Расчет сейсмостойкости кранов группы "б", действующих на атомных электрических станциях (АЭС) Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2018 №3(28), С. 73-82

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ОТРАСЛИ

УДК 528.48

РАСЧЕТ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ КРАНОВ ГРУППЫ «Б», ДЕЙСТВУЮЩИХ НА АТОМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СТАНЦИЯХ (АЭС)

А А А А А А

© Ю.И. Пимшин , В.А. Наугольнов , Г.А. Науменко , И.Ю. Пимшин

*Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», г. Волгодонск, Ростовская обл., Россия ** Донской государственный технический университет (ДГТУ), Ростов-на-Дону, Ростовская обл.,

Россия

В работе рассмотрена оценка сейсмостойкости кранов группы «Б», эксплуатируемых на

блоках атомных станций (АЭС). Приведен пример расчета подвесного пятитонного крана.

Сделан вывод о его соответствии сейсмостойкости региона.

Ключевые слова: техническое состояние, краны мостового типа, сейсмостойкость, расчет

параметров, напряжение.

Поступила в редакцию: 15.06.2018

Согласно действующих НП-043-11 «Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии «Правил аустройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов для объектов использования атомной энергии». утвержденых приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 30 ноября 2011 г. N 672, в разделе «...П. Общие требования к кранам для объектов использования атомной энергии.» [1] даны группы классификации «.6. Краны ОИАЭ по влиянию на обеспечение ядерной и радиационной безопасности ОИАЭ классифицируются на специальные краны и общепромышленные краны.

К специальным кранам относятся:

- краны группы А - краны, перемещающие облученное ядерное топливо, высокообогащенный уран, трансурановые материалы и (или) высокоактивные радиоактивные отходы;

- краны группы Б - краны, не вошедшие в группу А и перемещающие ядерные материалы и радиоактивные вещества (в том числе радиоактивные отходы), выход которых за установленные проектом ОИАЭ границы при нарушениях нормальной эксплуатации ОИАЭ, включая проектные аварии на ОИАЭ, превышает пределы, установленные в соответствии с Нормами радиационной безопасности (НРБ-99/2009, СП 2.6.1.2523-09), утвержденными постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 7 июля 2009 г. N 47 (зарегистрировано в Минюсте России 14 августа 2009 г., регистрационный номер 14534, опубликовано в "Российской газете", N 171/1, 11 сентября 2009 г.) ...». Далее в разделе «.III. Требования к специальным кранам группы Б.» приведены требования «.16. Специальные краны и их элементы при наличии максимального груза на крюке, соответствующего условиям эксплуатации крана в технологическом процессе ОИАЭ, должны быть устойчивы к внешним воздействиям природного и техногенного происхождения на ОИАЭ (включая сейсмические и ветровые нагрузки).» [1].

© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2018

«...Расчет на сейсмостойкость специального крана должен выполняться линейно-спектральным методом с использованием сейсмических спектров ответа и сейсмических коэффициентов динамичности или методом динамического анализа.

Расчет на сейсмостойкость специальных кранов группы Б с электрическими талями (однобалочных мостовых опорных и подвесных, козловых, консольных) допускается проводить статическим методом.» [1].

Для практических расчетов кранов группы Б действует «Руководящий технический материал. Оборудование атомных энергетических установок. Расчет на прочность при сейсмическом воздействии. Ртм 108.020.37-81» утвержден и введен в действие указанием Министерства энергетического машиностроения от 04.06.81 № ЮК-002/4365 [2]. В документе сказано, что «.статический метод расчета на сейсмостойкость - упрощенный метод, согласно которому распределение сейсмических нагрузок, действующих на конструкцию, принимается подобным распределению массы, а величины этих нагрузок определяются при помощи набора коэффициентов. » [2].

ТРЕБОВАНИЯ К РАСЧЕТУ

«2.1 Исходными данными для расчета на сейсмостойкость оборудования ... АЭУ являются: балльности DE и МОЕ и максимальные уровни ускорений расчетных акселерограмм; воздействия от ОЕ и МОЕ в виде поэтажных акселерограмм и (или) обобщенных спектров ответа для мест закрепления оборудования по трем взаимно перпендикулярным направлениям (вертикального и двух горизонтальных); нагрузки или внутренние усилия при нормальных условиях эксплуатации, а в необходимых случаях при нарушении нормальных условий эксплуатации и в аварийных ситуациях.

(Здесь сокращения: МОЕ (МРЗ) - максимальное расчетное землетрясение; ОЕ (ПЗ) - проектное землетрясение).

2.2 Расчет на сейсмостойкость необходимо проводить с учетом одновременного сейсмического воздействия во всех учитываемых направлениях.

2.3 Расчет на сейсмостойкость оборудования ... АЭУ проводится статическим, линейно-спектральным методами, а также методом динамического анализа ...» [3-10].

Примеры расчета оборудования АЭУ на сейсмостойкость приведены в настоящей статье ниже.

ОЦЕНКА СЕЙСМОСТОЙКОСТИ

Оценку сейсмостойкости оборудования АЭУ следует выполнять по допускаемым напряжениям, допускаемым перемещениям, допускаемым нагрузкам, критериям циклической прочности и устойчивости.

При оценке сейсмостойкости по допускаемым напряжениям должны учитываться только те эксплуатационные нагрузки или внутренние усилия, которые не релаксируются при возникновении в элементах местной или общей пластической деформации (весовые нагрузки, внутреннее и наружное давление, нагрузки от присоединенных коммуникаций).

Приведенные напряжения, сопоставляемые с допускаемыми, следует определять по теории наибольших касательных напряжений.

Оценку прочности элементов оборудования АЭУ следует выполнять по допускаемым напряжениям, приведенным в таблице 1.

(бб) 1 - группа приведенных общих мембранных напряжений с учетом сейсмических воздействий, МПа (кгс/мм2);

РАСЧЕТ СЕИСМОСТОИКОСТИ КРАНОВ ГРУППЫ «Б», ДЕЙСТВУЮЩИХ НА 75 [s] - номинальное допускаемое напряжение, МПа (кгс/мм ).

При расчете оборудования на устойчивость допускаемые напряжения должны приниматься следующими:

[sF] = 0,7skr при skr<Rp0,2; (1)

[sF] = 0,7Rp0,2 при skr>Rp0,2 (2)

где [sF] - допускаемое напряжение сжатия, МПа (кгс/мм2);

Rp0,2 - минимальное значение предела текучести при расчетной температуре, МПа (кгс/мм2);

skr - критическое напряжение сжатия, МПа (кгс/мм2).

Таблица 1 - Сочетания нагрузок и допускаемые напряжения для оборудования [Load combinations and allowable voltages for equipment]

Категория оборудования Сочетание нагрузок Расчетная группа категории напряжений Допускаемое напряжение

I NOC + MDE (ss)1 (ss)1 1,4[s] 1,8[s]

I NOC + DE (ss)1 (ss)1 1,2[s] 1,6[s]

II NOC + DE (ss)1 (ss)1 1,5[s] 1,9[s]

Величины допускаемых перемещений (прогиб, сдвиг, смещение и т.п.) следует определять в зависимости от условий эксплуатации и требований к жесткости элементов конструкции (предотвращение выбора зазора и соударения элементов, недопустимые перекосы, разуплотнение герметичных стыков и т.п.).

РАСЧЕТ НА СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ СТАТИЧЕСКИМ МЕТОДМ

При использовании статического метода расчетные сейсмические нагрузки на конструкцию распределяются подобно распределению массы и прикладываются независимо в двух горизонтальных и вертикальном направлениях.

Величины сосредоточенной Qc или распределенной ^с) сейсмических нагрузок определяются по следующим зависимостям:

Qc Q^hhK

qc = q-fe-^H

(3)

где Q и q - соответственно сосредоточенная и распределенная весовые нагрузки на оборудование;

кб - коэффициент балльности принимается по таблице 2;

кв - коэффициент высоты размещения конструкции в здании или сооружении, который определяется по формуле:

ke = 1 + 0,05H,

(4)

где Н - отметка установки оборудования в здании АЭУ или наивысшая отметка крепления трубопровода (в метрах); кн - коэффициент интенсивности нагрузки определяется в зависимости от низшей собственной частоты конструкции ^ (Гц) по следующим условиям:

кн = fi, если fi< 2; kH = 2, если 10 > fi> 2;

k ■ Ч 2/f,

kH = 0,5,

если 40> fi> 10;

если fi> 40.

Таблица 2 - Значение коэффициента балльности [Value of the score coefficient]

Сейсмичность площадки (в баллах) 9 8 7 6 5

Коэффициент балльности k6 1,0 0,5 0,25 0,125 0,06

Если собственная частота конструкции не определяется, то кн = 2.

Значение низшей частоты ^ может быть приближенно определено по формуле:

fi =

1

2-ж \

g

К

(5)

где Хтах - максимальная абсолютная величина перемещения (прогиба) конструкции при действии весовых нагрузок Q и q в рассматриваемом направлении сейсмического воздействия; g - ускорение свободного падения.

При определении вертикальной сейсмической нагрузки значение коэффициента кб при заданной балльности уменьшается в 2 раза, а коэффициент кв принимается равным 1.

Приведенные напряжения, получаемые из расчета на действие сейсмических нагрузок отдельно по каждому из учитываемых направлений, суммируются по среднеквадратичной зависимости, а затем алгебраически складываются с приведенными напряжениями от эксплуатационных нагрузок.

Статический метод расчета на сейсмостойкость применим для линейно-упругих систем. Метод дает оценку сейсмостойкости с погрешностью, идущей в сторону повышения запаса прочности и устойчивости.

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Расчет на прочность при сейсмических воздействиях на кране мостовом электрическом КМ-5, Зав. №ххх, Рег. № ххх.

Оценка на прочность при сейсмических воздействиях выполняется с целью определения возможности дальнейшей безопасной эксплуатации подъёмного сооружения в данном регионе его использования.

Оценка сейсмостойкости оборудования на прочность выполняется по допустимым напряжениям:

о„

: < М,

(6)

где оШах - максимальное напряжение в металлоконструкциях возникаемое при сейсмовоздействии; [а] - предельное допустимое напряжение. Допускаемые напряжения [а] для кранового оборудования определяются в зависимости от сочетания нагрузок, в том числе нормальных условий эксплуатации и

РАСЧЕТ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ КРАНОВ ГРУППЫ «Б», ДЕЙСТВУЮЩИХ НА

77

максимально расчетного землетрясения. Как говорилось выше, согласно НП-043-11 п.55 [1] «.Расчет на сейсмостойкость специальных кранов группы Б с электрическими талями (однобалочных мостовых опорных и подвесных, козловых, консольных) допускается проводить статическим методом» [2].

[а] =

[^ = 0,ЪВр0,2,

где Rp0,2 - предел текучести стали из которой изготовлена пролетная балка, сталь Ст3сп5 - 245000 кН/м2.

В таблице 3 приведены общие характеристики крана.

Для крана КМ-5, Рег. № ххх [о] = (1/1,4)245000 = 175000 кН/м2.

При использовании статического метода расчетные сейсмические нагрузки на конструкцию распределяются подобно распределению массы и прикладываются независимо в двух горизонтальных У(ирод), Х(поп) и вертикальном Z(B) направлениях.

Величины сосредоточенной Qc или распределенной (qc) сейсмических нагрузок определяются по (3):

кб- коэффициент балльности принимается по таблице 2. Для крана КМ-5, Рег. № хххкб = 0,25;

к6- коэффициент высоты размещения конструкции в здании или сооружении, который определяется по формуле кь =1 + 0,05// . Здесь Н - отметка установки оборудования в зданиях АЭС (в метрах); Н= +12,0 м. кв = 1+0,05-12,0 = 1,6;

ки - коэффициент интенсивности нагрузки определяется в зависимости от низшей собственной частоты конструкции /у(Гц). В данном случае собственная частота f1 конструкции не определена, то ки =2.

Qc(x) =23,242 0,25 1,6 2,0 = 18,593 кН

_ _ xmax

х max ,

W

x

где M = .

^ x max ^

18,593 • 9,0 ЛЛ^Г1ТТ Mxmax = ^ 3 ^ = 41,835кЯ • М

Охтах= 41,835/0,000472 = 88633,832 кН/м2.

При определении вертикальной сейсмической нагрузки значение коэффициента кб при заданной балльности уменьшается в 2 раза, а коэффициент кв принимается равным 1.

Qc(z) = 23,242 0,125 1,0 2,0 = 5,810 кН,

а

z max

W

z

где Wz - момент сопротивления, определяется по ГОСТ 8239-89 (табл.1);

Ы„

Qc ( z ) ' ^п

Mzmax = (5,810 9,0)/4 = 13,074кНм

Oz max= 13,074/0,000472=27698,358кН/м2

Таблица 3 - Технические характеристики крана и территории его размещения [Technical characteristics of the crane and its location]

1 Тип крана Кран мостовой подвесной электрический, КМ-5

2 Заводской номер 1979

3 Регистрационный номер 48А

4 Пролет крана, (4), м 9,0

5 База крана, (1б), м 1,5

6 Грузоподъемность, т 5

7 Высота подъема груза м. 12,0

8 Масса крана в рабочем состоянии, Q, т 2,370

9 Максимальная нагрузка колеса на подкрановый путь, кН

10 Тип металлоконструкции крана (коробчатого сечения, сварная, ферменная, клепаная и т.д.) горячекатанная, двутаврового сечения

11 Скорости механизмов, м/с.:

12 передвижения крана

- максимальная м/мин 32

- минимальная м/мин -

13 передвижения тележки

- максимальная м/мин 20

- минимальная м/мин -

14 Скорость подъема м/мин 8

15 Направляющие Двутавровая балка, М-30

16 Паспортные данные о нижнем и верхнем пределах температур рабочего состояния крана -200С +400С

17 Предельная сейсмоактивность района по шкале MSK-64, бал. 7

18 Предельная ветровая нагрузка, бал. -

Приведенные напряжения, получаемые из расчета на действие сейсмических нагрузок отдельно по каждому из учитываемых направлений, суммируются по среднеквадратичной зависимости,

/2 2 2 ^п y^zmax ^ ^x max ^У max

а„ =92860,946кН/м2,

а затем алгебраически складываются с приведенными напряжениями аэ/н от эксплуатационных нагрузок:

о,

max "п

Оп+ Оэ/н,

ГДе / н =

M_ W

4

РАСЧЕТ СЕИСМОСТОИКОСТИ КРАНОВ ГРУППЫ «Б», ДЕЙСТВУЮЩИХ НА 79

м = .

4

M = (23,242 9,0)/4 = 52,295кНм

аэ/н= 52,295/0,000472=110793,432кН/м2

omw: = 27698,358 +110793,432 =138491,790кН/м2

Условие приведенное (6) выполняется, следовательно, устойчивость крана КМ-5 Рег. № ххх при 7 бальном сейсмическом воздействии по шкале MSK-64 обеспечивается.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов для объектов использования атомной энергии. НП-043-11. В редакции Приказа Ростехнадзора от 19.11.2013 N 549. - URL : http://files.stroyinf.rU/Data2/1/4293780/4293780109.htm (дата обращения: 17.05.2018).

2. Руководящий технический материал. Оборудование атомных энергетических установок. Расчет на прочность при сейсмическом воздействии. РТМ 108.020.37-81. Утвержден и введен в действие указанием Министерства энергетического машиностроения от 04.06.81 N ЮК-002/4365. - URL : http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293828/4293828641.htm (дата обращения: 21.05.2018).

3. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций. НП-031-01. Введены в действие с 1 января 2002 г. - URL : http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4294815/4294815342.htm (дата обращения: 21.05.2018).

4. Васютинский, И.Ю. Геодезические приборы при стороительно-монтажных работах [Текст] / И.Ю. Васютинский, Г.Е. Рязанцев, Х.К. Ямбаев. - Москва : Недра, 1982. - 167 с.

5. Ганьшин, В.Н Геодезические работы при строительстве и эксплуатации подкрановых путей [Текст] / В.Н. Ганьшин, , И.М. Репалов. - Москва : Недра, 1980. - 120 с.

6. Григоровский, П.Е. Совершенствование технологии возведения высотных сооружений и зданий из монолитного железобетона с применением лазерных систем [Текст] / П.Е. Григоровский // Автореф. на соиск. уч. степ. к.т.н. по спец. 05.24.01. - Киев : КИСИ, 1991. - 24 с.

7. Головень, Г.Е. Совершенствование приборов и способов переноса осей по высоте в геодезическом обеспечении строительства [Текст] / Г.Е. Головень // Автореф. на соиск. уч. степ. к.т.н. по спец. 05.24.01. - Москва : И-т им. Плеханова, 1982. - 22 с.

8. Карасев, В.И. Методы оптических измерений при монтаже турбоагрегатов [Текст] / В.И. Карасев, Д.С. Монес. - Москва : Энергия, 1973. - 168 с.

9. Корн, Г. Справочник по математике [Текст] / Г. Корн,. Т М. Корн. - Москва : Наука,1979. -678 с.

10. Маркузе, Ю.И. Геодезия. Вычисления и уравнивание [Текст] / Ю.И. Маркузе, Е.Г. Бойко, В.В. Голубев. - Москва : Геодезиздат, 1994. - 431 с.

REFERENCES

[1] Federal ny e normy' i pravila v oblasti ispol zovaniya atomnoj e nergii. Pravila ustrojstva i bezopasnoj e'kspluatacii gruzopod'emnyx kranov dlya ob"ektov ispoFzovaniya atomnoj e'nergii. [Federal Rules and Regulations in the Field of Atomic Energy Use «Rules of Arrangement and Safe Operation of Cranes for Objects of Atomic Energy Use»]. NP-043-11. V redakcii Prikaza Rostexnadzora ot 19.11.2013 No. 549 [NP-043-11. Amended by the Order of Rostechnadzor dated 19.11.2013 No. 549]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293780/4293780109.htm (in Russian).

[2] Rukovodyashchij tehnicheskij material. Oborudovanie atomnyh energeticheskih ustanovok raschet na prochnost pri sejsmicheskom vozdejstvii [Equipment of Nuclear Power Installations, Strength

80

nHMfflHH h gp.

Calculation under Seismic Excitation]. RTM 108.020.37-81. Utverzhden i vveden v dejstvie ukazaniem Ministerstva e'nergeticheskogo mashinostroeniya ot 04.06.81 N YuK-002/4365 [RTM 108.020.37-81. Approved and put into effect the instruction of the Ministry of Power Engineering, 04.06.81 N Yuk-002/4365]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293828/4293828641.htm (in Russian).

[3] Normy proektirovaniya sejsmostojkih atomnyh stancij [Norms of Designing Earthquake-Resistant Nuclear Power Stations]. NP-031-01. Vvedeny v dejstvie s 1 yanvarya 2002 g. [NP-031-01. Put into effect since 1 January 2002]. Available at: http://files.stroyinf.ru/Data2/1/4294815/4294815342.htm (in Russian).

[4] Vasyutinsky I.Yu., Ryazantsev G.E., Yambaev H.K. Geodezicheskie pribory pri storoitelno-montazhnyh rabotah [Geodetic Devices at Construction Works]. Moskva, Nedra [Moscow, Subsoil]. 1982. 167 p. (in Russian).

[5] Ganshin V.N., Repalov I.M. Geodezicheskie raboty pri stroitelstve i ekspluatacii podkranovyh putej [Geodetic Works at Construction and Operation of Crane Tracks]. Moskva. Nedra [Moscow. Subsoil]. 1980. 120 p. (in Russian).

[6] Grigorovskij, E.P. Sovershenstvovanie tekhnologii vozvedeniya vysotnyh sooruzhenij i zdanij iz monolitnogo zhelezobetona s primeneniem lazernyh sistem [Improvement of the Technology of High-Rise Construction Structures and Buildings Made of Reinforced Concrete with the Use of Laser Systems.]. Avtoreferat na soiskanie uchenoj stepeni k.t.n. [Thesis Abstract of Ph. D. in Engineering]. 05.24.01. Kiev. KISI. 1991. 24 p. (in Russian).

[7] Goloven G. E. Sovershenstvovanie priborov i sposobov perenosa osej po vysote v geodezicheskom obespechenii stroitelstva [Improvement of Devices and Methods of Transfer of Axes in Height in Geodetic Support of Construction]. Avtoreferat na soiskanie uchenoj stepeni k.t.n. [Thesis Abstract of Ph. D. in Engineering]. 05.24.01. Plekhanov Institute. 1982. 22 p. (in Russian).

[8] Karasev V.I., Mones D.S. Metody opticheskih izmerenij pri montazhe turboagregatov [Methods of Optical Measurements during Installation Turbosets]. Moscow. Energy. 1973. 168 p. (in Russian).

[9] Korn G., Korn T. Spravochnik po matematike [Handbook of Mathematics]. Moskva. Nauka [Moscow. Science]. 1979. 678 p. (in Russian).

[10] Marcuse, Y.I., Boyko E.G., Golubev V.V. Geodeziya. Vychisleniya i uravnivanie [Geodesy. Calculations and Equalization]. Moskva. Geodezizdat [Moscow. Geodesic]. 1994. 431 p. (in Russian).

Calculation of Seismic Resistance of Group «B» Cranes Operating at Nuclear Power Plants (NPP)

Y.I. Pimshin *1, V.A. Naugolnov*2, G.A. Naumenko**3, I.U. Pimshin**4

* Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University "MEPhI", Lenin St., 73/94, Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360 ** Don State Technical University, Gagarin square 1, Rostov-on-Don, Russia, 344000

1ORCID iD: 0000-0001-6610-8725 WoS Researcher ID: J-6791-2017

e-mail: YIPimshin@mephi.ru 2 e-mail:VANaugolnov@mephi.ru 3ORCID iD: 0000-0002-7512-4687 WoS Researcher ID: J-7170-2017 e-mail: geodez@aaanet.ru 4 ORCID iD: 0000-0002-8267-3617 WoS Researcher ID: O-8809-2018 e-mail: geodez@aaanet.ru

Abstract - The paper considers the assessment of seismic resistance of cranes of group "B"

operated at nuclear power plants (NPP). The example of calculation of the suspended five-ton

crane is given. The conclusion about its compliance with seismic resistance of the region is made.

Keywords: technical condition, bridge type cranes, seismic resistance, parameter calculation,

voltage.