Возможности метода оценки напряженно-деформированного состояния

Ермаков Е.Л., Тиванова О.В. Институт ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан, Алматы

1.  Введение

В атомной энергетике для решения задач направленных на повышение уровня промышленной безопасности и продление срока службы трубопроводов и оборудования ядерных энергетических установок, существует необходимость внедрения новых методов и средств диагностики. Например, исследования [1] показали, что 6% отказов и нарушений в работе реактора ВВР-Ц за 40 лет эксплуатации приходится на неисправности трубопроводов и оборудования первого контура реактора, которые в процессе длительной эксплуатации подвергаются интенсивным циклическим и термомеханическим нагрузкам (пульсирующие перепады давления и температуры рабочей среды, вибрационные нагрузки). Под действием таких нагрузок возможно протекание необратимых деградационных изменений в виде снижения физико-механических свойств материала конструкции, что в свою очередь приводит к ограничению срока эксплуатации и возникновению аварийной ситуации. Не вызывает сомнения тот факт, что деградационные процессы на начальных стадиях протекают в ограниченных зонах и проявляются в виде локального повышения уровня напряжений, в месте концентрации которых в последствии образуются и развиваются дефекты. Поэтому безопасный ресурс элементов конструкций и оборудования определяется ресурсом этих локальных зон, вероятность возникновения которых выше в изначально напряженных участках конструкции - сварных швах, на изгибно-напряженных участках, а также в местах расположения допустимых монтажных дефектов.

При обследовании объектов ядерно-энергетического комплекса, применяют традиционные методы неразрушающего контроля, ориентированные в основном на поиск несплошностей в сварных соединениях, основном металле и наплавках. Оценить уровни локальных напряжений возможно либо с использованием расчетных моделей [2], либо по результатам разрушающего контроля, что требует вырезки образцов непосредственно из металлоконструкции. 

Современные методы контроля, применяемые для поиска и оценки напряженно-деформированного состояния, во многом определяются средствами неразрушающего контроля и областью их применения. В большинстве случаев приборы и методики, позволяющие проводить поиск и обнаружение зон, содержащих технологические и конструктивные концентраторы механических напряжений, а также оценивать уровни этих напряжений нашли применение в нефтегазовом секторе на объектах, выполненных из ферромагнитных материалов [3]. Для контроля неферромагнитных конструкционных сплавов и сталей, используемых в атомной энергетике эти методы еще не нашли широкого применения в силу недостаточного количества накопленных экспериментальных данных [4,5], позволяющих адаптировать их к широкому классу материалов.

В настоящей работе приведены результаты исследования по диагностированию и оценки напряженного состояния сварных соединений и основного металла трубопроводов первого контура и теплообменников реактора ВВР-К с применением магнито-анизотропного сканер-дефектоскопа.

2. Основные результаты обследования и их обсуждение

2.1. Определение критических значений параметров концентраторов напряжений в конструкциях из аустенитных и алюминиевых сплавов.

В качестве объектов для исследования были выбраны теплообменники и трубопроводы первого контура системы охлаждения реактора ВВР-К, находящиеся в эксплуатации с 1967г. Трубопроводы диаметром 219х12 мм и теплообменники изготовлены из аустенитной нержавеющей стали 1Х18Н9Т, трубопроводы диамтером 371х10 мм - из аллюминиевого сплава САВ-1. Стенки трубопроводов в процессе работы подвергаются циклическому воздействию температур 10-55оС, давления порядка 1,2-3,5 кг/см2 от циркулирующей обессоленной воды, а также радиационному воздействию. Для исследования были выбраны потенциально опасные участки трубопроводов в местах изгиба, а также места стыковки нескольких сварных швов. Оценку напряженного состояния материала трубопровода проводили в зоне сварного шва и основного металла с использованием сканер-дефектоскопа магнитоанизотропного «Stressvision 2», с шагом сканирования 40 мм. Измерение с применением магнитоанизотропного дефектоскопа позволило получить распределение параметров напряженного состояния поверхности исследованных участков, то есть в основном металле, сварном шве и околошовной зоне. В качестве итоговых данных для анализа, получаемых при обработке результатов контроля при помощи программного обеспечения «StressVision - 2», использовали следующие характеристики: карты разности главных механических напряжений (РГМН), градиентов РГМН, карты распределения коэффициента концентрации механических напряжений (КМН) и коэффициента неоднородности механических напряжений (КНН), по которым определяли зоны, обозначенные набором изостресс с изменяющимися значениями параметров напряженного состояния.

При определении допустимых значений градиентов РГМН, КМН и КНН исходили из условий, что необратимые изменения в деформируемых металлических материалах начинаются после достижения предела текучести, а разрушение возможно при наличии достаточной местной концентрации механических напряжений и градиента разности главных механических напряжений (РГМН), таким образом, процесс разрушения упругопластического твердого тела начинается если не выполняется условие (1) [6].

            (σ1−σ3) ≤ σT
   {       КМН ≈ 1                 }                                      (1)
            КНН ≈ 1
            G ≈ 0

где (σ1−σ3) –разность главных механических напряжений (РГМН) - параметр, характеризующий диапазон верхней и нижней границ нормальных напряжений, действующих по площадкам (сечениям), где отсутствуют касательные напряжения;
σТ – напряжение течения;
G – градиент РГМН, характеризующий скорость убывания напряжений по мере удаления от места концентрации напряжений по заданному направлению;
КМН - коэффициент концентрации механических напряжений, характеризует отношение напряжения в заданной точке конструкции к значениям напряжения в этой же точке при отсутствии местной концентрации напряжений.
КНН- коэффициент неоднородности механических напряжений.

Известно, что процесс разрушения многостадийный, и каждой стадии соответствует определенный набор значений КМН, КНН и градиентов, которые найдены для углеродистых ферромагнитных сталей [7]. Для аустенитных и алюминиевых сплавов необходимо экспериментальное определение критических значений параметров в аномальных напряженных зонах материала конструкции, при достижении которых принимается решение о возможной дальнейшей эксплуатации.

Нормы допустимых значений параметров концентраторов напряжений для аустенитной нержавеющей стали и алюминиевого сплава САВ-1 определяли по данным, полученным из модельных экспериментов по определению характеристик напряженного состояния деформированных на загиб металлических пластин. Для этого на изготовленные из аустенитной стали типа 12-18 и алюминия толщиной 5 мм пластины наносили сетку с размером ячеек 40х40 мм. Затем пластины деформировали пошагово на различный угол загиба, после каждого этапа нагружения проводили сканирование деформированных пластин сканер-дефектоскопом «Stressvision-2».

Для уменьшения влияния краевого эффекта, искажающего действительную картину распределения напряжений, сканируемая поверхность располагалась на расстоянии 40 мм от краев пластины. По каждому циклу измерений строили карты распределения разности главных механических напряжений и их градиента, КМН и КНН, по которым находили значения параметров концентраторов напряжений в месте изгиба. Установлено (см. рисунок 1), что в случае воздействия изгибающих нагрузок для алюминия чувствительными являются характеристики КМН и градиента РГМН, в то время как для аустенитной нержавеющей стали - КНН.

Сравнительный анализ данных по зависимостям значений параметров напряженного состояния от стадии разрушения, полученных разработчиками сканер-дефектоскопа «Stressvision-2» для углеродистых сталей [7] и приведенных на рисунке 1, позволил определить для алюминия и нержавеющей стали условные критические значения параметров напряженного состояния, при выявлении которых необходима дополнительная диагностика с использованием неразрушающих методов контроля.

В дальнейшем при диагностировании трубопроводов и узлов первого контура реактора ВВР-К особое внимание уделяли участкам, параметры напряженного состояния которых превышали следующие экспериментально-полученные условные критические значения, приведенные в таблице 1.

Таблица - 1. Условные критические значения параметров напряженного состояния  для алюминия и нержавеющей стали

2.2 Результаты оценки напряженно-деформированного состояния трубопроводов и теплообменников первого контура реактора ВВР-К.

Места изгибов, сварные швы трубопроводов и области, прилегающие к ним исследовали с помощью магнитоанизотропного сканер-дефектоскопа «Stressvision - 2». По результатам измерений строили карты распределения концентраторов механических напряжений, коэффициентов неоднородности напряжений и градиентов механических напряжений, по которым определяли условно опасные участки.

Полученные данные по контролю нагнетательного и всасывающего трубопроводов первого контура, изготовленных из алюминиевого сплава САВ-1, показали, что наиболее высокие концентрации напряжений возникают в зоне фланцевых соединений, близко расположенных к сварным швам. На рисунке 2 представлены схема сканированного участка трубопровода и карты распределения РГМН, КМН и градиентов РГМН на которых видно, что в околошовной зоне трубопровода (между тройным стыком шва и фланцевым соединением) в координатах точки {1,5; 6,5} находится концентратор напряжения, в области которого знаки изостресс меняются с отрицательных на положительные, что указывает на вероятность возникновения пластических деформаций. В зоне сварного шва в координатах точки {5,5;4} обнаружена зона концентрации напряжений с КМН=2,6 и градиентами РГМН=6, которые близки к условно критическим, при этом основной поток изостресс образует симметричные концентрические эллипсы, в пределах которых следует ожидать появление и развитие дефекта округлой формы.

Сканирование сварных швов конструкций, выполненных из аустенитной стали, позволило обнаружить зону с повышенной концентрацией напряжений в области тройного стыка шва теплообменника, дальнейший анализ распределения градиентов разности главных механических напряжений показал, что дефект является неопасным. При исследовании было обращено особое внимание участкам стальных трубопроводов, подвергающихся дополнительно воздействию вибрации. Для этого был выбран сварной шов в присоединяющем к циркуляционному насосу трубопроводе в месте радиусного перехода, в котором возникают максимальные напряжения, в основном от изгиба.  На рисунке 3 приведены в виде карт результаты сканирования, видно, что в области сварного шва (горизонтальная линия 5) обнаружено несколько зон концентрации напряжений.

На объемной карте РГМН (см. рисунок 3 а) область минимальных значений напряжений соответствует сварному соединению, экстремумы – зонам концентрации напряжений. В окрестностях точек 3 {5;4,5} и {5,5; 1,5} максимальные значения КМН и КНН превышают принятые критические (см. таблицу 1), на картах распределения коэффициентов концентрации и неоднородности механических напряжений (см. рисунок 3 б и в) основные потоки сгущения изостресс образуют концентрические эллипсы, ориентированные вдоль оси шва, такая картина характерна для дефектов округлой формы. Кроме того, по границам областей местной концентрации скорость изменения РГМН (см. рисунок 3 г) близка к критической. Так как обследование участков первого контура реактора ВВР-К с применением сканер-дефектоскопа «Stressvision - 2» было проведено впервые, предложенные критические значения параметров напряженного состояния требуют дополнительного экспериментального уточнения. На основе полученных результатов предложено провести дополнительное исследование зон повышенной концентрации напряжений другими методами неразрушающего контроля.

Ранее радиографическим методом контроля было обнаружено наличие непровара в корне шва глубиной до 3 мм и шириной 1-2 мм, полученного в результате некачественной сварки элементов трубопровода при монтаже, также дефекты различного типа были найдены в других швах. По результатам контроля рекомендовано дальнейшее наблюдение за этими участками и проведение расчетной оценки развития дефектов при циклическом нагружении в процессе «пусков-остановок» реактора ВВР-К.

Необходимо отметить, что методология применения прибора «Stressvision -2» для диагностирования неферромагнитных металлических конструкций находится на стадии тестирования и полученные данные требуют дальнейшего обсуждения и сравнения с результатами апробированных методов неразрушающего контроля.

3 Выводы

В настоящей работе приведены результаты исследования напряженного состояния сварных соединений трубопроводов и теплообменников основного контура реактора ВВР-К, которые находятся в эксплуатации в течение 40 лет. Новое, нетрадиционное использование магнитоанизотропного сканер-дефектоскопа «Stressvision 2», дало возможность обнаружения зон с повышенной концентрацией механических напряжений при обследовании сварных соединений в металлических конструкциях основного контура реактора ВВР-К, выполненных из аустенитной стали 1Х18Н9Т и алюминиевого сплава САВ-1. Несмотря на то, что требуется доработка методики оценки критериев напряженно-деформированного состояния, полученные результаты позволяют несколько сократить объем контроля другими неразрушающими методами (RT, UT) и при регулярном мониторинге уделить особое внимание поведению отдельных участков, узлов оборудования и трубопроводов АЭУ, в которых наблюдаются повышенные уровни концентрации напряжений.

Работа была выполнена при грантовой поддержке ОФ «Фонд Первого Президента Республики Казахстан».

Список использованной литературы

1. Кочнов О.Ю., Лукин Н.Д. Реактор ВВР-Ц: опыт эксплуатации и перспективы развития. // Ядерная и радиационная безопасность № 1, 2008 г. -C. 18-25.
2. Нормы расчетов на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПН АЭ Г-7-002-86) / Госатомэнергонадзор ССР. –М.: Энергоатомиздат, 1989. – 525 с.
3. Кузеев И.Р., Баширов М.Г. Электромагнитная диагностика оборудования нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2001. -294 с.
4. Жуков С.В., Копица Н.Н. Исследование полей механических напряжений в металлических конструкциях приборами «Комплекс-2»// Сб. научн. Трудов отд-я «Специальные проблемы транспорта» Росс. Академии транспорта, №3, 1998. - С. 214 – 222.
5. Гурин С.А., Жуков В.С., Жуков С.В., Копица Н.Н. Сканеры-дефектоскопы серии «Комплекс-2»: новые модели. // Журнал «В мире НК», №2(24), 2004 г. - С. 31-33.
6. Дефект - условие разрушения?- Трубопроводный транспорт (теория и практика), №1 (3), 2006. - С. 84-87.
7. Жуков С.В. К вопросу о необходимости измерения напряжений. Электронное периодическое издание «Техническая диагностика и неразрушающий контроль» https://www.td.ru/content/view/68/20/. -2007.
8. МДС 53-2.2004. Методическая документация в строительстве. Диагностирование стальных конструкций. ООО "Институт проблем технической диагностики и неразрушающих методов испытаний "ДИМЕНСтест". – 2005. -17 с.
9. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. –М.: Машиностроение, 1981. –272 с.
10. Заключение о возможности дальнейшей эксплуатации системы трубопроводов из стали 1Х18Н9Т первого контура реактора ВВР-К. № 23.1684 3. -1983. -16с.
11. Пахомов В.А. Сарапов О.В. Оценка ресурса трубопроводов ЯЭУ при ограничений перемещений на опорах с использованием критериев малоцикловой усталости. Проблемы прочности и пластичности. Вып. 67. 2005. -С. 37-45.