Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Каверин Владимир Викторович
Квалификация электрооборудования системы управления и защиты реакторов ВВЭР по критерию сейсмостойкости
05.09.03 Электротехнические комплексы и системы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2012аг.
Работа выполнена в открытом акционерном обществе Научно-производственная корпорация Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы имени А.Г. Иосифьяна.
Научный руководитель - | доктор технических наук, профессор Геча Владимир Яковлевич |
Официальные оппоненты: | доктор физико-математических наук, Сеник Николай Александрович |
доктор технических наук, Синицын Евгений Николаевич | |
Ведущая организация - | Институт энергомашиностроения и механики Национального исследовательского университета "МЭИ" |
Защита состоится 17 апреля 2012 г на заседании диссертационного совета Д403.005.01 в НПП ВНИИЭМ по адресу: Москва, Хоромный тупик, д.4.
С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ОАО Корпорация ВНИИЭМ.
Автореферат разослан
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат военных наук, доцент А.В. Пинчук
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации.
Система управления и защиты реактора (СУЗ) отвечает за безопасность эксплуатации АЭС, поэтому к ней предъявляются наиболее высокие требования по надежности и стойкости к внешним воздействиям, в том числе требования по сейсмостойкости.
Основным методом подтверждения сейсмостойкости электрооборудования АЭС долгое время являлись непосредственные испытания каждого вида оборудования. Однако, данный метод имеет ряд недостатков: высокая стоимость проведения испытаний, необходимость изготовления образца для испытаний каждого вида оборудования и проведения повторных испытаний при незначительных изменениях в конструкции.
На рубеже тысячелетия произошла смена поколений электрооборудования СУЗ. Новое оборудование создавалось на современной конструктивной и элементной базе, что связано с необходимостью повышения рентабельности его разработки и изготовления.
В тоже время, внимание контролирующих организаций к проблеме сейсмостойкости АЭС с каждым годом становится более пристальным, что выражается в большей детализации задаваемой информации, большем объеме различных требований для различных типов оборудования.
Дополнительные трудности, особенно при поставке оборудования на зарубежные АЭС, возникают из-за отличия в методиках подтверждения сейсмостойкости оборудования по отечественным и зарубежным стандартам, что приводит к неопределенности при его квалификации. Имеющиеся методики не использовали расчетные методы исследования конструкции шкафов электрооборудования, не использовался ранее накопленный опыт, полученный при подтверждении сейсмостойкости аналогичного оборудования уже введенного в эксплуатацию.
Таким образом, возникло противоречие между ужесточающимися требованиями, предъявляемыми к оборудованию СУЗ АЭС в части сейсмостойкости и традиционными методами их подтверждения.
Это определило актуальность решения задачи разработки научно-методического аппарата квалификации электрооборудования СУЗ по критерию сейсмостойкости, что имеет существенное значение для атомной энергетики.
Целью работы являлось обеспечение стойкости электрооборудования СУЗ АЭС к заданным сейсмическим воздействиям.
Объектом исследования является электрооборудование СУЗ, которое представляет собой совокупность функциональных узлов, электрически соединенных между собой кабельными линиями. Конструктивно все оборудование расположено в типовых электротехнических шкафах.
Предметом исследования являются динамические свойства конструкций шкафов электрооборудования СУЗ, требования к электрооборудованию в части сейсмических воздействий и режимы испытаний, подтверждающие выполнение этих требований.
Научной задачей работы являлась разработка научно-методического аппарата квалификации электрооборудования СУЗ по критерию сейсмостойкости, на основе современных расчетных и экспериментальных технологий, которая включает решение следующих частных задач:
- Разработка методики формирования режимов испытаний электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость на основании заданных спектров ответа.
- Создание математических моделей шкафов электрооборудования и их верификация по результатам модальных испытаний.
- Создание алгоритма проведения квалификации электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость.
- Формирование структуры базы данных, на основе результатов расчетов и испытаний электрооборудования на сейсмостойкость.
Новизна научных результатов заключается в следующем.
- Разработана методика формирования режимов испытаний электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость, впервые позволяющая использовать в качестве исходных данных спектры ответа.
- Разработаны и верифицированы по результатам модальных испытаний математические модели шкафов электрооборудования СУЗ, детально учитывающие их конструктивные особенности и условия закрепления.
- Предложен новый алгоритм проведения квалификации электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость, основанный на комплексном использовании накопленных результатов расчетных и экспериментальных исследований и разработанных методик.
- Создана база данных по результатам расчетов и испытаний электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость, структура которой, по совокупности учитываемых параметров, не имеет прямых аналогов в отрасли.
Практическая значимость полученных в диссертации результатов.
- Методика формирования режимов испытаний электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость на основании заданных спектров ответа позволяет сформировать уровни испытательных воздействий, как для электрооборудования СУЗ, так и для другого промышленного электрооборудования.
- Математические модели шкафов электрооборудования позволяют определять нагрузки на блоки аппаратуры и проводить подтверждение на стойкость к различным внешним механическим воздействиям.
- Алгоритм проведения квалификации электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость позволяет проводить подтверждение сейсмостойкости с учетом требований современных отечественных и международных стандартов.
- Структура базы данных позволяет сократить сроки проектирования вновь разрабатываемого электрооборудования СУЗ и обеспечить соответствие его международным нормам и требованиям.
Достоверность научных результатов определяется применением при решении поставленных задач апробированных методов анализа механических систем, в том числе метода конечных элементов, верификацией разработанных моделей, достаточной для практики сходимостью результатов численных расчетов с аналитическими решениями и с экспериментальными данными, полученными на базе сертифицированного испытательного центра ФГУП "НПП ВНИИЭМ".
Ценность научных работ соискателя заключается в развитии современных научных подходов в области расчетного и экспериментального анализа динамики конструкций, а именно:
- в проведении численного моделирования сложных конструкций, расчетов во временной и частотной области и их верификации на основе экспериментального определения динамических характеристик;
- в решении обратной задачи по формированию нестационарных процессов по заданным спектрам ответа.
Внедрение. Результаты работы были использованы для квалификации электрооборудования СУЗ, изготовленного ФГУП "НПП ВНИИЭМ" для ряда российских и зарубежных АЭС (АЭС "Тяньвань", "Куданкулам", энергоблоки Ростовской, Кольской, Калининской АЭС и др.)
Основные положения, полученные ично автором и выносимые на защиту.
- Методика формирования режимов испытаний электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость, позволяющая использовать в качестве исходных данных спектры ответа.
- Математические модели шкафов электрооборудования, учитывающие конструктивные особенности этих шкафов (крепежные элементы, несущий профиль сложного сечения, условия закрепления и др.)
- Алгоритм проведения квалификации электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость, позволяющий оптимально применить результаты расчетов, испытаний и разработанные методики.
- Структура базы данных, созданная на основе результатов расчетов и испытаний электрооборудования на сейсмостойкость, дающая возможность осуществить поиск прототипов оборудования, протоколов испытаний, и выполнить оценку предъявляемых к поставляемому оборудованию требований.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции MSC Software в 2005 и 2007 гг., а также на семинаре в НТ - ЯРБ 2010г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы, полученные в диссертации, опубликованы в 5 работах, объемом 3 п.л., в том числе: научных статей, опубликованных в изданиях по перечням ВАК - 5.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 158 страниц, включая 22 таблицы, 75 рисунков, список литературы из 112 наименований.
Основное содержание работы
Во введении показана актуальность темы диссертации и рассмотрено современное состояние задачи подтверждения сейсмостойкости электрооборудования АЭС.
В главе 1 приведен анализ нормативной базы по сейсмостойкости и методов квалификации электрооборудования. Рассмотрены способы задания требований и проведен анализ методов подтверждения сейсмостойкости.
В настоящее время на территории РФ в части сейсмостойкости действует несколько нормативных документов, регламентирующих процедуру подтверждения сейсмостойкости оборудования.
Для АЭС, введенных в эксплуатацию, используется ГОСТ 17516.1-90, который содержит информацию о требуемых спектрах ответа и режимах испытаний для всех строительных площадок и конструкций зданий АЭС в обобщенном виде.
Современной тенденцией является переход от обобщенных способов задания сейсмической информации к индивидуальным для каждой строящейся АЭС, такой подход используется в международном стандарте МЭК 60980 и российском НП-031-01. Режимы испытаний не задаются напрямую, а формируются на основе исходных спектров ответа с учетом ряда параметров: величина максимального ускорения, форма спектра ответа, демпфирование конструкции, продолжительность воздействия и др.
Проанализированы основные методы подтверждения сейсмостойкости - испытания, расчетно-экспериментальный, подтверждение сейсмостойкости на основе испытаний прототипов и расчетный (аналитический) метод.
Проведение испытаний подразумевает непосредственное воздействие на оборудование динамических нагрузок, эквивалентных сейсмическим. Могут использоваться различные методы испытаний - одночастотная, многочастотная и случайная вибрация, испытания на заданную акселерограмму. Испытания в настоящее время являются наиболее распространенным методом подтверждения сейсмостойкости, однако требуют наличия дорогостоящего испытательного оборудования и создания экспериментального образца.
Расчетный метод применяется в случае невозможности проведения испытаний. Создается математическая модель оборудования, после чего выполняются расчеты на заданные воздействия. Ограничением такого метода является невозможность расчета сложных электрических систем и проверки их функционирования.
Расчетно-экспериментальный метод является компромиссом между первыми двумя методами. В этом случае динамические параметры объекта (частоты и формы колебаний) определяются экспериментально, а расчетом определяется отклик конструкции при заданных воздействиях.
Отдельно стоит отметить метод подтверждения сейсмостойкости с использованием опыта предыдущей эксплуатации. Оборудование сходной конструкции и близкое по функциональному назначению, уже квалифицированное и находящееся в эксплуатации, можно считать прототипом нового оборудования. Квалификация на сейсмостойкость такого оборудования заключается в сравнительном анализе конструкции, особенностей функционирования и требований, предъявляемых к прототипу и поставляемому образцу.
Глава завершается постановкой задач исследования, результаты которых изложены в последующих разделах работы.
Вторая глава посвящена разработке методики формирования режимов испытаний электрооборудования СУЗ на сейсмостойкость на основании заданных спектров ответа.
Методика формирования режимов испытаний была создана с целью разработки процедуры подготовки режимов испытаний, их проведения и анализа результатов. Методика содержит следующие разделы:
- анализ требований, предъявляемых к оборудованию;
- формирование обобщенного спектра ответа, удовлетворяющего предъявленным требованиям;
- формирование режимов испытаний в специализированном ПО;
- контроль проведения испытаний;
- анализ результатов испытаний.
На основе заданных требований проводится формирование обобщенного спектра ответа, который фактически является огибающей для спектров ответа в различных направлениях, для разных помещений, а зачастую и для различных АЭС, на которые поставляется оборудование.
Необходимость обобщения спектров ответа обусловлена следующими причинами:
- поэтажные спектры ответа, выдаваемые проектной организацией, имеют большое количество точек и неоднородный состав;
- раздельные режимы испытаний вдоль каждой оси требуют строгого соблюдения ориентации оборудования при испытаниях и при установке на АЭС;
- необходимость соответствия режимов испытаний одновременно нескольким стандартам и требованиям, предъявляемым одновременно для нескольких АЭС.
Например, на рисунке 1 показан обобщенный спектр, удовлетворяющий, как заданным спектрам ответа по двум горизонтальным осям для Кольской АЭС, так и требованиям ГОСТ 17.516-90 до 8 баллов и 10 м над нулевой отметкой.
Рисунок 1 - Обобщенный спектр ответа.
Обобщенный спектр ответа является исходным для подготовки режимов испытаний оборудования. Для формирования режимов и оценки результатов испытаний оборудования на сейсмостойкость потребовалось решить две основные задачи:
- прямая задача - оценка соответствия результатов проведенных испытаний заданным требованиям, т.е. расчет спектра ответа на основе, записанной на вибростенде акселерограмме;
- обратная задача - формирование режимов испытаний с учетом возможностей испытательного оборудования на основе заданных проектировщиком поэтажных спектров ответа.
Если прямая задача имеет однозначное решение - для любого временного процесса можно построить спектр ответа, то решение обратной задачи можно получить, лишь для определенной формы испытательного воздействия. Для испытаний на сейсмостойкость был выбран метод воздействия гармонической вибрации с варьируемой амплитудой и плавным изменением частоты по логарифмическому закону. Преимуществом этого метода является сравнительно малое время испытаний (по сути, равное времени действия землетрясения), а также простота его реализации на имеющемся на предприятии испытательном оборудовании. Параметрами режима являются значения амплитуды ускорений на фиксированных частотах и скорость развертки по частоте.
Расчет спектра ответа основан на прямом интегрировании ряда дифференциальных уравнений колебаний осцилляторов, имеющих одну степень свободы и одинаковое демпфирование.
(1)
где uj - относительное перемещение j - го осциллятора;
a(t)Цвиброускорение основания;
- круговая частота j - го осциллятора;
fj - частота j - го осциллятора в Гц;
Цдемпфирование, отнесенное к критическому.
Коэффициент усиления на резонансной частоте (добротность) определяется по формуле
(2)
При нулевых начальных условиях решение (1) может быть представлено интегралом Дюамеля:
, (3)
где .
Интеграл (3) вычисляется численными методами с любой требуемой точностью.
В качестве нулевого приближения при определении режима испытаний используется известное соотношение теории вынужденных колебаний для одномассовой системы
, где
A0 - амплитуда гармонического воздействия на заданной частоте ,
Sa - амплитуда отклика одномассовой системы (значение заданного спектра ответа).
После построения нулевого приближения требуемого спектра воздействия для всех фиксированных частот перехода и использования линейной интерполяции решается прямая задача построения нулевого приближения для требуемого спектра ответа с учетом всех принятых ограничений (времени воздействия, диапазона частот и характера развертки по частоте). Затем полученное приближение сравнивается с заданным требуемым спектром ответа, определяются масштабные коэффициенты, и строится новое приближение для требуемого спектра воздействия. Указанная процедура повторяется некоторое количество раз до достижения заданной степени точности по принципу минимума среднеквадратичных отклонений.
Изложенный алгоритм расчета режимов испытаний был реализован в виде программы. Разработанное программное обеспечение существенно ускоряет процесс формирования режимов испытаний, имеет наглядный графический интерфейс (рисунок 2).
Программное обеспечение имеет следующие функции - расчет режима испытаний методом гармонической развертки по частоте на основе заданного спектра ответа и значения демпфирования конструкции, расчет спектра ответа по акселерограмме, записанной в процессе испытаний. А также предоставляет возможности сравнения и корректировки, как временных зависимостей, так и спектров ответа.
Рисунок 2 - Интерфейс программы расчета режимов испытаний на этапе расчета акселерограммы и спектра ответа.
В качестве верификационного примера был выбран случай задания акселерограммы в виде полусинусоидального импульса, аналитические результаты для которого известны. На рисунке 3 приведены результаты расчета по разработанной программе и данные, построенные в безразмерных осях - зависимость коэффициента динамичности от частоты осциллятора, отнесенной к частоте импульса. Сплошными линиями показаны результаты численного, а маркерами отмечены результаты аналитического расчета. Полученные результаты с достаточной степенью точности совпадают с приведенными в литературе.
Рисунок 3- Спектры ответа для полусинусоидального импульса.
По сформированным с помощью предлагаемой методики режимам были проведены испытания оборудования на сейсмические воздействия.
В соответствии с методикой в процессе испытаний проводилась запись ускорений в нескольких точках шкафа (рисунок 4а), по которым контролировались результаты испытаний. По акслелерограмме, записанной на столе вибростенда (рисунок 4б) был рассчитан испытательный спектр ответа, который был сравнен с обобщенным спектром ответа. Критерием соответствия исходным требованиям при этом являлось охватывание испытательным спектром ответа заданного с необходимым запасом (рисунок 4в).
б) | |
а) | в) |
Рисунок 4 - Места установки датчиков ускорения (а), акселерограмма со стенда (б) и сравнение испытательного и требуемого спектров ответа (в).
По результатам второй главы можно сделать следующие выводы:
- Разработана методика и программное обеспечение для формирования режимов испытаний по заданным спектрам ответа.
- Проведена верификация программного обеспечения, на основе сравнения расчетных спектров ответа для полусинусоидального импульса с аналитическим решением для аналогичного воздействия.
- С использованием разработанной методики сформированы режимы и проведены испытания электрооборудования СУЗ для ряда АЭС на заданные требования. Выполнен анализ результатов испытаний, и оценка соответствия заданным требованиям.
Третья глава посвящена численному моделированию шкафов электрооборудования СУЗ и их расчету на сейсмические воздействия с использованием метода конечных элементов. Рассмотрены вопросы разработки конечно-элементных моделей шкафов электрооборудования, их верификации и анализа результатов расчетов. Приведенные модели и расчеты реализованы в имеющемся во ВНИИЭМ программном комплексе MSC Patran/Nastran.
Математическое моделирование современных шкафов электрооборудования АЭС осложняется особенностями их конструкции, связанными большим количеством винтовых соединений с неконтролируемым моментом затяжки и сложностью определения параметров сечения несущих профилей с перфорацией. Поэтому жесткости элементов крепления конструкции шкафа, модуль упругости материала были уточнены в ходе экспериментов, результаты которых приведены в главе 2. В частности, было установлено, что важным моментом для создания достоверной модели является правильный учет жесткостей крепления элементов шкафа между собой и цоколя к основанию.
Математическое моделирование шкафа СУЗ проводится в следующей последовательности:
- Моделирование профиля несущей рамы каркаса, моделирование отдельных элементов каркаса (укосины, усилители).
- Моделирование полностью собранного каркаса шкафа с имитаторами блоков аппаратуры, проведение тестовых расчетов (верификация).
Жесткость рамы является определяющей в общей жесткости шкафа, поэтому важно достоверно определить ее параметры. С этой целью была поставлена тестовая задача по подбору эквивалентного балочного профиля рамы, соответствующего по жесткости реальному профилю с вырезами. Для этого проводилось сравнение резонансных частот для отрезка профиля длиной 2 метра для балочной и оболочечной модели с вырезами (рисунок 5).
Рисунок 5 - Поперечное сечение балочной модели (а) и оболочечная модель отрезка балки (б).
Для каждого варианта модели проводился расчет собственных частот. В результате удалось получить эквивалентную балочную модель, собственные частоты которой близки к оболочечной модели (таблица 4), что позволило использовать для дальнейшего моделирования балочные элементы и существенно понизить размерность модели.
Таблица 4 - Значения собственных частот для балочной и оболочечной моделей.
Номер собствен-ной частоты | Балочная модель, Гц | Оболочечная модель, Гц | Форма |
1 | 25.4 | 25.6 | Изгибная по оси Х |
2 | 69 | 70 | Изгибная по оси Х |
3 | 78 | 71 | Изгибная по У |
4 | 134 | 136 | Изгибная по Х |
С учетом уточненных параметров несущих элементов была создана конечно-элементная модель типового шкафа (рисунок 6).
Модель содержит несущие элементы каркаса, для которых заданы жесткостные характеристики сечений и погонная масса, и электронные блоки, для которых задаются масса, центр масс, моменты инерции. Модель состоит из балочных, оболочечных и solid элементов, и содержит 3478 узлов и 4276 элементов.
(а) | (б) |
Рисунок 6 - Конечно-элементная модель шкафа электрооборудования
Для оценки достоверности конечно-элементной модели проводилось сравнение результатов расчета на гармоническое воздействие с АЧХ, полученными при испытаниях (рисунки 7,8).
Рисунок 7 - Экспериментальная АЧХ.
Рисунок 8 - Расчетная АЧХ.
В таблице 5 приведено сравнение расчетных и полученных экспериментально значений низших резонансных частот шкафа по каждой из осей.
Таблица 5 - Сравнение расчетных и экспериментальных резонансных частот
Направление приложения ускорения задающего режима | Частота, Гц | |
Эксперимент | Расчет | |
X | 8.9 | 8.5 |
Y | 5.9 | 6.7 |
Z | 23.3 | 22.5 |
Анализ результатов сравнения (рисунки 7,8, таблица 5) показывает, что расчетные частоты совпадают с экспериментальными с приемлемой точностью, расчетные АЧХ имеют аналогичную экспериментальным частотный состав и уровни, однако имеют более сглаженную форму из-за принятых в модели геометрических допущений.
С использованием разработанной и верифицированной по результатам эксперимента модели шкафа были проведены расчеты отклика конструкции на сейсмические нагрузки. В зависимости от имеющихся данных и требуемых результатов выполнялись динамические расчеты неустановившихся колебаний интегрированием уравнений движения и расчеты линейно-спектральным методом.
При применении метода конечных элементов уравнение движения конструкции можно представить в следующем виде:
, (4)
где , и - соответственно, глобальные матрицы масс, демпфирования и жесткости,
- глобальный вектор нагрузки,
- векторы ускорений, скоростей и перемещений.
Система уравнений (4) может быть напрямую проинтегрирована с применением численных методов, например Рунге-Кутта, а может быть решена с помощью разложения по формам колебаний.
Во втором случае вводится преобразование координат
, (5)
где - матрица форм, составленная из столбцов ; - вектор перемещений в главных координатах.
Подставляя (5) в (4) и умножая на , получим
. (6)
В главных координатах матрицы жесткости и масс имеют диагональный вид
(7)
где - единичная матрица.
Предполагается, что матрица демпфирования пропорциональна матрице жесткости, тогда преобразование также приводит матрицу к диагональному виду
, (8)
где - коэффициент модального демпфирования для j-й формы.
С учетом (7) и (8) система уравнений (6) может быть записана в виде
. (9)
Таким образом, вместо системы связанных уравнений получили набор разделенных уравнений, аналогичных уравнению колебаний одномассовой системы (1), решение которых также может быть записано в виде интеграла (3).
При решении задачи методом неустановившихся колебаний, вектор нагрузки определяется как , где - ускорение основания.
Если сейсмическое воздействие задается спектрами ответа, т.е. кинематические нагрузки, действующие на конструкцию, даны в виде спектров максимальных значений ускорений, может быть использован линейно-спектральный метод.
При отсутствии демпфирования систему (9) можно переписать в виде
. (10)
Где - нормальная координата для r-й формы в k-м направлении; - коэффициент влияния r-й формы в k-м направлении; - ускорение основания.
Коэффициент влияния вычисляется как
, (11)
где N - количество узлов в модели; - сосредоточенная масса в i-м узле; -элемент матрицы собственных форм, соответствующий i-му узлу, r-й форме и k-му направлению.
Решение уравнений (10) можно записать в виде
(12)
где - спектр максимальных значений ускорений.
После этого по определенным перемещениям каждого конечного элемента определяются внутренние силовые факторы и напряжения для каждой формы колебаний и каждого направления воздействия.
Результирующие значения компонент векторов перемещений, скоростей, ускорений, силовых факторов, реакций в опорах, напряжений получаются вычислением квадратного корня из суммы квадратов соответствующих величин. В общем случае компоненты вектора оцениваются по формуле
, (13)
где - вычисляемое значение ускорения в i-м узле или элементе; - входной спектр ускорений для r-й формы в k-м направлении; - модальное ускорение в i-м узле. По аналогичным формулам суммируются отклики по формам и направлениям для перемещений, сил, напряжений и других величин.
Так как отклики конструкции на различных частотах не достигают одновременно максимума, формула (13) не определяет реальные величины перемещений и т.д., а имеет смысл оценки сверху.
Кроме перечисленных методов расчетов может быть выполнен и статический расчет, при этом сейсмическая нагрузка приводится к эквивалентной статической нагрузке с учетом коэффициентов динамичности конструкции.
Результаты расчета неустановившихся колебаний представляют собой временную зависимость ускорений в любой точке модели (рисунок 9).
Рисунок 9 - Ускорения в верхней точке шкафа.
Расчет с применением линейно-спектральной теории дает только одно значение в каждой точке модели, имеющее смысл максимального ускорения от всего воздействия. На рисунке 10 показано распределение максимальных ускорений по высоте шкафа в двух горизонтальных направлениях.
Рисунок 10 - Распределение ускорений по высоте шкафа.
По результатам, представленным в 3 главе, можно сделать следующие выводы:
- Создана конечно-элементная модель типового шкафа электрооборудования.
- Проведено подробное моделирование вертикального профиля каркаса, как основного несущего элемента. Подтверждена возможность применения балочных элементов для его моделирования.
- Проведена верификация модели по экспериментальной АЧХ и результатам расчета на гармоническую вибрацию.
- Выполнены расчеты ускорений конструкции шкафа в точках установки оборудования на сейсмическое воздействия двумя методами.
Четвертая глава посвящена разработке алгоритма квалификации и созданию структуры базы данных по результатам испытаний и расчетов электрооборудования АЭС.
Применяемые в России нормы и стандарты не всегда соответствуют международным требованиям. В основополагающем международном стандарте МЭК 60980 используется индивидуальный подход в части задания сейсмических требований к каждой конкретной АЭС, однако, он не имеет привязки к определенному виду квалификации, в нем даны только общие рекомендации по самой процедуре.
Для практического применения потребовалось разработать алгоритм проведения квалификации, который бы учитывал особенности поставляемого оборудования, возможности проведения расчетов и испытаний, результаты ранее проведенных испытаний, а так же накопленный опыт проектирования электрооборудования СУЗ. В результате был предложен алгоритм проведения квалификации оборудования на сейсмостойкость, схема которого приведена на рисунке 9.
Квалификация оборудования подразумевает проведение комплекса мер по подтверждению сейсмостойкости. Для этого могут использоваться различные средства - анализ прототипов, результаты типовых испытаний, опыт предыдущей эксплуатации или любое другое подтверждение того, что оборудование способно выполнять свои функции с необходимой точностью и сохранением требуемых характеристик.
В процессе проведения квалификации электрооборудования производится анализ конструкции и заданных требований. Если это принципиально новое оборудование (новый каркас, электронные блоки), то проводится полный цикл испытаний. В случае если оборудование имеет ранее испытанный прототип, то проводится квалификация расчетно-экспериментальным методом или по прототипам оборудования.
Квалификация расчетно-экспериментальным методом проводится и в случае, если поставляемое электрооборудование имеет незначительные отличия от прототипа, например, добавление новых блоков электроники или их замена.
Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма проведения квалификации оборудования АЭС.
Квалификация по прототипам проводится, если конструкция и элементная база поставляемого шкафа имеет испытанный аналог из предыдущей поставки. Основной задачей в этом случае является анализ предъявленных требований. Если заданные для прототипа требования более жесткие, чем для поставляемого шкафа, то делается заключение о сейсмостойкости, если более мягкие, то проводятся дополнительные испытания на требуемые воздействия.
Предлагаемый метод проведения квалификации электрооборудования СУЗ позволяет гибко оперировать имеющимися результатами испытаний предыдущих комплектов электрооборудования, использовать аналитические и расчетно-экспериментальные методы для сокращения сроков и объемов испытаний оборудования.
За годы разработки и производства электрооборудования СУЗ существенно увеличился объем накопленной информации. Для каждого прототипа оборудования СУЗ проводились испытания, по результатам которых были выпущены протоколы, содержащие режимы испытаний, результаты измерений собственных частот и проверки функционирования оборудования, и другие важные сведения. Учитывая, что документация, выпущенная в результате проведения испытаний, оформляется в бумажном виде, и представляет собой довольно большой массив данных, возникают очевидные трудности с оперативным доступом к нужной документации и своевременной оценкой и применением полученных данных. Так, например, по каждому шкафу электрооборудования, объем информации в пересчете на бумажные носители, составляет более 250-ти страниц числовых и графических данных. Это не только информация по испытаниям на сейсмостойкость, но и результаты вибропрочностных испытаний, испытаний на стойкость к климатическим факторам и электромагнитную совместимость.
Поэтому, была поставлена и решена задача создания базы данных (БД) по шкафам электрооборудования СУЗ, целью которой являлось обеспечение надежного хранения и быстрого доступа к результатам испытаний оборудования.
В части требований и результатов испытаний по сейсмостойкости, база данных имеет следующую информационную структуру.
- Общие сведения.
Тип шкафа.
Назначение.
АЭС на которые осуществлялась поставка.
- Требования по механическим воздействиям
Категория сейсмостойкости.
Группа механического исполнения по ГОСТ 17516.1-90.
Класс безопасности по ПНАЭ Г-01-011-97
- Требования по сейсмическим воздействиям.
Требуемые спектры ответа, высоты и помещения установки оборудования, значения демпфирования.
Сейсмичность строительной площадки, уровень установки оборудования, если требования заданы по ГОСТ.
- Методики испытаний на сейсмостойкость, режимы испытаний для оборудования.
- Результаты испытаний
Значения резонансных частот.
Результаты испытаний на сейсмостойкость.
Результаты испытаний на действие воздушной ударной волны (ВУВ) и падения самолета (ПС).
Результаты испытаний на вибропрочность и устойчивость к синусоидальной вибрации.
- Архив протоколов (номера, даты, объект испытаний, полный текст).
Снятие АЧХ.
Испытания на сейсмостойкость.
Испытания на воздействие ВУВ и ПС.
Испытания на вибропрочность и устойчивость к синусоидальной вибрации.
Структура БД и интерфейс доступа к данным для конечного пользователя позволили оптимально систематизировать накопленную информацию, обеспечить быстрый поиск требуемой документации по определенным критериям.
Таким образом, по результатам четвертой главы можно сделать следующие выводы:
- Разработан алгоритм проведения квалификации оборудования СУЗ.
- Создана структура базы данных по результатам квалификации оборудования, позволяющая использовать их для квалификации нового оборудования и для применения его на новых блоках АЭС.
- С использованием предложенного подхода проведена квалификация электрооборудования СУЗ для ряда АЭС.
Основные результаты и выводы
По результатам работы можно сделать следующие выводы:
- Разработана методика формирования режимов испытаний на сейсмостойкость по заданным спектрам ответа, на основе которой разработано программное обеспечение.
- Разработаны математические модели типовых шкафов электрооборудования, верифицированные по результатам экспериментальных данных, и проведены расчеты ускорений конструкции типового шкафа при сейсмическом воздействии.
- Разработан алгоритм квалификации оборудования, основанный на использовании прямых испытаний, расчетно-аналитических методов, результатов испытаний оборудования-прототипа, позволяющий минимизировать затраты на изготовление опытных образцов за счет сокращения объема прямых испытаний.
- Предложена структура базы данных для квалификации вновь создаваемого оборудования СУЗ, содержащая результаты расчетов и испытаний ранее квалифицированного оборудования.
- С использованием результатов настоящей работы проведена квалификация электрооборудования СУЗ более 20 энергоблоков российских и зарубежных АЭС.
Таким образом, в диссертационной работе содержится решение задачи квалификации электрооборудования СУЗ по критерию сейсмостойкости, имеющей существенное значение для атомной энергетики РФ и ряда зарубежных государств.
Список публикаций по теме диссертации
Статьи в изданиях по перечням ВАК:
- Анализ требований к испытаниям на сейсмостойкость оборудования АЭС. А.И. Горшков, Е.А. Канунникова, В.В. Каверин. АЭС// Тр. ВНИИЭМ. -2004, №101. - C. 53-57.
- Квалификация электрооборудования СУЗ АЭС в области сейсмостойкости с использованием расчетно-экспериментального метода. Каверин В.В., Геча В.Я., Канунникова Е.А. //Надежность -2008, №4. C.15-21.
- Каверин В.В., Абрамзон М.Л. База данных для проведения квалификации на сейсмостойкость электрооборудования системы управления защитой АЭС// В мире научных открытий-2010,№4(10) часть 13. ЦС.117-119
- Каверин В.В., Канунникова Е.А., Красова Н.А., Рузаков А.Ю. Применение расчетного метода для подтверждения сейсмостойкости оборудования // Тр. ВНИИЭМ 2011 г.
- Каверин В.В., Канунникова Е.А., Красова Н.А., Рузаков А.Ю., Применение расчетных и экспериментальных методов для определения динамических характеристик шкафа электрооборудования АЭС // Тр. ВНИИЭМ. -2010, №115. - C.27-32.
Доклады на конференциях:
- Расчетно-экспериментальное подтверждение сейсмостойкости электрооборудования АЭС. Горшков А.И., к.т.н., Каверин В.В., инженер. Международная конференция MSC. Software 2005 г.
- Уточнение математической модели шкафов электрооборудования АЭС по результатам эксперимента. Каверин В.В., инженер Международная конференция MSC. Software 2007 г.
- Квалификация электрооборудования системы управления защитой реактора ВВЭР-1000 по критерию сейсмостойкости на основе математического моделирования и анализа результатов испытаний. Семинар в НТ - ЯРБ 2010г.
Подписано к печати 5.11.2012 г.
Бумага офсетная формат 60х80/16
Усл. печ. л.1,75. Уч. изд. л. 1,65. Тираж 70экз. Зак.168.
Типография НПП ВНИИЭМ.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям