Заключительная проверка сейсмостойкости оборудования АЭС в реальных условиях его монтажа, раскрепления и обвязки на пусковых и действующих энергоблоках

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Общий комплекс нормативных требований по обеспечению ядерной и радиационной безопасности АЭС на всех этапах их жизненного цикла включает обеспечение их устойчивости при экстремальных внешних воздействиях природного происхождения. Среди этих воздействий особое место занимают землетрясения. Уступая по максимально выделяемой энергии падениям метеоритов и извержениям вулканов, землетрясения по комплексу факторов (максимальная энергия, распространенность по поверхности Земли, повторяемость, непредсказуемость места, времени и интенсивности событий, зона охвата территории вокруг эпицентра) представляют наибольшую угрозу для людей, продуктов их деятельности и окружающей природы. Эта угроза неизмеримо возрастает при сейсмических воздействиях на АЭС и другие промышленные объекты использования атомной энергии, поскольку радиоактивные выбросы в атмосферу при тяжелых авариях на них создают чрезвычайную угрозу для жизни людей и природы на обширных территориях протяженностью в сотни и тысячи километров и в течение длительного времени (десятки лет и более).

Даже по устаревшим сейсмологическим данным примерно половина территории и две трети населения нашей планеты подвержены сильным (вплоть до катастрофических) землетрясениям, как это показано на рис. 1 [1]. События последних лет показали, что как область повышенной сейсмичности, так и повторяемость сильных (вплоть до максимально возможных) землетрясений имеют явную тенденцию к увеличению по причинам нестабильности и активизации процессов природного, в том числе планетарного характера. Этим объясняется повышенное внимание к проблеме сейсмической безопасности АЭС в странах, развивающих атомную энергетику, а также периодический пересмотр соответствующих нормативных требований в сторону их ужесточения. В настоящее время в нормативных документах России [2, 3], США и ряда других стран, а также в рекомендациях МАГАТЭ [4] минимальный уровень сейсмичности для площадок АЭС установлен в 7 баллов по 12-бальной шкале MSK-64 (речь идет об уровне максимального расчетного землетрясения МРЗ, на который должны быть аттестованы сооружения и оборудование АЭС I категории сейсмостойкости).

Рис. 1. Сейсмические пояса Земли

Реальным воздействиям сильных землетрясений подверглись АЭС «Козлодуй» в Болгарии в 1977 году, Армянская АЭС в 1988 году и крупнейшая в мире АЭС «Касивадзаки-Карива» в Японии 16 июля 2007 года. Если в первых двух случаях из-за удаленности от эпицентров интенсивность землетрясений на площадках АЭС не превышала 5-6 баллов по шкале MSK-64, и они не вызвали серьезных последствий (если не считать тяжелые социально-экономические последствия для Армении из-за неоправданного вывода АЭС из эксплуатации на 7 лет), то совершенно иная ситуация возникла в Японии. Эпицентр землетрясения с магнитудой 6,8 (более 8 баллов по шкале MSK-64) находился в 9 км от АЭС. Станция была спроектирована на магнитуду 6,2 (7 баллов по шкале MSK-64). Землетрясение привело к заметным подвижкам почвы под реакторами и вызвало более 50 различных повреждений, в том числе разрывы в трубопроводах и трещины в фундаментах АЭС. Из бассейна хранения отработанного топлива вытекло и попало в Японское море 1200 литров радиоактивной воды. В результате повреждений фильтров за пределы станции вырвалось небольшое количество радиоактивной пыли. Опрокинулось 438 емкостей с твердыми радиоактивными отходами, у части из них сорвало крышки. На главном трансформаторе третьего энергоблока возник сильный пожар.

Ущерб от землетрясения составил около 12,5 млрд долларов, из них 5,8 млрд долларов составляют убытки в результате остановки АЭС на 1 год, устранения повреждений и реализации дополнительных антисейсмических мероприятий (принято решение о повышении сейсмостойкости ответственных сооружений, систем и оборудования до уровня магнитуды 7,0, что соответствует примерно 9 баллам по шкале MSK-64).

В мировой и отечественной практике обязательным этапом обеспечения сейсмостойкости АЭС и их элементов является расчетная и экспериментальная проверка на стадиях проектирования АЭС, разработки и изготовления важного для безопасности оборудования. Если для строительных сооружений с учетом их относительно однородной структуры и простой пространственной конфигурации, а также многолетнего опыта расчетов и проектирования в области сейсмостойкого строительства такое обоснование сейсмостойкости является достаточным (безусловно, при надежных исходных сейсмологических данных), то совершенно иная ситуация возникает при проектировании многоэлементных технологических систем, имеющих сложную пространственную конфигурацию и многообразные внешние и внутренние механические связи. Сейсмические воздействия на любые объекты по своей природе имеют резонансный характер с пиковыми ускорениями в области низких частот колебаний (от 1-3 до 5-15 Гц). В связи с этим воспринимаемые оборудованием ускорения (т.е. действующие на него сейсмические силы) сильно, на один-два порядка величины, зависят от собственных частот и коэффициентов затухания (декрементов) колебаний оборудования. Это наглядно иллюстрируется представленным на рис. 2 качественным видом поэтажного спектра ответа (т.е. реакцией несущих конструкций и установленного на них оборудования на сейсмические колебания).

Рис. 2. Качественный вид поэтажного спектра ответа (реакция изделия на сейсмические воздействия)

сейсмостойкость атомный электростанция

В свою очередь, собственные динамические характеристики оборудования (частоты и декременты колебаний) зависят не только от его конструкции, конфигурации, размеров, массы, свойств материалов, внутренних соединений элементов, но не в меньшей степени от тех же параметров всех связанных с ним внешних элементов и систем (несущих и опорных конструкций, крепежа, присоединенных трубопроводов с их опорами, подвесками и встроенными задвижками, теплоизоляционных покрытий и пр.).

Из-за ограниченных возможностей расчетных методов и вычислительных средств, неизбежной условности расчетных схем, а также ограниченных размеров и грузоподъемности лабораторных вибростендов достаточно надежный учет всех внешних механических связей оборудования на стадиях его проектирования и лабораторных испытаний невозможен. Также не может быть учтено влияние технологических допусков в подвижных элементах, дистанционных решетках, в системах и элементах раскрепления и ограничения перемещений.

Иначе говоря, проектное обоснование и лабораторные проверки сейсмостойкости оборудования, безусловно необходимые для избежания принципиальных ошибок в выборе его конструкций, в принципе не могут гарантировать сейсмостойкость в реальных условиях эксплуатации на АЭС.

Проблема может быть решена только путем заключительной проверки сейсмостойкости оборудования на базе экспериментальных исследований его собственных частот и декрементов колебаний в реальных условиях монтажа, раскрепления и обвязки на энергоблоках АЭС.

В связи с изложенным еще в конце 70-х годов прошлого столетия в ряде ведущих научно-производственных фирм и организаций (фирма ANCO, США; фирма “Comef”, Франция; ВНИИАМ и НИС «Гидропроект», в дальнейшем ВНИПИИ «Атомэнергопроект», СССР) были начаты работы и разработаны соответствующие методы и технические средства по проведению динамических испытаний оборудования непосредственно на пусковых и действующих энергоблоках АЭС с последующими расчетами сейсмостойкости.

По ряду объективных и субъективных причин такие заключительные проверки сейсмостойкости получили наиболее масштабное развитие во ВНИИАМ (в настоящее время ОАО «ВНИИАМ»).

За прошедший период (около 30 лет) ВНИИАМ выполнил детальные обследования на 30 пусковых и действующих энергоблоках одиннадцати АЭС с реакторами ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и РБМК в России, Армении, Болгарии, Венгрии, Словакии и Украине, в т.ч. в рамках двух международных координационных программ МАГАТЭ [5, 6]. Были обследованы и аттестованы на сейсмостойкость более 400 типов (тысячи единиц) ответственного технологического оборудования практически по всей номенклатуре (за исключением реакторов, парогенераторов и ГЦК): теплообменники, деаэраторы, компенсаторы объема, баки, системы и фильтры водоподготовки, газо- и маслоочистки, дизельгенераторы, вентагрегаты, трубопроводная арматура (включая ГЗЗ), насосы (включая ГЦН), кондиционеры, трубопроводы машзала, трансформаторы, электротехнические и измерительные панели и сборки, аккумуляторные батареи, элементы и механизмы РЗМ. Было выявлено несоответствие требованиям сейсмостойкости от 50-70% от полного перечня проверяемого оборудования на возрастных энергоблоках, спроектированных без учета сейсмических воздействий либо по устаревшим требованиям и методикам до 10-20% на энергоблоках новых поколений. По всем несейсмостойким позициям разработаны и реализованы надежные и достаточные и при этом максимально простые и экономичные антисейсмические мероприятия. В большинстве случаев они заключались в усилении опорных конструкций и дополнительном раскреплении, и лишь на самых старых энергоблоках (например, на блоках 1 и 2 АЭС «Козлодуй») потребовалась замена отдельных типов оборудования из-за их принципиальной непригодности для эксплуатации при ожидаемых сейсмичских воздействиях. Одним из важных результатов динамических испытаний на АЭС являются данные о реальных декрементах колебаний, которые могут изменяться от 0,008 до 0,15 в относительных единицах (отношение логарифмического декремента к его критическому значению), тогда как в отечественных нормативах рекомендовано значение 0,02, в нормативах США - 0,05. Использование таких нормативных значений в лучшем случае приведет к неоправданному переупрочнению и удорожанию оборудования, в худшем - к необеспеченности сейсмостойкости. Более подробная информация о выполненных на АЭС исследованиях представлена в [5, 6, 7, 8] и других публикациях.

Накопленный в ОАО «ВНИИАМ» уникальный, не имеющий мировых аналогов банк данных позволил провести первый этап систематизации и обобщения причин несейсмостойкости и методов ее обеспечения [9].

В 2006 году в России введен в действие федеральный нормативный документ [3], согласно которому динамические испытания важного для безопасности оборудования с определением собственных частот и декрементов колебаний в реальных условиях АЭС являются обязательными для всех без исключения пусковых энергоблоков на стадии пуско-наладочных работ и для действующих энергоблоков в периоды ППР.

В то же время сложилась парадоксальная ситуация, когда из 30 детально обследованных энергоблоков лишь 7 являются Российскими - пусковые блоки №1 Волгодонской и №3 Калининской АЭС, блоки №2 и №4 Курской АЭС (по неполному перечню оборудования) и 3 лицензированных на продление сроков эксплуатации блока Ленинградской АЭС (блок №4 обследуется в настоящее время).

Такая ситуация, когда более 20 действующих энергоблоков не соответствуют современным требованиям в части сейсмостойкости оборудования, совершенно недопустима.

Реальные тяжелые последствия и огромный экономический ущерб на крупнейшей в мире японской АЭС и явная интенсификация сейсмической активности в недрах Земли убедительно показывают, что мы, образно говоря, сидим на пороховой бочке.

Атомно-энергетический комплекс России располагает самыми передовыми нормативными требованиями, уникальным методом наиболее надежной аттестации сейсмостойкости оборудования АЭС, обеспеченным высококвалифицированными кадрами с большим практическим опытом, современными техническими средствами и математическим обеспечением, и задача приведения всех действующих АЭС в соответствие с современными нормативными требованиями реально может быть решена в течение ближайших 3-4 лет.

При этом освоенный расчетно-экспериментальный метод при его максимальной надежности требует весьма ограниченных материальных затрат (25-30 млн рублей на один энергоблок) и сроков (до одного года на энергоблок с выполнением динамических испытаний в короткие сроки ППР, т.е. без вмешательства в плановую выработку электроэнергии). Сегодняшнее кадровое и техническое обеспечение работ позволяет обследовать до 3-4 энергоблоков ежегодно, при необходимости число проверяемых за один год энергоблоков может быть увеличено путем усиления кадрового обеспечения.

Литература

1. М.А. Рязанов. Великие катастрофы мира. // М.: «Наука», 1980. 260 с.

2. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций. НП-031-01. // «Вестник Госатомнадзора России. 2001, №3. С. 64-88».

3. Учет внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии. НП-064-05. // М., «Ядерная и радиационная безопасность», 2006, №3(40). с. 47-87.

4. Учет землетрясений и связанных с ними явлений при выборе площадок для атомных станций. Руководство по безопасности. // Серия изданий по безопасности № 50-SG-S1 (Rev. 1). Вена, МАГАТЭ. 1994. 72 с.

5. Benchmark Study for the Seismic Analysis and Testing of WWER-Type Nuclear Power Plants. // Working Materials of International Atomic Energy Agency (Series of Background Documents). Vienna, Austria, IAEA. 1995-1999.

6. Safety of RBMK-Type NPPs in Relation to External Events. // Working Materials of International Atomic Energy Agency (Series of Background Documents). Vienna, Austria, IAEA. 1999-2001.

7. С.П. Казновский. Направления и состояние исследований сейсмостойкости оборудования и пароводяной арматуры АЭС и АСТ. // В Сб. «Обеспечение сейсмостойкости атомных станций». М.: «Наука», 1987. с. 81-96.

8. А.А. Авдеев, П.С. Казновский, С.П. Казновский. Сейсмическая безопасность АЭС: неотложные проблемы и пути их решения. // М., «Бюллетень по атомной энергии», 2008, №10. с.26-30.

9. С.П. Казновский, Х.Д. Чеченов, П.С. Казновский. Систематизация и обобщение причин нарушения сейсмостойкости технологического оборудования АЭС и методов ее обеспечения. // М., «Тяжелое машиностроение», 2000, №8. с.23-26.

Размещено на Allbest.ru