Определение предельно допустимых динамических нагрузок ЦДР перспективных ТВСА в условиях транспортирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

6-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

26-29 мая 2009 г.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ЦДР ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТВСА В УСЛОВИЯХ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ

А.А. Малахов, Ю.В. Лузан, Н.В.

Одинцов, А.В. Мешков, И.К. Колосов

ОАО «Машиностроительный завод», Электросталь

Аннотация

циркониевый дистанционный решетка предельный

Поставлена и решена задача определения предельного состояния циркониевых дистанционирующих решеток (ЦДР) ТВСА новой конструкции в условиях транспортирования. Для решения этой задачи проведен анализ динамических нагрузок, возникающих при транспортировании ТВСА. Разработана и экспериментально верифицирована расчетная модель укороченного твэла, на основании которой разработана конструкция макета ТВСА. Проведены испытания макетов и определены предельно допустимые динамические нагрузки.

Введение и постановка задачи

В ОАО «ОКБМ Африкантов» разработаны новые конструкции ТВСА (ТВСА-Т, ТВСА-АЛЬФА), которые позволят существенно улучшить технико-экономические показатели действующих ядерных реакторов ВВЭР-1000, а также могут быть использованы в новых проектах реакторов ВВЭР. Основным конструктивным отличием таких ТВСА от базовой модели является уменьшение количества ЦДР при одновременном увеличении их высоты и расстояния между ними.

В связи с уменьшением количества ЦДР возрастает нагрузка от веса твэла, приходящаяся на каждую ячейку ЦДР при горизонтальном расположении ТВС. Это приведет к увеличению динамических нагрузок на ЦДР при транспортировании транспортных упаковочных комплектов (ТУК) с ТВСА автомобильным или железнодорожным транспортом. Целью настоящей работы являлось определение предельно допустимых динамических нагрузок новой конструкции ТВСА в условиях транспортирования.

Анализ динамических нагрузок, возникающих при транспортирования ТУК ВВЭР-1000

В ОАО "Машиностроительный завод" накоплен значительный опыт по проведению испытаний транспортных упаковочных комплектов ВВЭР-1000, в ходе которых проводились измерения динамических нагрузок на ТУК. Транспортирование проводилось различными видами автомобильного и железнодорожного транспорта. Характерные виды и величины зафиксированных динамических нагрузок, действующих на упаковку со стороны транспортного средства в вертикальном направлении, для штатного варианта транспортирования ТУК ВВЭР-1000, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характерные виды и величины динамических нагрузок в вертикальном направлении при транспортировании ТУК ВВЭР-1000

Следует также отметить, что при испытаниях ТУК ВВЭР-1000, проводившихся на Дмитровском автополигоне с использованием дорог и препятствий различного типа, в том числе и при самых экстремальных условиях динамического нагружения, не удалось реализовать перегрузку ТУК величиной более 2 g.

При погрузочно-разгрузочных работах возможны падения ТУК с высоты 30…50 мм на жесткую металлическую поверхность (соскок со штыря ТУК при штабелировании). В этом случае величина перегрузки превышает значение 5 g, однако, длительность импульса при этом менее 5 мс. Дополнительно показано, что при ограничении скорости соударения до 0,18 м/с (максимальная скорость кран-балки) перегрузка не превысит значения 5 g. При движении полуприцепа, загруженного ТУК ВВЭР-1000, по ямам глубиной примерно 50 мм при скорости примерно 40 км/ч реализуемая динамическая нагрузка на ТУК составляет величину до 1,9 g при длительностях импульса порядка 50 мс. В условиях не жесткого закрепления ТУК на платформе транспортного средства перегрузка, реализуемая при соударении опор ТУК с платформой, может превышать значение 5 g. В настоящее время в процессе транспортирования ТУК ВВЭР-1000 оснащаются датчиками перегрузок с порогом срабатывания 4 g.

Расчетное обоснование, разработка и изготовление укороченных макетов перспективных ТВСА

Динамические перегрузки при транспортных испытаниях носят случайный характер и поэтому не могут быть использованы для определения предельных динамических нагрузок на ЦДР ТВСА. В связи с этим для их исследования был выбран стендовый метод проведения испытаний. В виде инновационного подхода к проведению подобных испытаний был применен метод выбора параметров удара, обеспечивающих наибольшее динамическое возбуждение и, как следствие, максимально возможные повреждения изделия. При этом длительность ударного импульса определялась исходя из амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) испытуемого изделия. В этом случае полномасштабную ТВСА можно заменить укороченным макетом её пучка при условии обеспечения статической нагрузки на ЦДР и АЧХ имитаторов твэлов, соответствующих АЧХ твэлов полномасштабного изделия.

Укороченный макет пучка представляет собой фрагмент пучка твэлов с двумя дистанционирующими решетками. Имитаторы твэлов моделируют статическую нагрузку на ЦДР в ТВС. Изменение длины консолей (расстояние от конца имитатора твэла до ЦДР) в макете позволяет моделировать динамическую характеристику твэлов в пучке.

При моделировании АЧХ твэла и его укороченного имитатора рассчитывались с помощью ПК ANSYS, на который ОАО «МСЗ» имеет две коммерческие лицензии.

Расчеты показали, что наиболее близкие АЧХ макета к АЧХ твэла в пучке имеют место при длине консоли, равной L/v6, где L - длина пролета, при которой реализуется форма изгиба имитатора твэла в пролете между ЦДР, наиболее близкая форме изгиба твэла в пучке.

На рисунке 1(а, б, в, г) приведены АЧХ твэла в пучке и имитатора твэла в укороченном макете при длине консоли 208 мм, построенные по наибольшему перемещению при действии поперечной динамической нагрузки 1 g и относительном демпфировании 0,2.

Укороченная модель с такой длиной консоли (как показывает сопоставление АЧХ) хорошо моделирует динамические характеристики пучка (отклонение 2-3% по частоте) при несколько меньшей нагрузке на ЦДР (~ на 10 %).

Для сравнения на рисунке 1(д, е) приведены АЧХ имитатора твэла при длине консоли, равной L/2. Видны существенные отличия от АЧХ твэла в пучке.

В результате проведенных расчетных исследований разработана конструкция и изготовлены три макета укороченных пучков перспективной ТВСА. Макет ТВСА, используемый для испытаний, представлял собой часть ТВС состоящую из 2 ЦДР, 312 имитаторов твэл, 6 имитаторов уголков, имитатора центральной трубы и 18 имитаторов направляющих каналов. Длина имитатора твэл - 948 мм, диаметр - 9,13х7,73 мм, масса одного имитатора - 0,565 кг. Длина имитатора центральной трубы - 1070 мм, длина имитатора направляющего канала - 1020 мм. Проведенные эксперименты подтвердили соответствие макета расчетной модели и позволили верифицировать её. На рисунке 1(з) представлена АЧХ имитатора твэла в макете, которая соответствует расчетной АЧХ приведенной на рисунке 1(в). В тоже время видно, что при использовании в макете имитаторов твэлов с консолью равной половине пролета между ЦДР (рисунок 1(д)) их АЧХ приближается к АЧХ имитаторов твэлов при шарнирном закреплении (рисунок 1(ж)), что не отражает реальных условий закрепления твэлов в ячейках ЦДР в полномасштабном пучке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

26-29 мая 2009 г.

Рис. 1 Расчетные и экспериментальные АЧХ твэлов в пучке и имитаторов твэлов в макете. Расчетные значения податливости (а) и нагрузки на ЦДР (б) твэлов в пучке. Расчетные значения податливости (в) и нагрузки на ЦДР (г) твэлов в макете при длине консоли 208 мм. Расчетные значения податливости (д) и нагрузки на ЦДР (е) твэлов в макете при длине консоли 255 мм. Экспериментальные значения ускоряемости имитатора твэла с шарнирным закреплением (ж) и имитатора твэла в макете (з)

Методика проведения и результаты испытаний

Испытания проводились на виброиспытательной системе V964LS LDS (Англия), способной воспроизводить ударные нагрузки. Виброиспытательная система проходит ежегодную процедуру аттестации. Параметры испытаний задавались при помощи цифрового контроллера вибрации, входящего в состав системы. Измерение динамических характеристик и ударных нагрузок проводилось сертифицированной и поверенной виброизмерительной аппаратурой фирмы "Брюль и Къер" (Дания) в составе:

- двухканальный анализатор 2034;

- многоканальный анализатор 3560С с ПК "PULSE";

- комплект усилителей заряда и акселерометров.

На испытания поставлялись три макета ТВСА, которые последовательно закреплялись на вертикальном столе виброударного стенда. Для каждого макета было выбрано одно из трех возможных положений пуклевок ЦДР по отношению к ударному воздействию. При этом макет № 1 устанавливался на грань ЦДР и твэлы опирались на две пуклевки ячейки, макет № 2 устанавливался на другую грань ЦДР и твэлы опирались на одну пуклевку ячейки, а макет № 3 устанавливался на ребро ЦДР. Верхняя часть макета фиксировалась при помощи поджимных приспособлений для исключения подпрыгивания макета на столе вибростенда при ударном нагружении. В процессе испытаний проводился визуальный осмотр, измерение усилия проталкивания периферийных твэлов и контроль зазора между гранями ЦДР и прижимной оснасткой.

Собственные частоты макетов определялись методом случайного возбуждения (белым шумом) в частотном диапазоне от 5 до 200 Гц. На рисунке 2 представлена АЧХ макета № 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

26-29 мая 2009 г.

Рис. 2 Экспериментальная АЧХ макета, установленного на ребро (макет № 3)

В результате анализа собственных частот макета определялась длительность действия ударного ускорения по формуле [2] Т=0,8/f, где f - собственная частота макета.

При установке макета на грань расчетная длительность ударного воздействия составила 22 мс, а при установке на ребро - 18 мс. Для проведения испытаний была принята единая для всех макетов величина длительности действия ударного ускорения - 20 мс. Форма ударного импульса - полусинусоида, начальное значение перегрузки - 1,5 g. Макет подвергался воздействию серии из трех ударов. На следующем этапе нагружения перегрузка составляла 3 g и плавно увеличивалась при последующих сериях ударных нагрузок. Основным критерием завершения испытаний принималось появление люфтов хотя бы в одной ячейке ЦДР или зазора между гранями ЦДР и прижимной оснасткой.

Внешний вид макетов при проведении испытании представлен на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

26-29 мая 2009 г.

Рис. 3 Внешний вид макетов при проведении испытании на виброиспытательной системе V 964 LS LDS. Представлено два различных положения макета по отношению к направлению ударной нагрузки: а) - ударная нагрузка перпендикулярна грани макета, б) - ударная нагрузка перпендикулярна ребру макета

В ходе проведения испытаний отмечено:

· Для макета № 1 на этапе с амплитудой ударного импульса 10 g испытания были остановлены в связи с появлением люфтов двух угловых твэл в обеих ЦДР. На предпоследнем этапе амплитуда ударного импульса составляла 8 g, при этом люфтов твэл в ячейках ЦДР не было.

· Для макета № 2 после этапа испытаний с ударной нагрузкой 8 g между дистанционирующими решетками и прижимной оснасткой образовался зазор и появились люфты двух угловых твэл в ЦДР1. После устранения зазора между ЦДР и оснасткой испытания были продолжены. В результате воздействия ударного импульса величиной 11,2 g образовался дополнительный зазор между дистанционирующими решетками и оснасткой. Произошла деформация ободов ЦДР (рисунок 4), причем на ЦДР1 произошел отрыв трех ячеек периферийного ряда от обода ЦДР. Появились дополнительные люфты в нижней части макета.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

26-29 мая 2009 г.

Рис. 4 Макет № 2. Форма деформации дистанционирующих решеток. а) - ЦДР1 (отрыв трех периферийных ячеек), б) - ЦДР2

· Для макета №3 после этапа испытаний с ударной нагрузкой 8 g (фактическое значение перегрузки составило 8,19 g) отмечено появление одного люфта углового твэл в ЦДР1. После этапа испытаний с ударной нагрузкой 9 g дополнительно отмечено появление одного люфта углового твэл в ЦДР2. После этапа испытаний с ударной нагрузкой 10 g дополнительно отмечено появление множества люфтов твэл в ЦДР1 и ЦДР2, расположенных в районе углов ЦДР. Отмечено появление незначительного зазора между прижимной оснасткой и ЦДР2. Произошла деформация ободов обеих ЦДР и уголков по одной из граней (рисунок 5). В нижней части ЦДР2 произошел отрыв двух периферийных ячеек от обода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

6-я МНТК «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»

ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия

26-29 мая 2009 г.

Рис. 5 Макет № 3. Форма деформации дистанционирующих решеток. а) - ЦДР2 (общий вид), б) - ЦДР2 (отрыв двух периферийных ячеек)

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2

Обобщенные результаты испытаний

Принципиально важным результатом данных испытаний является то, что в ходе работ достигнуты предельные состояния ЦДР, такие как:

люфты угловых твэл в макете;

изменение геометрических размеров ЦДР;

пластические деформации ЦДР и уголков, разрушение сварных соединений.

Описанные предельные состояния могут быть использованы для оценки степени воздействия внешних механических факторов при возникновении нештатных ситуаций в процессе транспортирования ТВСА.

Выводы

1. Анализ динамических нагрузок при транспортировании ТУК показал, что наибольшая перегрузка ТУК имеет место при нештатных условиях транспортирования (движение автоприцепа по различным препятствиям с высокой скоростью, спуск с горки ж/д транспортом и др.), а также при плохом закреплении ТУК в кузове автомобиля или на платформе железнодорожного вагона.

2. При штатных условиях перевозки динамическая нагрузка на ТУК ВВЭР-1000 не превышает значения 4 g, установленного в настоящее время как критерий нормального транспортирования.

3. Разработана конструкция укороченного макета и проведены динамические испытания укороченных макетов ТВСА в трех положениях относительно ТУК до появления предельного состояния. Установлено, что основным критерием, определяющим предельное состояние ТВСА, является появление люфтов твэлов в угловых ячейках ЦДР.

4. Экспериментально определенные предельно допустимые нагрузки на ЦДР перспективной ТВСА превосходят нагрузки и принятые критерии при штатных условиях транспортировании. При этом расположение ТВСА по отношению к направлению ударного воздействия незначительно влияет на значение предельно допустимой динамической нагрузки.

Список литературы

1. С. Д. Пономарев, В. Л. Бидерман, К. К. Лихарев, В. М. Макушин, Н. Н. Малинин, В. И. Феодосьев. Расчеты на прочность в машиностроении. М.: Машгиз, 1959.

2. С.Ф.Абрамович, Ю.С.Крючков. Динамическая прочность судового оборудования. Л.: Судостроение, 1967.

3. ANSYS User's Manual for revision 5.0. Volume IV. Theory edited by Peter Khonke, PhD. Houston: Swenson Analysis Systems, Inc. 1992.

Размещено на Allbest.ru