Виктор Костарев, президент ЦВС

Обоснование сейсмостойкости трубопроводов первого контура ВВЭР-1000 в соответствии с

требованиями Российских Норм ПНАЭ и Американского кода ASME.

Сравнительный анализ.

Семинар ГП НАЭК «Энергоатом» по оценке сейсмичности площадок АЭС и проведению их сейсмической переоценки

Украина, Киев, 17-18 ноября 2011 года

Виктор Костарев, президент ЦВС

www.cvs.spb.su, email: [email protected]

http://www.cvs.spb.su/

Companion Guide to the ASME Boiler & Pressure Vessel Code, Third Edition-Volumes 1, 2 & 3

под редакцией K.R. Rao

• Нормативные документы;• Классификация элементов и оборудования;• Анализ прочности элементов трубопровода;• Определение сейсмического воздействия;• Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР-

1000

Содержание

Нормативные документыРоссия:

• ПНАЭ Г-7-002-86 “Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок”

• НП-031-01, Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций

• НП-064-05, Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии

• НП 068-05, Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования

Нормативные документыРоссия:

• РБ-006-98, Определение исходных сейсмических колебаний грунта для проектных основ;

• РБ-019-01, Оценка сейсмической опасности участков размещения ядерно- и радиационно опасных объектов на основании геодинамических данных

• СПиР-О-2008 "Свод правил и руководств по опорным конструкциям элементов АЭС с ВВЭР"

Нормативные документыСША:

• ASME BPVC Subsections NB(C,D) -3600 “Design and analysis for Class 1 (2, 3) pipes”;

• ASME BPVC Subsection NF-3600 “Design Rules for Piping Supports”;

• ASME BPVC, Appendix N “Dynamic Analysis Methods”;

• ASME BPVC, Appendix F “Rules for Evaluation of Service Loading with Level D Service Limits”

+ 21 RG (Regulation Guide)

+ 11 SRP (Standard Review Plan)

Номинальные напряженияНормы Обозначение Номинальные допускаемые напряжения

ПНАЭКласс 1, 2, 3

[]

ASMEClass 1

Sm min(St/3; 1.1St*Rt/3; (2/3)Sy; (2/3)Sy*Ry;

или 0.9Sy*Ry для аустенитных сталей)

ASMEClass 2

Sh min(St/3.5; 1.1St*Rt/3.5; (2/3)Sy; (2/3)Sy*Ry (или 0.9Sy*Ry для аустенитных сталей))

min( / 2.6; /1.5)T Tm pR R

Примечания:1. номинальные допускаемые напряжения определяются по

Приложениям в ASME Sec II, Part D;2. для аустенитных сталей (у них нет "площадки текучести") можно

брать 0.9Sy только, если при работе допускаются небольшие пластические деформации (для фланцев, например, нельзя);

3. Rt и Ry это "тренд" от температуры. Т.е. Sy*Ry это наше Rp(t) а St*Rt -> Rm(t)

Номинальные напряжения

Номинальные допускаемые напряжения определяются по Приложениям в ASME Sec II, Part D

Номинальные напряжения

Допускаемые напряжения

Варианты расчетов, сочетание нагрузок и категории напряжений

Расчет

№

Расчетные условияASME BPVC

Категории напряженийASME BPVC

Расчетный режимПНАЭ

1 Design Conditions Pm, Pl, Pb НУЭ

2 Level A Service Limit Pm, Pl, Pb, Q, F НУЭ

3 Level B Service Limit Pm, Pl, Pb, Q, F (OBE) НУЭ+ПЗ

4 Level C Service Limit Pm, Pl, Pb ННУЭ

5 Level D Service Limit Pm, Pl, Pb (SSE) НУЭ+МРЗПримечание: P, Q, F это категории напряжений (соответствуют

S2, Srk, Safk по ПНАЭ)

Критерии прочности по ASME Class 2

Расчет №

Категория напряжений

Расчетные формулы

Условие прочности

ASMEBPVC

1 SSL 1.5ShNC-3652

2 Se Sa =f(1.25Sh+0.25Sc) NC-3653.2

3 SOL min(1.8Sh; 1.5SY) NC-3653.1

4 SOL min(3Sh; 2SY) NC-3655

B1t2

PDo + B2Z

MA

iZ

MC

B1t2

PDo + B2ZMM BA

B1t2

PDo + B2ZMM BA

Анализ прочности по ASME Class 1Определение набора нагрузок и состояний трубопровода из

Проектной Спецификации

Вычисление минимальной толщины стенки (NB-3640)

Определение конфигурации трубопровода

Определение опорно-подвесной системы

трубопровода

Выполнение расчетов по определению внутренних

усилий от весовой нагрузки и усилий самокомпенсации (температурная нагрузка)

Выполнение расчетов по определению внутренних усилий от динамических

нагрузок (земдетрясение и т.д.)

Определение градиента температур по толщине стенки

и между разнородными сечениями/материалами

Классификация нагрузок для НУЭ, ННУЭ и аварийных

ситуаций

Вычисление общих мембранных и

изгибных напряжений, уравнение (9), NB_3652

(9) < 1.5*SmВычисление первичных +

вторичных напряжений Sn, Уравнение (10), NB-3653.1

да

Sn < 3*Sm

Вычисление пиковых напряжений Sp, Уравнение (11), NB-3653.2

да

Вычисление напряжений Salt=Sp/2, NB-3653.3

Вычисление напряжений от самокомпенсации Se, Уравнение

(12), NB-3653.6

нет

Se<3*Sm

да

Вычисление первичных + вторичных, мембранных +

изгибных напряжений, Уравнение (13), NB-3653.6

Se<3*Sm

да

Вычисление напряжений Salt, Уравнение (14), NB-3653.6

Определение допускаемого числа циклов Ni для каждого из

значений Salt, NB-3653.4 по кривым из Приложения I.

Определение величины накопленной повреждаемости для

каждого значения Salt и соответствующего числа циклов

ni

Определение суммарной величины накопленной

повреждаемости U для всех рассматриваемых режимов

U<1

Попробовать применить более точные методы анализа (NB-3200) или перепроектировать

трубопровод

Попробовать уточнить

определение режимов и циклов

нет

нет

нет

Попробовать применить более точные методы анализа (NB-3200) или перепроектировать

трубопровод

(9) < min(2.25*Sm;1.8*Sy)

Давление < 1.5*Pдоп.(Pдоп. определяется по

уравнению (3), NB-3641.1)

да

(9) < min(1.8*Sm;1.5*Sy)

Давление < 1.1*Pдоп.(Pдоп. определяется по


(9) < min(3*Sm;2*Sy)

Давление < 2*Pдоп.(Pдоп. определяется по


да

да

нет

нет

нет

нет

нет

нетТрубопровод удовлетворяет

условиям прочности.

да да

Level BLevel C

Leve

l D

Критерии прочности по ПНАЭ

Расчет №Категория

напряженийРасчетные формулы

Условие прочности

ПНАЭ

1 ()2 1.3 [] п.5.4.7

2 ()RK п.5.4.2

3 (aF)K a ≤ 1 п.5.6

4 (s)2 1.6 []/1.9 []п.5.11.2.11

5 (s)2 1.8[]

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ

Коэффициенты интенсификации напряжений для деталей трубопровода (ASME) – тесты Маркла (~ 50-е г.г.)

Определение коэффициента местных напряжений для тройникового соединения (ПНАЭ)

Анализ прочности элементов трубопровода

Сравнение величин максимального момента в сечении прямой трубы при равенстве допускаемых напряжений


Сравнение величин максимального момента в сечении отвода при равенстве допускаемых напряжений


Сравнение величин максимального момента в сечении прямой трубы при величине допускаемых напряжений,

определяемой Нормами


Сравнение величин максимального момента в сечении отвода при величине допускаемых напряжений,

определяемой Нормами

Классификация динамических нагрузок на реверсивные и нереверсивные.

Условия применения реверсивной динамической нагрузки для Level D Service Limits):

1. Трубопровод изготовлен из апробированного материала и обладает достаточной пластичностью (т.е. не подвержен хрупкому разрушению);

2. Отношение внешнего диаметра трубы к толщине стенке не превышает величины 40: DO/tn ≤ 40;

3. Уровень напряжений от весовой нагрузки ограничен величиной:

4. Напряжения от весовой и инерционной (реверсивной) нагрузки удовлетворяют уравнению:

(Коэффициент B2' ~ в 1.5 раза ниже B2)

Условия применения реверсивной динамической нагрузки для Level D Service Limits):

5. Размах результирующего момента и амплитуда осевой силы в сечении трубопровода от действия сейсмического смещения опор (seismic anchor motion) и других реверсивных динамических нагрузок ограничены величинами:

6. В трубопроводе отсутствуют локализаторы ползучести;

7. Перемещения трубопровода находятся в допускаемых пределах.

Определение сейсмической нагрузки

ASME, Appendix N “Dynamic Analysis Methods”:

N-1210 - “Earthquake description“;

N-1220 - “Methods of dynamic analysis“

N-1230 - "Damping” (0.05 независимо от уровня воздействия)

ТрубаLevel B Level D Case N-411-1

OBE(ПЗ)

SSE(МРЗ) 0 - 10 Гц 10 - 20 Гц > 20 Гц

D > 305мм 0.02 0.03 0.05 0.05 - 0.02 0.02

D < 305 мм 0.01 0.02 0.05 0.05 - 0.02 0.02Величины демпфирования, принятые в американской практике, для расчета

трубопроводов на динамические воздействия

ПНАЭ: демпфирование в трубопроводах принимается равным 0.02

Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000


Исходное сейсмическое воздействие (демпфирование 2 %)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.1 1 10 100

Частота, Гц

Уско

рени

е, g

X

Y

Z2


Исходное сейсмическое воздействие (демпфирование по N-411-1)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0.1 1 10 100

Частота, Гц

Уско

рени

е, g

X

Y

Z

Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 (ПНАЭ)

>>>Максимальные напряжения, Уравнение (9) - Level D---------------------------------------------------- элем. узел1 узел2 расчет допуск. FS ---------------------------------------------------- PIPE 0014 14 252 491 0.51 BEND 1H12 1H13 212 491 0.43 REDU 3 A065 156 510 0.31 TEE 1C19 114 491 0.23 ----------------------------------------------------

>>> Максимальные напряжения категории S2 (МРЗ) - не проходит---------------------------------------------------- элем. узел1 узел2 расчет допуск. FS---------------------------------------------------- PIPE 0014 14 372 340 1.09 ! BEND 1H12 1H13 266 340 0.78 REDU 3 A065 129 353 0.37 TEE 1C19 142 340 0.42 ----------------------------------------------------

Сравнительный анализ сейсмостойкости ГЦТ ВВЭР 1000 (ПНАЭ)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Straight Pipe Bend Reducer Tee

PNAE ASME ASME (Reversing)

Отношение расчетных напряжений к допускаемым

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГЦК ВВЭР-1000, РАСКРЕПЛЕННОГО ГА И ВД

Анализ по dPIPE на уровень сейсмического воздействия на поверхности грунта 0.3g ZPGA

Четыре ВД снижают нагрузки и напряжения от сейсмики примерно в 4 раза, что достигается установкой 8 ГА

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАЗВЕТЛЕННОГО ТРУБОПРОВОДА АЭС, СВЯЗАННОГО С

БЕЗОПАСНОСТЬЮ, С ГА И ВД

РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТРУБОПРОВОДА

АЭС С ГА И ВД

Анализ по dPIPE на воздействие 0.4 g ZPASnubbers Approach

Capacity, kN Lisega Type Snubbers Number of Devices350 308216 1100 306216 246 305213 5

Total Number of Devices:

8HVD Approach

Capacity, kN GERB VD Type HVDs Number of Devices80 VD-426/325-7 246 VD-325/219-7 1

Total Number of Devices: 3

РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТРУБОПРОВОДА АЭС С ГА И ВД

Суммарные нагрузки на опоры трубопровода при установке 8-ми (восьми) ГА (голубые колонки) и 3 (трех) ВД630 либо ВД426

(белые и вишневые колонки)

РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТРУБОПРОВОДА

АЭС С ГА И ВД (Выводы)

• Для обеспечения примерно одинакового сейсмического запаса трубопровода необходимо установить либо 8 снабберов – ГА, либо только 3 демпфера типа ВД.

• Базовые (первичные) затраты на сейсмическое раскрепление системы демпферами ВД примерно в 2.5 раза меньше, чем при применении снабберов-ГА.

• В соответствии с имеющимся опытом эксплуатации снабберов –ГА и демпферов на АЭС затраты на обслуживание демпферов в течение срока службы АЭС в несколько раз ниже , чем ГА.

ВЫВОДЫ

Демпферы ВД обеспечивают эффективную защиту трубопроводов, распределительных систем и оборудования АЭС от всех возможных динамических, ударных и вибрационных воздействий, связанных с нормальными, переходными и аварийными режимами эксплуатации АЭС (механические воздействия, возбуждение потоком среды, паровые и гидроудары, двухфазный поток и т.д.) а также от особых динамических воздействий (сейсмика, взрывная волна, падение самолета и прочие особые воздействия)

Выводы1. Выполнено сравнение норм расчета на сейсмостойкость трубопроводов

по ПНАЭ и ASME.

2. Дано сравнение величин номинальных допускаемых напряжений для материалов трубопроводов и показано, что значения номинальных допускаемых напряжений определенных по ПНАЭ практически совпадают с ASME.

3. Значения допускаемых напряжений при расчете на сочетание нагрузок НУЭ+МРЗ по ПНАЭ приблизительно в 1.7 раза ниже, чем по нормам ASME для трубопроводов 1 класса.

4. При расчете на сочетание нагрузок НУЭ+МРЗ уровень напряжений в прямых трубах и отводах по ПНАЭ ниже на 4-6%, чем по нормам ASME

5. При низком уровне напряжений от механических нагрузок (вес и сейсмика) приведенные напряжения в трубопроводе могут полностью определяться нормальными окружными напряжениями от давления, т.е с увеличение интенсивности сейсмического воздействия приведенные напряжения не изменяются. В нормах ASME этот эффект отсутствует, хотя в обеих методиках используется теория наибольших касательных напряжений.

Выводы6. Проведено сравнение методик расчета на сейсмостойкость, основные

результаты которой представлены в таблице:

На основании сравнения основных положений ПНАЭ и норм ASME (класс 1) можно утверждать, что при расчете на сейсмостойкость трубопроводов в ПНАЭ предъявляются более жесткие требования к элементам трубопроводов по сравнению с нормами ASME. ПНАЭ дают приблизительно двойной запас по сравнению с нормами ASME при расчетах на сейсмостойкость трубопроводов на сочетание нагрузок НУЭ+МРЗ.

Виктор Костарев, президент ЦВС

Documents