Расчет на хрупкую прочность и концепция «течь перед разрушением» оборудования АЭУ

Обеспечение структурной целостности и долговечности оборудования атомных энергетических установок (АЭУ) является одной из наиболее ответственных задач современной ядерной инженерии и материаловедения. В процессе длительной эксплуатации конструкционные материалы ключевых узлов — в первую очередь корпусов реакторов и трубопроводов первого контура — подвергаются комбинированному воздействию высоких температур, агрессивных коррозионных сред, циклических механических нагрузок и интенсивного нейтронного облучения. Комплекс данных факторов вызывает радиационное окропчение и термическое старение металла, повышая риск возникновения и распространения дефектов. Для предотвращения внезапных катастрофических повреждений в практике проектирования и обоснования безопасности АЭУ применяются фундаментальные методы линейно-упругой механики разрушения (ЛУМР), а также продвинутая концепция «течь перед разрушением» (ТПР).

1. Теоретические основы расчета элементов АЭУ на хрупкую прочность. При расчетах на хрупкую прочность элементов конструкций атомных реакторов базовым инструментом служит линейная упругая механика разрушения (ЛУМР). Уровень напряженно-деформированного состояния в окрестности вершины постулируемой трещины характеризуется коэффициентом интенсивности напряжений (КИН) KI, определяющим силовое поле напряжений, нормальных к плоскости расположения дефекта (нормальный отрыв, мода I).

Главной расчетной характеристикой сопротивляемости материала хрупкому разрушению выступает температурная зависимость статической вязкости разрушения KIC от приведенной температуры (T − Tк). В данном соотношении параметр T указывает локальную температуру в исследуемой точке фронта трещины, а Tк — критическую температуру хрупкости (КТХ) материала в той же точке.

В ходе эксплуатации оборудования критическая температура хрупкости смещается в сторону более высоких температур из-за радиационного повреждения и термического старения. Изменение свойств материалов учитывается величиной сдвига КТХ (ΔTк) под влиянием эксплуатационных факторов.

Рис. 1.5.5. Обобщенная зависимость допускаемых коэффициентов интенсивности напряжений KIC = 26 + 36 e0,02(T − Tк)

График на рис. 1.5.5 демонстрирует экспоненциальный рост трещиностойкости KIC с увеличением приведенной температуры (T − Tк). В области отрицательных температурных разностей материал находится в хрупком состоянии, тогда как повышение температуры переводит его в область вязкого разрушения, что существенно повышает энергоемкость процесса трещинообразования.

2. Категории условий нагружения и критерии прочности. При проведении расчетно-аналитических исследований оборудования АЭУ все потенциальные условия нагружения элементов конструкции классифицируются по четырем группам:

1. Нормальные условия эксплуатации (НУЭ): штатные регламентные режимы работы установки, не связанные с выходом из строя систем безопасности или оборудования, требующим остановки реактора.

2. Гидравлические испытания (ГИ): контрольные испытания оборудования на прочность и плотность при повышенном давлении.

3. Нарушения нормальных условий эксплуатации (ННУЭ): отклонения от нормальной работы, обусловленные сбоями оборудования или систем безопасности и требующие остановки ядерного реактора.

4. Аварийная ситуация (АС): проектные и запроектные аварийные события с экстремальными термомеханическими воздействиями.

Согласно нормативным требованиям, расчет на сопротивление хрупкому разрушению является обязательным для элементов, изготовленных из сталей перлитного класса, подвергающихся нейтронному облучению до флюенса, не превышающего 5·1024 м−2 (при энергии нейтронов E ≥ 0,5 МэВ).

Сопротивление хрупкому разрушению считается обеспеченным, если на всех этапах службы выполнено ключевое условие:

KI ≤ [KI]j

где:
- KI — максимальный коэффициент интенсивности напряжений для режимов НУЭ, ГИ и ННУЭ;
- [KI]j — допускаемый коэффициент интенсивности напряжений, где индекс j определяет категорию режима (j = 1 для НУЭ; j = 2 для ГИ и ННУЭ; j = 3 для АС).

При определении значений [KI]j флюенс нейтронов и критическая температура хрупкости Tк принимаются равными их значениям в точке фронта трещины, где проводится расчет. В расчетную толщину стенки S не включается толщина антикоррозионного аустенитного наплавленного покрытия при вычислении напряжений и геометрии дефекта.

3. Критерии освобождения конструкций от расчета на хрупкую прочность. Допускается не проводить расчет на сопротивление хрупкому разрушению для элементов конструкций, не подвергающихся нейтронному облучению или эксплуатирующихся при температурах 250…350 °C до флюенса не более 1022 м−2 (E ≥ 0,5 МэВ), в следующих случаях:

- Элемент изготовлен из коррозионно-стойких аустенитных сталей или цветных сплавов;
- Материал элемента (включая сварные соединения) имеет предел текучести при температуре 20 °C менее 300 МПа, а толщина стенки составляет не более 25 мм;
- Материал элемента (включая сварные соединения) имеет предел текучести при температуре 20 °C менее 600 МПа, а толщина стенки составляет не более 16 мм;
- Толщина стенки S (мм) удовлетворяет условию:

S ≤ 8·103 · ([KI]1 / RTp0,2)2

где [KI]1 задан в МПа·м1/2, а предел текучести RTp0,2 — в МПа (обе характеристики принимают при наименьшей температуре эксплуатации, причем [KI]1 определяют с учетом критической температуры хрупкости, соответствующей концу ресурса).

4. Определение допускаемых КИН и учет радиационного старения. Для расчета действительных значений коэффициента интенсивности напряжений KI применяются аналитические и численные методы, рекомендованные нормативными документами или одобренные органами государственного надзора за ядерной и радиационной безопасностью.

Зависимость допускаемого значения [KI]j от приведенной температуры (T − Tк) формируют как огибающую двух кривых, построенных по исходным экспериментальным зависимостям статической вязкости разрушения KIC (или динамической Kc). Исходные зависимости вычисляются по результатам обработки массива опытных данных с обеспечением вероятности неразрушения 95 %.

Построение огибающей производится по правилам:
1. Первая кривая получается путем деления ординат исходной экспериментальной кривой на коэффициент запаса прочности nк;
2. Вторая кривая получается путем смещения исходной кривой по оси абсцисс на величину температурного запаса ΔT.

Принимают следующие значения коэффициентов:
- Для режимов НУЭ (j = 1): nк = 2, ΔT = 30 °C;
- Для режимов ГИ и ННУЭ (j = 2): nк = 1,5, ΔT = 30 °C;
- Для режимов АС (j = 3): nк = 1,2, ΔT = 0 °C.

В нормах приведены расчетные кривые для корпусных реакторных сталей марок 12Х2МФА, 15Х2МФА, 15Х2МФАА, 15Х3НМФА, 15Х3НМФАА и их сварных соединений, а также обобщенная кривая для прочих материалов.

Текущее значение критической температуры хрупкости Tк вычисляется по суммарному правилу:

Tк = TкO + ΔTT + ΔTN + ΔTF

где:
- TкO — критическая температура хрупкости в исходном состоянии;
- ΔTT — сдвиг КТХ за счет термического старения;
- ΔTN — сдвиг КТХ вследствие циклической повреждаемости;
- ΔTF — сдвиг КТХ под действием нейтронного облучения (флюенса).

Глубину постулируемой поверхностной трещины a принимают равной 0,25 s (s — толщина стенки), а отношение a/c (глубины к полудлине) принимают равным 2/3 или 1/3. Уменьшение расчетного значения a допускается при достоверности ее выявляемости не менее 0,95 на этапе контроля при изготовлении.

5. Концепция «течь перед разрушением» (ТПР) в обеспечении безопасности трубопроводов. Опыт эксплуатации и расчетно-экспериментальные исследования показывают, что для трубопроводов из высокопластичных материалов с высоким сопротивлением нестабильному росту трещин вероятность мгновенного (гильотинного) разрыва чрезвычайно мала.

Катастрофическому разрушению всегда предшествует стадия устойчивого докритического роста дефекта. Это позволяет либо своевременно выявить трещину при периодическом неразрушающем контроле, либо обнаружить утечку теплоносителя с помощью систем контроля течей (СКТ) задолго до достижения трещиной критических размеров. Данный подход составляет основу концепции «течь перед разрушением» (ТПР).

Методология ТПР основывается на анализе проектных режимов нагружения АЭУ с учетом потенциальных отклонений, характеристик неразрушающего контроля, параметров СКТ и опыта эксплуатации аналогичного оборудования. Постулируемый дефект располагается в зоне наиболее неблагоприятного сочетания напряжений и свойств материала.

Расчетом доказывается стабильность сквозной трещины при максимальных аварийных воздействиях, включая сочетание режимов НУЭ и максимального расчетного землетрясения (НУЭ+МРЗ). Анализ выполняется методами нелинейной механики разрушения.

Оценка расхода теплоносителя через сквозную трещину проводится средствами термогидравлического анализа с учетом площади раскрытия трещины и потенциального усталостного подроста дефекта.

По результатам анализа вычисляются коэффициенты запаса:
- По чувствительности системы контроля течи;
- По величине выявляемого дефекта;
- По предельной расчетной нагрузке.

Эти параметры сравниваются с нормируемыми критериями применимости концепции ТПР. Для наиболее ответственных трубопроводов расчетное обоснование дополняется полномасштабными экспериментальными испытаниями моделей и элементов оборудования на циклическую прочность и статическое разрушение.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е. О. Адамов, Ю. Г. Драгунов, В. В. Орлов, Л. П. Абагян, В. Я. Абрамов и др.

Источник: Машиностроение ядерной техники

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области ядерной физики и атомной энергетики, инженерам-конструкторам и технологам промышленных предприятий, а также всем, кто интересуется устройством ядерных реакторов и современными ядерными технологиями.