Исследование влияния параметров эксплуатации на надежность и долговечность элементов трубопроводов энергоблоков АЭС с ВВЭР, содержащих трещиноподобные дефекты

Введение 3
Актуальность исследования 3
1. Теоретические основы расчёта роста дефекта 5
1.1 Метод расчёта усталостного роста трещины 5
1.3 Метод численного моделирования (МКЭ) 7
1.4 Нормативные требования по использованию метода конечных элементов для оценки роста трещины 7
1.5 Основные особенности расчёта роста дефекта с помощью МКЭ 9
2. Разработка алгоритма моделирования роста дефекта 11
2.1 Общая структура алгоритма 11
2.2 Моделирование роста одиночной трещины в пластине при растяжении 12
2.2.1 Постановка первой задачи 12
2.2.2 Решение задачи с помощью МКЭ и анализ результатов 13
2.3 Моделирование роста полуэллиптической трещины в трубопроводе 16
2.3.1 Постановка второй задачи 16
2.3.2 Решение задачи и анализ результатов 19
Заключение 22
Список использованных источников 22

Весь текст будет доступен после покупки

В последние десятилетия в атомной энергетике особое внимание уделяется продлению ресурса оборудования действующих энергоблоков и повышению их эксплуатационной безопасности. В условиях постепенного старения энергоблоков АЭС ключевой задачей становится исследование напряженно-деформированного состояния элементов трубопроводных систем, испытывающих воздействие длительных нагрузок, агрессивных рабочих сред и высоких температур. Одним из важных факторов, влияющих на долговечность трубопроводов, являются трещиноподобные дефекты, формирующиеся в металле и сварных соединениях. Их развитие приводит к ухудшению механической прочности стенок трубопроводов, снижению ресурса конструкции и нарушению нормальной эксплуатации энергоблока.
Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью исследования влияния роста дефекта в трубопроводах АЭС на безопасность и надежность конструкции с учетом старения действующих энергоблоков и изменения параметров рабочих сред при переходе на повышенную мощность.
Целью исследования является оценка надежности и долговечности узла трубопроводной системы энергоблока АЭС с реакторной установкой типа ВВЭР с учетом развития трещиноподобного дефекта в круговом сварном соединении на основе вычислительного моделирования в диапазоне эксплуатационных нагрузок, учитывающих переход энергоблоков на повышенную мощность.
Задачи исследования:
1. Рассмотреть основные методы оценки роста дефекта в процессе эксплуатации;
2. Разработать алгоритм моделирования роста трещиноподобных дефектов в программном комплексе ANSYS;
3. Разработать математическую модель трубопровода первого контура АЭС, включая сварное соединение с дефектом;
4. Провести расчет роста дефекта аналитически и в программном комплексе, реализующем метод конечных элементов (МКЭ) в варьируемом диапазоне параметров эксплуатации;
5. Проанализировать полученные результаты с использованием нормативных документов и провести сравнительный анализ результатов по МКЭ и при полуэмпирическом расчете на основе подходов механики разрушения;

Весь текст будет доступен после покупки

1. Теоретические основы расчёта роста дефекта
1.1 Метод расчёта усталостного роста трещины
Для обеспечения надежности и безопасности конструкций применяются различные методы оценки роста дефектов, основанные на аналитических, численных и экспериментальных подходах.
При исследовании роста усталостных трещин применяются кинематические диаграммы разрушения материала, отражающие зависимость скорости роста дефекта от амплитуды изменения коэффициента интенсивности напряжений (КИН). Такие диаграммы получают экспериментальным путем. График зависимости для стали представлен на рисунке 1.1.1.

Рисунок 1.1.1 – График зависимости скорости роста дефекта от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений
График включает три характерных диапазона, соответствующих различным механизмам роста трещины: участок (а) соответствует стадии зарождения макротрещины, участок (б) – этап её устойчивого роста в диапазоне средних скоростей, на участке (в) происходит разрушение вследствие нестабильного развития трещины.
Для этапа устойчивого роста справедливо уравнение 1.1, предложенное П. Пэрисом [1]. Данное уравнение используется для оценки остаточного ресурса металла конструкций.
-(da/dN=C•(?K)^m,#(1.1) )
где da/dN – рост усталостной трещины за один цикл нагружения, ?K – размах КИН, C и m – константы, зависящие от свойств материала и условий его испытания.
Уравнение 1.2 для начальной стадии (а) предложил Р. Донахью [2].
-(da/dN=C•(?K-?K_th )^m,#(1.2) )
где ?K_th - пороговое значение амплитуды КИН.
Заключительный этап роста трещины перед разрушением описывается формулой Формана 1.3 [3].
-(da/dN=(C•(?K)^m)/((1-R) K_c-?K)#(1.3) )
Где R – коэффициент асимметрии циклов, определяемый по формуле (1.4)
-(R=K_min/K_max #(1.4) )
Условие роста статической трещины определяется достижением коэффициентом интенсивности напряжений критического значения, характерного для материала:
K_i?K_ic
Критерий позволяет прогнозировать начало роста трещины под действием статической и циклической нагрузок и используется для оценки дефектов в металлических и композитных конструкциях.
Наряду с критерием по КИН применяются энергетические критерии разрушения. Рост трещины возможен при выполнении условия:

Весь текст будет доступен после покупки

1. Paris, P. C.; Erdogan, F. (1963). "A critical analysis of crack propagation laws". Journal of Basic Engineering. 18 (4): 528–534.
2. Allen, R. J.; Booth, G. S.; Jutla, T. (March 1988). "A review of fatigue crack growth characterisation by Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). Part II – Advisory documents and applications within National Standards". Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures.
3. Forman, R. G.; Kearney, V. E.; Engle, R. M. (1967). "Numerical Analysis of Crack Propagation in Cyclic-Loaded Structures". Journal of Basic Engineering. 89 (3): 459–463.
4. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Энергоатомиздат, 1988.
5. ГОСТ 59115.9. Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Поверочный расчет на прочность. 2021.
6. ГОСТ 59115.14. Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Расчет на сопротивление хрупкому разрушению корпуса водо-водяного энергетического реактора. 2021
7. ГОСТ 59115.19. Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Применение метода конечных элементов при расчете на прочность. 2021.

Весь текст будет доступен после покупки