Главная > Разное > Концепция безопасности «течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления АЭС
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава 1. Теоретические основы концепции ТПР

1.1. Основные понятия и принципы

Если в конструкции имеется трещина или объемный дефект технологической природы (непровар, несплавление и т.п.) эти дефекты всегда будут схематически представляться как трещины. Обусловлено это тем, что трещина является самым опасным дефектом сплошности материала и такой подход автоматически обеспечивает консервативность анализа. Кроме того, объемные и плоские дефекты сплошности могут иметь на своих краях острые микронадрывы, микротрещины, что приближает их поведение к поведению трещин.

Трещину будем представлять эллипсом с малой полуосью, равной 2а, и большой полуосью, равной 2с.

По месту расположения и ориентации трещина может быть поверхностной и подповерхностной (рис. 5, а—в), сквозной (рис. 5,г), несквозной (рис. 5,а—в), ориентированной вдоль оси трубопровода (рис. 5,а—г) или поперек нее (рис. 5,д). Длина поперечной трещины в некоторых случаях может быть охарактеризована утлом (рис. 5,д).

Трещина может быть развивающаяся и неразвивающаяся. Развивающаяся в эксплуатации трещина может медленно увеличивать свои размеры, если в вершине трещины происходят процессы разрушения, например, по механизмам усталости, коррозионного растрескивания.

Медленный рост трещины в условиях реальной эксплуатации может окончиться достижением трещиной критических размеров, после чего трещина переходит в стадию быстрого неустойчивого развития, которая может вызвать окончательное разрушение конструкции. На рис. 6 схематически показаны стадии медленного устойчивого и быстрого неутойчивого развития трещины.

Все возможные критические размеры трещины заданной ориентации и типа можно изобразить соответствующей диаграммой (рис. 7).

Для трубопровода, для которого диаграмма критических размеров трещин характеризуется кривой 3, сквозных устойчивых трещин быть не может, следовательно, не может быть и течи перед окончательным разрушением.

Рис. 5. Различные типы трещин: продольная подповерхностная; б, в — продольные поверхностные; продольная сквозная; д — поперечная поверхностная несквозная

Такие трубопроводы разрушаются в эксплуатации как бы внезапно, так как обнаружить проявления начальной стадии разрушения визуальным образом практически невозможно.

Для трубопровода, для которого диаграмма критических размеров трещин характеризуется кривой 2, возможно существование устойчивых сквозных трещин (кривая l). Следовательно, обеспечение безопасности эксплуатации таких трубопроводов на основе концепции ТПР возможно.

Если сосуд давления или трубопроводная система обладает малым запасом внутренней упругой энергии, невозможность полного разрушения такой конструкции с появлением устойчивой сквозной трещины обеспечивается быстрым падением внутреннего давления Р. Это происходит вследствие истечения содержимого сосуда или трубопровода (рис. 8).

Рис. 6. Две стадии разрушения конструкции в зависимости от скорости развития трещины

Рис. 7. Диаграмма критических размеров поперечных трещин для трубопроводов двух типов: 1 — сквозные устойчивые трещины (для трубопровода может быть реализована концепция ТПР); 2 — несквозные трещины критических размеров (для трубопровода может быть реализована концепция ТПР); 3 — несквозные трещины критических размеров (для трубопровода концепция ТПР реализована быть не может)

Реализация такой схемы возможна для сосудов и трубопроводов с небольшим внутренним объемом, заполняемым жидкостью.

Для первого контура энергетической реакторной установки такая схема реализации концепции ТПР невозможна как вследствие больших объемов установки, наличия паровой фазы в системе компенсации давления (для реакторов типа ВВЭР, PWR), так и вследствие высокой температуры теплоносителя (воды), значительно превышающей температуру его кипения при нормальном давлении.

Рис. 8. Изменение внутреннего давления в сосуде до и после появления сквозной трещины при малом запасе внутренней энергии

В этом случае необходима специальная система обратной связи, которая позволяла бы фиксировать возникновение течи через сквозную трещину и обеспечивала прекращение эксплуатации. На АЭС такая система обратной связи может быть реализована в виде прибора для контроля течи; нормативного документа, определяющего действия персонала при появлении течи; персонала; действий персонала, направленных на останов реактора (рис. 9).

С учетом изложенного выше можно дать следующее определение концепции ТПР.

Концепция ТПР — это совокупность принципов конструирования сосудов и трубопроводов давления, включающая принцип достаточной трещиностойкости материала конструкции, обеспечивающей возможность существования устойчивых сквозных трещин при заданных условиях эксплуатации, и принцип обратной связи, обеспечивающей прекращение эксплуатации конструкции при появлении в ней течи через сквозную устойчивую трещину, практическая реализация которых позволяет исключить полное разрушение сосуда или трубопровода давления и прекратить их эксплуатацию при образовании течи.

Рис. 9. Схема обеспечения безопасности эксплуатации при возникновении течи через устойчивую сквозную трещину: 1 — прибор для регистрации течи; 2 — нормативный документ (инструкция) для персонала при возникновении течи; 3 — персонал; 4 — система управления реактором для его останова

Приведенное определение концепции ТПР дано, по-видимому, впервые. Однако оно в концентрированном виде отражает то понимание концепции, которое изложено в работах ее создателя [1] и в нормативных документах [2, 3]. Как показывает анализ трудов конференции, состоявшейся в 1995 г. в Лионе (Франция) и полностью посвященной теоретическим и практическим вопросам применения концепции ТПР, такое понимание концепции ТПР в настоящее время существует в большинстве стран; с полным основанием его можно назвать классическим.

Системный подход к проблеме практического применения концепции ТПР, реализованный в работах [9, 10 и др.], показал, что классическое понимание концепции ТПР обладает недостатками.

В рамках указанного подхода были проанализированы различные варианты образования сквозных трещин: вариант 1 — развитие трещины от максимально возможного в соответствии с НТД дефекта технологической природы; вариант 2 — развитие трещины от дефекта технологической природы, пропущенного в эксплуатацию из-за несовершенства средств дефектоскопии и существенно превышающего нормы дефектов для изготовления и эксплуатации; вариант 3 — развитие трещины, зародившейся в эксплуатации в результате недостатков конструирования или эксплуатации; вариант 4 — развитие трещины в условиях особого поля напряжений.

Если поле напряжений в трубопроводе близко к однородному, развитие трещин от технологического дефекта произойдет так, как показано на рис. 10,а, т. е. произойдет образование течи через устойчивую трещину.

В варианте 2 трещина может развиваться от технологического дефекта протяженной формы. В этом случае достижение трещиной критических размеров и полное разрушение конструкции произойдут без образования течи (см. рис. 10,б).

Вариант 3 предполагает, что в эксплуатации по разным причинам могут возникнуть достаточно протяженные поверхностные трещины (вплоть до кольцевых), развитие которых также приведет к полному разрушению конструкции без течи (см рис. 10,в).

Во многих случаях в стенках трубопроводов и сосудов давления реализуется относительно однородные поле напряжений. Однако при термопульсациях, термоударах и в в некоторых других случаях могут возникать существенные градиенты напряжений в направлении толщины стенки. При этом трещина может иметь направление преимущественного роста не в сторону толщины стенки, а в окружном направлении. При этом (вариант 4) возможно также достижение критических размеров и окончательное разрушение конструкции без течи (см. рис. 10,г).

Таким образом, из четырех рассмотренных вариантов развития трещины только в одном обеспечивается достижение трещиной сквозных размеров с образованием течи и возможностью реализации концепции ТПР в ее классическом понимании,

Практика эксплуатации АЭС подтверждает возможность разрывов трубопроводов без течи (см. рис. 2). Еще чаще подобные ситуации возникают на тепловых электростанциях [14].

Рис. 10. Различные варианты развития трещины: а — развитие трещины от технологического дефекта нормативного размера; б — развитие дефекта от фактического технологического дефекта; в — развитие трещины от кольцевого дефекта; г — развитие трещины в особом поле напряжения

Проведенный анализ показывает, что цель, которая ставится в рамках концепции ТПР, и которая заключается в исключении из практики эксплуатации внезапных полных разрушений трубопроводов и сосудов давления,при классическом подходе к концепции ТПР полностью не достигается.

С позиций системного подхода можно дать иное определение.

Концепция ТПР — это совокупность принципов конструирования сосудов и трубопроводов давления, включающая принцип достаточной трещиностойкости материала конструкции, обеспечивающий существование в данной конструкции устойчивых сквозных трещин; принцип обратной связи, обеспечивающий прекращение эксплуатации конструкции с появлением течи через сквозную трещину, а также принцип достижения приемлемо малой вероятности разрушения конструкции без течи. Практическая реализация перечисленных выше принципов должна обеспечить условия безопасной эксплуатации сосудов и трубопроводов давления, при которых либо их внезапное полное разрушение исключается полностью, либо вероятность такого события пренебрежимо мала.

Как видно из нового определения концепции ТПР, оно включает классическое определение и содержит дополнительный третий принцип, реализация которого совместно с первыми двумя позволяет достичь приемлемого уровня надежности и безопасности эксплуатации сосудов и трубопроводов давления.

Примером системного решения вопроса обеспечения безопасности эксплуатации на основе концепции ТПР являются материалы настоящей монографии (гл. 2 и разд. 3.1).

Рассмотрим место концепции ТПР в сложившейся системе безопасности эксплуатации АЭС.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление