К вопросу о деградации защитных оболочек АЭС Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС

УДК 621.039.538:621.311.25

К ВОПРОСУ О ДЕГРАДАЦИИ ЗАЩИТНЫХ ОБОЛОЧЕК АЭС

© 2012 г. В.Н. Медведев, Александр С. Киселев, Алексей С. Киселев, В.Ф. Стрижов, А.Н. Ульянов

Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, Москва Поступила в редакцию 22.02.2012 г.

Результаты длительного наблюдения за напряженно-деформированным состоянием защитных оболочек по датчикам контрольно-измерительной аппаратуры показали наличие деформаций ползучести бетона и наличие растягивающих напряжений в стержневой арматуре радиального направления. Разработаны детальные расчетные модели защитной оболочки с учетом реального расположения стержневой и напрягаемой арматуры, а также усовершенствованные алгоритмы расчета, позволили установить основные причины появления и роста растягивающих напряжений в радиальной арматуре стен защитной оболочки. Предложены возможные мероприятия по ограничению трещинообразования в теле оболочки и дополнительное установление на этапе возведения сооружения датчиков, измеряющих напряжения в радиальной стержневой арматуре, расположенной в наиболее нагруженных зонах.

Ключевые слова: защитная оболочка, деформированное состояние, расчетная модель, радиальные напряжения, арматура, контрольно-измерительная аппаратура.

ВВЕДЕНИЕ

Железобетонная преднапряженная защитная оболочка АЭС, являясь одним из основных элементов системы локализации аварий, по своим эксплуатационным свойствам должна обеспечивать стабильную работу на всем протяжении эксплуатации энергоблока [1].

Долговечность железобетонных конструкций в процессе эксплуатации зависит от множества факторов, таких, как свойства использованных при строительстве материалов, однородности напряженного состояния и характера внешних воздействий [2-4].

Результаты длительного наблюдения за напряженно-деформированным состоянием (НДС) защитных оболочек по датчикам контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) показали наличие деформаций ползучести бетона и наличие растягивающих напряжений в стержневой арматуре радиального направления. В этой связи возникла необходимость оценки возможности трещинообразования в стенке оболочки, установить причины этого явления и определить влияние этого фактора на эксплуатационные свойства сооружения [5].

В данной работе приведен расчетный анализ НДС защитной оболочки при воздействии эксплуатационных нагрузок с учетом влияния сезонных колебаний температуры и ползучести бетона, выполнена оценка возможности трещинообразования в стенке защитной оболочки и определены причины возникновения этого явления.

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2012

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ

Результаты оценки НДС защитных оболочек по показаниям датчиков КИА показывают наличие растягивающих напряжений в стержневой арматуре радиального направления.

Причиной появления растягивающих напряжений в радиальной арматуре, и, соответственно, в бетоне, могут быть конструктивные особенности системы преднапряжения ЗО, в частности, расположение канатов системы преднапряжения в три слоя, центры которых находятся на расстоянии 400, 650 и 900 мм от внутренней поверхности оболочки.

При воздействии напрягаемых арматурных канатов в средней части сечения, наружный слой бетона не испытывает сжимающих радиальных нагрузок и его обжатие происходит за счет уменьшения радиуса внутренних обжимаемых слоев бетона, которые увлекают за собой наружный слой, вызывая на границе растягивающие напряжения (см. рис. 1). Наряду с упомянутыми воздействиями на этот слой активно действуют температурные нагрузки, вызывающие появление значительных растягивающих напряжений, т.к. температурный градиент по толщине стенки оболочки в зимний период может достигать 60°С и более. Кроме этого, каналообразователи имеют форму круглых отверстий, которые сами по себе являются концентраторами напряжений.

Очевидно, что столь сложное напряженное состояние, в конечном счете, может вызвать образование трещины между наружными и внутренними обжимаемыми слоями.

Для подтверждения этих выводов методами компьютерного моделирования разработана детальная численная модель защитной оболочки, в которой смоделирована реальная геометрия и положение каналообразователей по толщине стенки защитной оболочки в три слоя, герметизирующая облицовка, стержневая арматура в кольцевом, меридиональном и радиальном направлениях.

Рис. 1. Схема расположения арматуры в средней части цилиндра защитной оболочки.

Учитывая, что моделирование реальной геометрии каналообразователей, имеющих геликоидальную траекторию, и стержневой ненапрягаемой арматуры в стенке оболочки приводит к необходимости значительного измельчения сетки конечных элементов, количество элементов и степеней свободы полномасштабной модели ЗО может достигать нескольких миллионов, а затраты компьютерных ресурсов оказываются неприемлемо большими. В этой связи в данной работе отдельно моделируются фрагменты верхней и нижней частей ЗО, представляющие собой сектор 90о, на границах которого задаются условия симметрии. Модель верхней части включает цилиндрическую часть, подкрановую балку, опорное кольцо в зоне перехода от цилиндрической части к сферическому куполу и купол.

Рис. 2. Конечноэлементная модель верхней части оболочки (материал №1 - бетон, материал №2 -вкладыши в каналообразователи, материал №3 - облицовка, материал №6 - подкрановая консоль. Модель содержит 354115 конечных элементов, 416368 узлов, 1249404 степеней свободы.

Рис. 3. Фрагмент поперечного сечения модели ЗО в цилиндрической части оболочки, на котором видно положение каналообразователей.

На рис. 2 различными цветами, соответствующим различным номерам материалов, показаны конструктивные элементы - облицовка на внутренней поверхности оболочки, подкрановая консоль. По толщине цилиндрической части оболочки моделируются каналообразователи диаметром 220 мм для преднапрягаемой арматуры, имеющие геликоидальную траекторию, расположенные в трех сечениях по толщине оболочки - на расстоянии 400мм, 650мм и 900мм от внутренней поверхности оболочки. На рис. 3 показан фрагмент поперечного сечения цилиндрической части оболочки, на котором видно положение каналообразователей, а на рис. 4 показана их геометрия. Внутрь каждого отверстия каналообразователея вставлен вкладыш (материал №2 на рис. 2), имеющий свойства полиэтилена, толщиной 10 мм.

Рис. 4. Геометрия каналообразователей в цилиндрической части оболочки.

Вблизи внутренней и наружной поверхностей оболочки моделируется рядовая арматура с применением стержневых конечных элементов - рис. 5, которые работают совместно с объемными конечными элементами, моделирующими бетон. Для этого разработан специальный алгоритм, не требующий совпадения сеток арматуры и бетонной стенки «узел в узел».

Рис. 5. Рядовая арматура вблизи внутренней и наружной поверхностей оболочки, моделируемая стержневыми конечными элементами (Материал №12).

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НДС ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ

На рис. 6 приведено распределение окружных напряжений по объему оболочки при воздействии нагрузки от двух пересекающихся канатов. На этих рисунках можно видеть, что максимальные напряжения действуют в зоне пересечения канатов, а также хорошо прослеживаются траектории напряженных канатов.

На рис. 7 приведено распределение радиальных напряжений оболочки в сечении Ъ = 57,95 м по высоте оболочки, в котором лежит точка пересечения 2-х канатов. При этом радиальные напряжения по сечению стены претерпевают существенные изменения: от сжимающих напряжений порядка 2,3 МПа под канатом до растягивающих напряжений порядка 1,5 МПа по боковым его поверхностям, превышающих предел прочности бетона на растяжение.

Рис. 6. Распределение окружных напряжений по объему оболочки при воздействии нагрузки

от двух пересекающихся канатов.

Рис. 7. Распределение радиальных напряжений в сечении Ъ = 57,95 м при воздействии нагрузки

от двух пересекающихся канатов.

На рис. 8 приведено распределение радиальных напряжений оболочки в сечении Ъ = 53,8 м (сечение цилиндра выше подкрановой консоли) при воздействии нагрузки преднапряжения. Можно отметить, что максимальные радиальные растягивающие напряжения составляют 3,33 МПа, т.е. вероятность трещинообразования в бетоне в зоне расположения канатов увеличивается. При этом окружные напряжения по сечению стены распределены неравномерно: у внутренней поверхности напряжения сжатия составляют порядка - 14 МПа, а у внешней - 9 МПа (см. рис. 9).

Рис. 8. Распределение радиальных напряжений в сечении Ъ = 53,8 м защитной оболочки при воздействии нагрузки от преднапряжения.

Рис. 9. Распределение окружных напряжений в сечении Ъ = 53,8 м защитной оболочки при воздействии нагрузки от преднапряжения.

На следующем этапе были выполнены расчеты НДС защитной оболочки АЭС при воздействии нагрузки от преднапряжения и температуры. При этом температура среды снаружи оболочки принималась равной -40 оС, а температура внутри оболочки -равной +40 оС.

На рис. 10 приведено распределение радиальных напряжений оболочки в сечении Ъ = 47,5 м при воздействии указанной комбинации нагрузок, на котором можно видеть, что максимальные радиальные растягивающие напряжения составляют 4,13 МПа, что несколько больше по сравнению с вариантом нагрузки от преднапряжения.

Однако неравномерность распределения окружных напряжений по сечению стены значительно увеличилась: у внутренней поверхности напряжения сжатия возросли до -30 МПа, а у внешней поверхности растягивающие напряжения значительно превышают предел прочности бетона на растяжение (см. рис. 11), т.е. сезонные колебания

температуры увеличивают деградационные процессы в защитной оболочке и отрицательно влияют на ее долговечность.

Рис. 10. Распределение радиальных напряжений в сечении Ъ = 47,5 м защитной оболочки при воздействии преднапряжения и температуры (-40 оС + 40 оС).

Рис. 11. Распределение окружных напряжений в сечении Ъ = 47,5 м защитной оболочки при воздействии преднапряжения и температуры (-40 оС + 40 оС).

ВЫВОДЫ

1. Разработанные детальные расчетные модели защитной оболочки с учетом реального расположения стержневой и напрягаемой арматуры, а также усовершенствованные алгоритмы расчета, позволили установить основные причины появления и роста растягивающих напряжений в радиальной арматуре стен защитной оболочки.

2. Основными причинами роста растягивающих напряжений в радиальной арматуре стен цилиндра и купола защитной оболочки являются следующие факторы:

- при выполнении предварительного напряжения как цилиндрической, так и купольной части оболочки радиальная нагрузка от напрягаемых арматурных канатов прикладывается внутри сечения стен. При этом наружный слой бетонного сечения, не нагруженный непосредственно радиальным давлением, испытывает сжимающие напряжения за счет совместной работы сечения при уменьшении диаметра цилиндра и купола, т.е. этот слой увлекается за обжимаемым сечением за счет действия в бетоне и поперечной арматуре растягивающих напряжений радиального направления.

- причиной роста растягивающих напряжений радиального направления и образования трещин могут являться сезонные температурные воздействия с температурным градиентом по толщине оболочки порядка 60 °С.

3. Возможными мероприятиями по ограничению трещинообразования в теле оболочки являются оптимизация уровня её обжатия и теплоизоляция внешней поверхности.

4. Для защитных оболочек АЭС достраиваемых и строящихся энергоблоков предлагается установить дополнительное количество радиальной арматуры. Данное предложение реализовано на защитных оболочках энергоблоков №№ 3 и 4 Ростовской АЭС, энергоблока №4 Калининской АЭС.

5. Для контроля эксплуатационного состояния защитных оболочек целесообразно на этапе возведения сооружения дополнительно установить датчики, измеряющие напряжения в радиальной стержневой арматуре, расположенной в наиболее нагруженных зонах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нормы проектирования железобетонных конструкций локализующих систем безопасности атомных станций. ПНАЭ Г-10-007-89, Госатомэнергонадзор СССР [Текст]. - М., 1991.

2. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения [Текст]. - М., 2004.

3. Свод правил СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры [Текст]. - М., 2004.

4. Свод правил СП 52-102-2004 «Предварительно напряженные железобетонные конструкции» [Текст]. - М., 2004.

5. Медведев, В.Н., Ульянов, А.Н., Киселев, Александр С., Киселев, Алексей С., Стрижов, В.Ф., Баюклин, В.Ф. Разработка экспертной системы оценки напряженного состояния для защитной оболочки 1-го энергоблока Волгодонской АЭС [Текст] / В.Н. Медведев ; А.Н. Ульянов ; Александр С. Киселев ; Алексей С. Киселев ; В.Ф. Стрижов; В.Ф. Баюклин // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки. - 2008. - Спецвыпуск. - С. 107-112.

About the degradation of NPP containments

V. N. Medvedev*, Alexander S. Kiselev**, Alexey S. Kiselev**, V. F. Strizhov***, A. N. Ulyanov*

Institute of Nuclear Energy Safe Development, Russian Academy of Sciences, 52 Bolshaya Tulskaya St., Moscow, Russia 115191,

e-mail*: cont@ibrae.ac.ru , e-mail**: kis-rncki@rambler.ru , e-mail***: vfs@ibrae.ac.ru

Abstract - The results of long-time monitoring of containments' stressedly-deformed condition with the help of checking and measuring equipment's sensors showed the concrete creep deformation and tensile stress in the reinforcing rod of radial direction. The detailed rating models of containment were worked out with taking into consideration the real arrangement of reinforcing rod and pretensioned reinforcement. Improved rating algorithms permitted to define the main reasons of tensile stresses appearance and their increasing in containment walls' radial reinforcement. The possible actions aimed at prevention of clinking in the containment were proposed. Also it was suggested to set additional sensors at the stage of reactor construction to measure the stress in radial reinforcement of the most loaded zones.

Keywords: containment, condition of deformation, rating models, radial stresses, reinforcement, checking and measuring equipment.