Сопоставление российских и зарубежных требований к обоснованию прочности оборудования АЭУ

Обеспечение надежности и структурной целостности ключевых элементов атомных энергетических установок (АЭУ) является фундаментом ядерной и радиационной безопасности. Нормативно-техническая документация (НТД), регламентирующая расчеты на прочность оборудования и трубопроводов, формировалась параллельно с развитием реакторных технологий. В мировой практике стандартизации установились два крупных инженерных направления: отечественные стандарты («Нормы» РФ) и американские правила (Код ASME Boiler and Pressure Vessel Code). Разработка отечественных требований к обоснованию прочности элементов АЭУ началась в 1971 году, когда уже была опубликована часть III Кода ASME для элементов АЭС. Американский опыт был детально изучен и учтен, поэтому методы отечественных НТД по расчетам на статическую, циклическую и хрупкую прочность во многом совпадают с методологией Кода ASME.

Тем не менее, в действующих нормативных документах сохраняется ряд существенных различий. Данные расхождения отражают национальные особенности проектирования, изготовления, контроля качества и монтажа оборудования и трубопроводов АЭУ, а также исторические различия в развитии реакторной техники. Зарубежные нормативные документы большинства стран разрабатывались в тесной привязке к Коду ASME. По этой причине специфику российских подходов целесообразно проследить на примере их детального сопоставления со стандартами ASME.

1. Допускаемые напряжения и коэффициенты запаса прочности. Оценка несущей способности конструкций строится на соблюдении регламентированных коэффициентов запаса по отношению к предельным механическим состояниям материалов.

- Запас по пределу текучести: Коэффициент запаса по пределу текучести для аустенитных коррозионно-стойких сталей по «Нормам» РФ в 1,35 раза выше, чем по Коду ASME.
- Запас по пределу прочности: Коэффициент запаса по пределу прочности по Коду ASME в 1,05…1,15 раза выше, чем по «Нормам» РФ.
- Резьбовые соединения: Коэффициент запаса при выборе сечений болтов и шпилек по Коду ASME в 1,5 раза выше, чем по «Нормам» РФ.

Различия наблюдаются и при геометрическом проектировании. Максимальный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, в Коде ASME значительно меньше, чем в «Нормах» РФ. Размеры укрепляющих отверстие элементов в «Нормах» РФ определяются из условий компенсации изъятого из элемента металла. В отличие от Кода ASME, они не могут быть уменьшены на основании выполнения критериев прочности при поверочном расчете.

2. Порядок определения напряженно-деформированного состояния. Расчет напряжений в нормативных документах обеих стран проводится на основе классической теории упругости, однако при определенных условиях допускается и упругопластический расчет. В Коде ASME дополнительно допускается прямой расчет разрушающих нагрузок по предельным состояниям.

Коррекция результатов упругого расчета напряжений в зонах концентрации в «Нормах» РФ проводится на основе гипотезы об эквивалентности плотности энергии деформации в концентраторе при упругой и упругопластической оценках. В Коде ASME используется интерполяционное соотношение. На границе упругого и упругопластического состояния в концентраторе оценки местного напряжения по Коду ASME могут оказаться заниженными.

В «Нормах» РФ, в отличие от Кода ASME, четко сформулирован принцип формирования расчетных циклов, обеспечивающий нормативный уровень консервативности в расчетах на усталость.

Статическая прочность и категории напряжений. Состав групп напряжений, ограничиваемых при оценке статической прочности, практически совпадает в «Нормах» РФ и Коде ASME. Однако методологические нюансы заключаются в следующем:

1. В «Нормах» РФ, в отличие от Кода ASME, не предусмотрены ограничения местных мембранных напряжений и напряжений компенсации отдельно от других категорий напряжений.

2. Размах суммы напряжений всех категорий без учета концентрации напряжений ограничивается в Коде ASME меньшим допускаемым значением, чем в «Нормах» РФ для ферритных сталей с отношением предела текучести к пределу прочности более 0,5 при комнатной температуре и 0,55, когда расчетная интенсивность напряжений определяется пределом прочности при расчетной температуре. В других случаях эта группа категорий ограничивается в «Нормах» РФ меньшим допускаемым значением.

3. Ограничение размаха суммы напряжений всех категорий без учета концентрации напряжений в «Нормах» РФ не является обязательным, если вызываемая этим нестабильность размеров и формы элемента не нарушает работоспособности узла.

Учет динамических нагрузок и резьбовых элементов. Напряжения упругого расчета при динамическом нагружении в «Нормах» РФ ограничиваются по категориям общих мембранных и суммы общих мембранных и общих изгибных напряжений от совместного действия механических статических и динамических нагрузок. В Коде ASME динамические нагрузки учитываются при определении местных мембранных и общих изгибных напряжений упругим расчетом и ограничиваются пределом уровней A и B для суммы первичных и вторичных напряжений.

«Нормы» РФ, менее консервативные при расчете поперечного сечения резьбового крепежа, чем Код ASME, становятся более консервативными при ограничении средних напряжений по сечению от механических и температурных нагрузок, а также суммы средних напряжений от растяжения и максимальных напряжений от изгиба и кручения при указанных нагрузках.

В свою очередь, Код ASME содержит менее жесткие требования, чем «Нормы» РФ, для напряжений среза и более жесткие — для напряжений смятия. В отличие от отечественных норм, в Коде ASME ограничена сумма трех главных напряжений без учета концентрации, а также сумма первичных и вторичных напряжений в местах контакта разъемных соединений.

Расчет элементов на устойчивость. Расчет толщины стенок оболочек, нагруженных наружным давлением и осевыми сжимающими силами, в Коде ASME проводится с помощью номограмм из условий прочности и устойчивости. В «Нормах» РФ расчет на устойчивость является самостоятельным и проводится для проверки допустимости толщины стенки оболочки, определенной из условия прочности. В зависимости от типа рассчитываемого элемента и вида нагрузки эти подходы могут различаться большей или меньшей консервативностью оценок прочности.

3. Оценка циклической прочности и сопротивления усталости. В «Нормах» РФ для анализа циклической прочности в основном используются кривые усталости, определенные расчетным путем по уравнениям типа Мэнсона—Коффина—Лангера с использованием гарантированных механических свойств материала, а также экспериментальные кривые.

В Коде ASME расчет ведется с использованием экспериментальных кривых (комнатная температура) для основных классов сталей и сплавов. При этом испытанные материалы имели свойства выше спецификационных. Кривые усталости для температур выше комнатной в Коде ASME получают умножением амплитуд напряжений кривой усталости при комнатной температуре на отношение модулей упругости при высокой и комнатной температурах. Это завышает допускаемые амплитуды напряжений в высокоцикловой области, поскольку снижение предела выносливости с ростом температуры может быть большим, чем снижение модуля упругости.

В «Нормах» РФ, в отличие от Кода ASME, используются кривые усталости не только по критерию усталостного, но и квазистатического разрушения.

Учет асимметрии циклов и условий эксплуатации. Влияние асимметрии цикла по напряжениям в «Нормах» РФ учитывается на основе диаграммы Гудмана. При этом предел прочности как предельное среднее напряжение заменен на истинное сопротивление разрыву, что смягчает влияние среднего напряжения на усталость. Для учета максимального эффекта среднего напряжения в «Нормах» РФ наибольшее напряжение цикла приравнивают к пределу текучести материала при комнатной температуре.

В Коде ASME в расчетных кривых учитывается максимальный эффект среднего напряжения на основе диаграммы Гудмана, предел прочности используется как предельное среднее напряжение, а наибольшее напряжение цикла приравнивается к пределу текучести.

В «Нормах» РФ предусмотрен учет снижения циклической прочности металла сварных соединений по сравнению с основным металлом, а также под влиянием облучения и коррозии в среде теплоносителя.

Коэффициенты запаса и суммирование повреждений. Основные коэффициенты запаса по амплитуде напряжений (за пределами упругости — условных напряжений) в обоих сравниваемых документах равны 2. Коэффициент запаса по средним напряжениям в «Нормах» РФ равен 2. Коэффициенты запаса по числу циклов формально отличаются в 2 раза:

- В «Нормах» РФ — 10;
- В Коде ASME — 20.

По существу они также равны, поскольку в «Нормах» РФ используются кривые по образованию усталостной трещины в отличие от кривых развитого разрушения, используемых в Коде ASME.

Для крепежных деталей резьбовых соединений в «Нормах» РФ коэффициенты запаса снижены по сравнению с общим случаем (1,5 по напряжению и 3 или 5 по числу циклов в зависимости от метода расчета напряжений в резьбе). В Коде ASME используются коэффициенты запаса 2 и 20.

По «Нормам» РФ коэффициенты запаса могут быть снижены при анализе сварных соединений антикоррозионных оболочек при двух условиях: разрушение не приводит к утечке теплоносителя и в расчете используются эффективные коэффициенты концентрации. В отличие от «Норм» РФ, в Коде ASME не учитывается ускоренное накопление усталостных повреждений при наложении высокочастотных циклов нагружения на низкочастотные. Накопление усталостных повреждений в обоих документах определяется по гипотезе их линейного суммирования.

Сравнение расчетных кривых усталости для сталей одинаковых классов подтверждает больший консервативизм «Норм» РФ по сравнению с Кодом ASME. Исключение составляют расчетные кривые «Норм» РФ для крепежных деталей резьбовых соединений из сталей с временным сопротивлением до 690 МПа и в высокоцикловой области — для высокопрочных сталей.

4. Сопротивление хрупкому разрушению и гидроиспытания. Расчет на хрупкую прочность проводится на основе линейной механики разрушения. Однако в «Нормах» РФ используется статическая вязкость разрушения K₁_с, а в Коде ASME — динамическая K₁ᵣ, что является более консервативным подходом.

- Применение коэффициентов: Коэффициент запаса по K₁_с в «Нормах» РФ принят для первичных и вторичных напряжений, а в Коде ASME по K₁ᵣ — только для первичных напряжений.

- Дефекты и сдвиги температур: Постулируемый дефект при равной его глубине учитывается по Коду ASME консервативнее, чем по «Нормам» РФ. Оценка сдвигов T_к и RT_ndt при облучении сталей корпусов (одинаковые примеси P и Cu) дает близкие значения по «Нормам» РФ и Коду ASME.

- Эксплуатация PWR: Расчет на хрупкую прочность по Коду ASME для нормальных условий эксплуатации и гидроиспытаний корпуса PWR более консервативен, чем по «Нормам» РФ.

При изготовлении, монтаже и эксплуатации согласно «Правилам» РФ [8] давление испытания элементов и систем АЭУ может быть как выше, так и ниже, чем по Коду ASME. Это зависит от ограничений напряжений при испытании и свойств материалов. В отличие от Кода ASME, все циклы испытаний учитываются в «Нормах» РФ при расчете на усталость. Допускаемая минимальная температура испытаний корпуса PWR по Коду ASME выше, чем по «Правилам» РФ.

5. Сравнительный анализ критериев и предельных состояний. Методы испытаний по «Нормам» РФ и Коду ASME во многом совпадают, а цели ограничиваются подтверждением допустимости требуемого числа циклов и определением эффективных коэффициентов концентрации. Однако регистрируемые предельные состояния, характеризующие усталостное разрушение при испытаниях, существенно отличаются:

- В «Нормах» РФ — появление трещин длиной 0,5…2 мм или другого заданного размера;
- В Коде ASME — образование течи через сквозную трещину.

Коэффициенты запаса зависят от соответствия условий испытаний нагружениям элемента при эксплуатации, от масштаба модели и числа испытанных объектов. При положительных результатах испытаний коэффициенты запаса по амплитуде напряжений и числу циклов должны быть:

- В «Нормах» РФ для судовых АЭУ — не менее 1;
- В «Нормах» РФ для АЭС — не менее 1,25 и 2,1;
- В Коде ASME — не менее 1,25 и 2,6.

Заключение. В целом имеется большое сходство сравниваемых нормативных подходов. При этом требования «Норм» РФ, как правило, оказываются консервативнее, хотя имеется ряд отличий, которые придают больший консервативизм Коду ASME в сравнении с «Нормами» РФ.

Однако, как свидетельствует опыт эксплуатации, указанные различия в обосновании прочности не приводят к систематическим повреждениям элементов АЭУ, спроектированных в соответствии с российскими нормативными подходами или Кодом ASME. На практике применительно к России это подтверждается опытом работы большого числа реакторов АЭС и судовых АЭУ, а также АЭС, спроектированных и построенных в соответствии с российскими нормативными документами в Украине, в Литве, Чехии, Венгрии, Словакии, Болгарии, Германии и Финляндии. Это указывает на большие возможности совершенствования нормативных документов различных стран, их взаимного обогащения и гармонизации.

Список литературы:
1. Методика определения допускаемых дефектов в металле оборудования и трубопроводов во время эксплуатации АЭС. М-02-91. М.: ВНИИАЭС-НИКИЭТ, 1991.
2. Методика расчета трубопроводов АЭУ в рамках концепции «течь перед разрушением». М-ТПР-01-93. М.: ИЦП МАЭ, 1993.
3. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПН АЭ Г-7-002-86. М.: Энергоатомиздат, 1989.

4. Нормы расчета на прочность элементов оборудования и трубопроводов судовых атомных паропроизводительных установок с водо-водяными реакторами. М.: НИКИЭТ, 1989.
5. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций. ПН АЭ Г-5-006-87. М.: Энергоатомиздат, 1989.
6. Общие положения обеспечения безопасности атомных станций. ОПБ 88/97. ПН АЭ Г-01-011-97. М.: Энергоатомиздат, 1997.

7. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПН АЭ Г-7-008-89. М.: Энергоатомиздат, 1990.
8. Руководство по анализу термического удара для АЭС с реакторами типа ВВЭР. IAEA-EBP-WWER-08, Вена, МАГАТЭ, 1997.
9. Руководство по применению концепции безопасности «течь перед разрушением» к трубопроводам АЭУ. Р-ТПР-01-99. М.: ИЦП МАЭ, 1990.
10. Руководящий технический материал. Надежность оборудования реакторных установок АЭС. Методика расчета. РТМ 95 823-81. М.: ИЦП МАЭ, 1981.
11. ASME Boiler & Pressure Vessel Code. ASME, 1995.

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.