной оболочки.
3. Обоснование ресурса
На основании результатов визуального, инструментального контроля и лабораторных исследований, а также результатов поверочных расчетов сделано прогнозирование состояния защитной оболочки на продляемый сверхпроектный срок эксплуатации.
В первую очередь анализировались данные об изменении физико-механических свойств материалов защитной оболочки в процессе эксплуатации и их реальные значения на настоящее время, которые были получены в результате натурных измерений с применением специальных методик и оборудования.
При этом, особое внимание уделялось бетону сооружения:
- видимым дефектам, выявленным при визуальном обследовании (глубина и ширина раскрытия трещин их протяженность, места расположения, наличие дефектов в виде увлажнений, высолов и др.);
- состоянию поверхности бетона (плотность, однородность, сцепление цементного камня с заполнителями);
- физико-механическим свойствам бетона (прочность бетона при сжатии Яь, модуль упругости бетона Еь);
- наличию коррозии бетона;
- глубине нейтрализации наружного слоя бетона и величине снижения прочности бетона на этих участках.
Следующим фактором, необходимым для оценки состояния конструкции после длительной эксплуатации, является состояние стержневой арматуры. При этом учитывались:
- наличие коррозии стержневой арматуры, вид коррозии и глубина
проникновения, места возникновения;
- характер уменьшения сечения арматурного стержня (равномерное уменьшение по всей поверхности или резко выраженное язвенное поражение);
- увеличение диаметра арматуры за счет продуктов коррозии и наличие в связи с этим дополнительных напряжений в бетоне.
Особое внимание уделено состоянию металлической облицовки, особенно в зонах усилений, где резко меняется толщина сечения.
Поскольку арматурные канаты системы преднапряжения оболочки установлены в полиэтиленовых каналообразователях и не связаны с бетоном, для поддержания требуемого уровня обжатия сооружения имеется возможность замены и подтяжки отдельных канатов.
Выводы
1. Анализ полученных исходных данных о защитной оболочкеэнергоблока № 5 Нововоронежской АЭС позволил оценить, произошедшие в ходе эксплуатации, изменения в ее напряженно-деформированном состоянии.
2. Разработанные трехмерные модели и методики расчета напряженно-деформированного состояния защитной оболочки при длительном воздействии эксплуатационной нагрузки (собственный вес + преднапряжение + температура) позволили учесть нелинейные эффекты, связанные с усадкой и ползучестью железобетона, а также образование трещин в бетоне.
3. Результаты расчета защитной оболочки при воздействии эксплуатационной нагрузки позволили определить наиболее нагруженные зоны сооружения, для которых необходимо выполнить визуальный и инструментальный контроль, а также лабораторные исследования.
4. По результатам визуального, инструментального контроля и лабораторных исследований получена информация о состоянии отдельных элементов защитной оболочки и фактические данные о физико-механических свойствах материалов защитной оболочки. Установлено, что свойства материалов соответствуют требованиям действующей нормативной документации.
5. Лазерное сканирование внутренней и внешней поверхности защитной оболочки позволило определить фактические геометрические размеры сооружения и их изменение в зависимости от времени года (зима - лето) за счёт сезонных колебаний температур.
6. Поверочные расчеты защитной оболочки при воздействии эксплуатационных и аварийных нагрузок, выполненные с учетом результатов обследования, показали, что эксплуатационная пригодность защитной оболочки обеспечивается.
7. На основании расчетно-экспериментальной оценки технического состояния защитной оболочки установлено, что сооружение соответствует требованиям эксплуатационной, проектно-конструкторской и нормативной документации, и, таким образом, обоснована возможность дальнейшей эксплуатации защитной оболочки энергоблока № 5 Нововоронежской АЭС.
Рекомендации
Организовать мониторинг изменения геометрических размеров поверхностей трещин в цилиндрической части оболочки с использованием системы on-line мониторинга, разработанного ООО «НСУЦ «ЦМиР».
Провести выборочное измерение дефектности, механических свойств в наиболее нагруженных зонах с целью оценки фактической деформации физико-механических свойств оболочки после первых дополнительных 100 тысяч часов эксплуатации.
Литература
1. РД ЭО 0538-04 «Методика по обоснованию срока службы защитных оболочек атомных электростанций с ВВЭР-1000». Концерн «Росэнергоатом». : М., 2004 г.
2. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. Система нормативных документов в строительстве. Свод правил по проектированию и строительству. Госстрой России. - М., 2004 г.
Бакиров Мурат Баязитович - доктор технических наук, генеральный директор, ООО «Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники «Центр материаловедения и ресурса» (ООО «НСУЦ «ЦМиР»), г. Жуковский, Московская обл. E-mail: cont@ibrae.ac.ru; info@expresstest.ru
Муранов Владислав - руководитель группы, ООО «Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники «Центр материаловедения и ресурса» (ООО «НСУЦ «ЦМиР»), г. Жуковский, Московская обл. E-mail: info@expresstest.ru
Медведев Виктор Николаевич - кандидат технических наук, ведущий инженер, старший научный сотрудник, ООО «Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники «Центр материаловедения и ресурса» (ООО «НСУЦ «ЦМиР»), г. Жуковский, Московская обл. E-mail: cont@ibrae.ac.ru; info@expresstest.ru
Киселев Алексей Сергеевич - доктор технических наук, ведущий инженер, ООО «Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники «Центр материаловедения и ресурса» (ООО «НСУЦ «ЦМиР»), г. Жуковский, Московская обл. E-mail: kis-rncki@rambler.ru; info@expresstest.ru
Bakirov Murat B. - Doctor of Technical science, General Director, Scientific Certification Training Center for Materials and Resource of Nuclear Technology Components "Center for Materials Science and Resource" Ltd. (SCTC CMSR Ltd.), Zhukovsky city, Moscow region. E-mail: bakirov_murat@mail.ru; info@expresstest.ru
Muranov Vladislav A. - the head of group, Scientific Certification Training Center for Materials and Resource of Nuclear Technology Components "Center for Materials Science and Resource" Ltd. (SCTC CMSR Ltd.), Zhukovsky city, Moscow region. Email: info@expresstest.ru
Medvedev Viktor N. - candidate of Technical science, Principal Engineer, senior staff scientist, Scientific Certification Training Center for Materials and Resource of Nuclear Technology Components "Center for Materials Science and Resource" Ltd. (SCTC CMSR Ltd.), Zhukovsky city, Moscow region. Email: cont@ibrae.ac.ru; info@expresstest.ru
Kiselev Alexey S. - Doctor of Technical science, Principal Engineer, Scientific Certification Training Center for Materials and Resource of Nuclear Technology Components "Center for Materials Science and Resource" Ltd.(SCTC CMSR Ltd.), Zhukovsky city, Moscow region. Email: kis-rncki@rambler.ru; info@expresstest.ru
