Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации
Выгородка реактора подвержена высоким дозам радиационного облучения, что при эксплуатации приводит к ее распуханию и формоизменению. Давление выгородки на шахту изнутри создает дополнительные напряжения в зоне контак та. Остаточные сварочные напряжения также могут существенно влиять на уровень напря...
Saved in:
| Date: | 2014 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Series: | Автоматическая сварка |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102716 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации / О.В. Махненко, Е.А. Великоиваненко, И.В. Мирзов // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 10-16. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102716 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1027162025-02-09T20:59:26Z Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации Redistribution of residual welding stresses inside the inner-body shaft of the reactor WWER-1000 in the process of service Махненко, О.В. Великоиваненко, Е.А. Мирзов, И.В. Научно-технический раздел Выгородка реактора подвержена высоким дозам радиационного облучения, что при эксплуатации приводит к ее распуханию и формоизменению. Давление выгородки на шахту изнутри создает дополнительные напряжения в зоне контак та. Остаточные сварочные напряжения также могут существенно влиять на уровень напряженного состояния стенки шахты, что необходимо учитывать при оценке работоспособности внутрикорпусного устройства при продлении срока эксплуатации реактора ВВЭР-1000. Таким образом, актуальной задачей является оценка напряженного состояния во внутрикорпусной шахте в области ее контакта с выгородкой, особенно если место контакта совпадает с зоной сварного соединения. Целью настоящей работы является изучение напряженного состояния в зоне сварных швов внутрикорпусной шахты реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации с учетом радиационного распухания и контактного взаимодействия выгородки и шахты. Задача решена методом конечных элементов в двухмерной постановке с применением современных математических моделей радиационного распухания и изменения механических свойств стали 08Х18Н10Т. Расчеты показывают, что влияние одних лишь температурных деформаций не вызывает высоких напряжений в стенке шахты. Степень перераспределения напряжений в стенке шахты за счет радиационного распухания зависит от остаточных сварочных напряжений. Наибольший вклад в напряженное состояние стенки внутрикорпусной шахты за 60 лет эксплуатации дают окружные и осевые напряжения, обусловленные контактным взаимодействием шахты с выгородкой. Напряжения в сварных швах внутрикорпусной шахты в конце продленного срока эксплуатации (60 лет) близки к значениям предела текучести облученного материала. Остаточные сварочные напряжения могут существенно влиять на уровень напряженного состояния стенки шахты, что следует учитывать при оценке работоспособности внутрикорпусного устройства при продлении срока эксплуатации реактора ВВЭР-1000. 2014 Article Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации / О.В. Махненко, Е.А. Великоиваненко, И.В. Мирзов // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 10-16. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102716 621.791:[621.311.25:621.039.577] ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Махненко, О.В. Великоиваненко, Е.А. Мирзов, И.В. Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации Автоматическая сварка |
| description |
Выгородка реактора подвержена высоким дозам радиационного облучения, что при эксплуатации приводит к ее распуханию и формоизменению. Давление выгородки на шахту изнутри создает дополнительные напряжения в зоне контак та. Остаточные сварочные напряжения также могут существенно влиять на уровень напряженного состояния стенки
шахты, что необходимо учитывать при оценке работоспособности внутрикорпусного устройства при продлении срока
эксплуатации реактора ВВЭР-1000. Таким образом, актуальной задачей является оценка напряженного состояния во
внутрикорпусной шахте в области ее контакта с выгородкой, особенно если место контакта совпадает с зоной сварного
соединения. Целью настоящей работы является изучение напряженного состояния в зоне сварных швов внутрикорпусной шахты реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации с учетом радиационного распухания и контактного взаимодействия выгородки и шахты. Задача решена методом конечных элементов в двухмерной постановке с применением
современных математических моделей радиационного распухания и изменения механических свойств стали 08Х18Н10Т.
Расчеты показывают, что влияние одних лишь температурных деформаций не вызывает высоких напряжений в стенке
шахты. Степень перераспределения напряжений в стенке шахты за счет радиационного распухания зависит от остаточных сварочных напряжений. Наибольший вклад в напряженное состояние стенки внутрикорпусной шахты за 60 лет
эксплуатации дают окружные и осевые напряжения, обусловленные контактным взаимодействием шахты с выгородкой. Напряжения в сварных швах внутрикорпусной шахты в конце продленного срока эксплуатации (60 лет) близки к
значениям предела текучести облученного материала. Остаточные сварочные напряжения могут существенно влиять
на уровень напряженного состояния стенки шахты, что следует учитывать при оценке работоспособности внутрикорпусного устройства при продлении срока эксплуатации реактора ВВЭР-1000. |
| format |
Article |
| author |
Махненко, О.В. Великоиваненко, Е.А. Мирзов, И.В. |
| author_facet |
Махненко, О.В. Великоиваненко, Е.А. Мирзов, И.В. |
| author_sort |
Махненко, О.В. |
| title |
Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации |
| title_short |
Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации |
| title_full |
Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации |
| title_fullStr |
Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации |
| title_full_unstemmed |
Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации |
| title_sort |
перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ввэр-1000 в процессе эксплуатации |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102716 |
| citation_txt |
Перераспределение остаточных сварочных напряжений во внутрикорпусной шахте реактора ВВЭР-1000 в процессе эксплуатации / О.В. Махненко, Е.А. Великоиваненко, И.В. Мирзов // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 10-16. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT mahnenkoov pereraspredelenieostatočnyhsvaročnyhnaprâženiivovnutrikorpusnoišahtereaktoravvér1000vprocesseékspluatacii AT velikoivanenkoea pereraspredelenieostatočnyhsvaročnyhnaprâženiivovnutrikorpusnoišahtereaktoravvér1000vprocesseékspluatacii AT mirzoviv pereraspredelenieostatočnyhsvaročnyhnaprâženiivovnutrikorpusnoišahtereaktoravvér1000vprocesseékspluatacii AT mahnenkoov redistributionofresidualweldingstressesinsidetheinnerbodyshaftofthereactorwwer1000intheprocessofservice AT velikoivanenkoea redistributionofresidualweldingstressesinsidetheinnerbodyshaftofthereactorwwer1000intheprocessofservice AT mirzoviv redistributionofresidualweldingstressesinsidetheinnerbodyshaftofthereactorwwer1000intheprocessofservice |
| first_indexed |
2025-11-30T16:54:43Z |
| last_indexed |
2025-11-30T16:54:43Z |
| _version_ |
1850235091822837760 |
| fulltext |
10 11/2014
УДК 621.791:[621.311.25:621.039.577]
перераспреДеление остаточных сВарочных
напряжений Во ВнУтриКорпУсной шахте реаКтора
ВВэр-1000 В процессе эКсплУатации
О. В. МАХНЕНКО, Е. А. ВЕЛИКОИВАНЕНКО, И. В. МИРЗОВ
иэс им. е. о. патона нанУ. 03680, г. Киев, ул. боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Выгородка реактора подвержена высоким дозам радиационного облучения, что при эксплуатации приводит к ее распу-
ханию и формоизменению. Давление выгородки на шахту изнутри создает дополнительные напряжения в зоне контак-
та. остаточные сварочные напряжения также могут существенно влиять на уровень напряженного состояния стенки
шахты, что необходимо учитывать при оценке работоспособности внутрикорпусного устройства при продлении срока
эксплуатации реактора ВВэр-1000. таким образом, актуальной задачей является оценка напряженного состояния во
внутрикорпусной шахте в области ее контакта с выгородкой, особенно если место контакта совпадает с зоной сварного
соединения. целью настоящей работы является изучение напряженного состояния в зоне сварных швов внутрикорпус-
ной шахты реактора ВВэр-1000 в процессе эксплуатации с учетом радиационного распухания и контактного взаимо-
действия выгородки и шахты. Задача решена методом конечных элементов в двухмерной постановке с применением
современных математических моделей радиационного распухания и изменения механических свойств стали 08х18н10т.
расчеты показывают, что влияние одних лишь температурных деформаций не вызывает высоких напряжений в стенке
шахты. степень перераспределения напряжений в стенке шахты за счет радиационного распухания зависит от оста-
точных сварочных напряжений. наибольший вклад в напряженное состояние стенки внутрикорпусной шахты за 60 лет
эксплуатации дают окружные и осевые напряжения, обусловленные контактным взаимодействием шахты с выгород-
кой. напряжения в сварных швах внутрикорпусной шахты в конце продленного срока эксплуатации (60 лет) близки к
значениям предела текучести облученного материала. остаточные сварочные напряжения могут существенно влиять
на уровень напряженного состояния стенки шахты, что следует учитывать при оценке работоспособности внутрикор-
пусного устройства при продлении срока эксплуатации реактора ВВэр-1000. библиогр. 4, табл. 2, рис. 9.
К л ю ч е в ы е с л о в а : внутрикорпусная шахта, реактор ВВЭР-1000, внутрикорпусное устройство, остаточные
сварочные напряжения, радиационное облучение, 08Х18Н10Т, продление ресурса
Внутрикорпусная шахта реактора ВВэр-1000 яв-
ляется сварной конструкцией цилиндрической
формы и изготавливается из аустенитной стали
08х18н10т. расположение шахты в корпусе реак-
тора и ее чертеж приведены на рис. 1. на уровне
установки выгородки активной зоны внутрикор-
пусная шахта имеет внешний радиус 1805 мм и
толщину стенки 60 мм.
Выгородка реактора подвержена высоким дозам
радиационного облучения, что в процессе эксплу-
атации приводит к ее распуханию и формоизмене-
нию. В исходном состоянии зазор между кольцами
выгородки и шахтой составляет 2,5 мм. по резуль-
татам расчетов [1] не исключается контакт выго-
родки и внутрикорпусной шахты в процессе экс-
плуатации. Давление выгородки на шахту изнутри
приводит к возникновению дополнительных на-
пряжений в зоне контакта. остаточные сварочные
напряжения также могут существенно влиять на
уровень напряженного состояния стенки шахты,
что следует учитывать при оценке работоспособ-
ности внутрикорпусного устройства (ВКУ) при
продлении срока эксплуатации реактора ВВэр-
1000. таким образом, актуальной задачей являет-
ся оценка напряженного состояния во внутрикор-
пусной шахте в области ее контакта с выгородкой,
особенно если место контакта совпадает с зоной
сварного соединения. стоит заметить, что радиа-
ционному распуханию подвержена также стенка
© о. В. махненко, е. а. Великоиваненко, и. В. мирзов, 2014
рис. 1. расположение внутрикорпусной шахты в устройстве
реактора ВВэр-1000 (а) и ее чертеж (б)
1111/2014
шахты, однако повреждающая доза в ней на поря-
док ниже, чем в выгородке.
целью настоящей работы является изучение
напряженного состояния в зоне сварных швов
внутрикорпусной шахты реактора ВВэр-1000 в про-
цессе эксплуатации с учетом радиационного распу-
хания и контактного взаимодействия выгородки и
шахты.
первоначально эта проблема была изучена в [2].
В настоящей работе усовершенствованы математи-
ческие модели радиационного распухания и механи-
ческих свойств материала ВКУ, уточнены значения
объемных тепловыделений и повреждающей дозы
в шахте, разработана численная модель расчета на-
пряженно-деформированного состояния при кон-
такте выгородки и шахты, а также смоделированы
остаточные сварочные напряжения в сварных швах
внутрикорпусной шахты.
Методика исследований. Для достижения по-
ставленной цели был решен ряд задач. Вначале
рассмотрена свободная шахта без учета ее контак-
та с выгородкой, чтобы понять, каким образом на
ее напряженное состояние влияют эксплуатаци-
онные температурные поля и радиационное рас-
пухание. Во второй задаче учитывается контакт с
выгородкой. следующие две задачи аналогичны
первым, но в них рассмотрена шахта с остаточ-
ными сварочными напряжениями, которые имеют
упрощенное распределение.
решение этих задач дает понимание того, как
перераспределяются остаточные сварочные на-
пряжения в шахте и каким образом они сумми-
руются с напряжениями от контактного взаимо-
действия выгородки и шахты. последняя задача
включает весь опыт предыдущих задач, но в шах-
те уже рассмотрены реальные поля остаточных
сварочных напряжений, полученные в ходе от-
дельного численного расчета.
Все задачи решены методом конечных элемен-
тов в двухмерной постановке в условии обобщен-
ной плоской деформации. материал ВКУ — сталь
08х18н10т. использована модель идеальной пла-
стичности. Задача оценки напряженно-деформи-
рованного состояния в условиях радиационной
ползучести с распуханием решена с пересчетом на-
пряжений и деформаций на каждом шаге прослежи-
вания. при контакте не учтен теплообмен между вы-
городкой и шахтой, их контактное взаимодействие
оказывает влияние на напряженное состояние как
шахты, так и выгородки, оба ВКУ моделируются од-
новременно с начальным зазором 2,5 мм. Внутрен-
нее давление в корпусе реактора 16 мпа.
торможение тяжелых частиц в металле ВКУ
вызывает подогрев материала. мощность объем-
ных тепловыделений в шахте меняется линейно от
5,0 (на внутренней поверхности) до 0,5 Вт/см3 (на
внешней). скорость набора повреждающей дозы в
шахте также меняется линейно от 0,2 (на внутрен-
ней поверхности) до 0,02 сна/год (на внешней).
теплофизические свойства стали 08х18н10т,
приведенные в табл. 1, применимы как для основ-
ного металла, так и для металла сварного шва. Ко-
эффициент пуассона ν = 0,3.
механические свойства основного металла
стали 08х18н10т и сварных швов зависят от тем-
пературы и дозы облучения и описаны в [3]. ниже
приведена модель, описывающая изменение меха-
нических свойств стали 08х18н10т в зависимо-
сти от температуры и повреждающей дозы.
предел текучести основного металла
( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )( )
( ) ( ) ( )( )
( ) ( )( )
0,2
0,2
0 *
0,2 0,2
0,2 * * *
0,2 0,2
0 3
0,2
* 0
0,2 0,2 0,2
*
* 3
0,2
*
0,2
, , ,
,
, ,
155 239exp 2,22 10 273 (
,
1 exp
,
1 exp
650 1405exp 5,9 10 273 ( )
ò
ò
ÌÏà),
ÌÏà ,
T T D D D
T D
T D D D
T T
T D T T
C D
C D
T T
−
s
s
−
s + ∆s <s =
s + ∆s ≥
s = + − ⋅ +
∆s = s − s ×
− −
×
− −
s = + − ⋅ +
∆s ( )
0,2
0,2 0,2
0,2
0,2
*
* 1
1 exp 1 exp ,
7 , 0,126 ,
621 .
ñíà ñíà
ÌÏà
D A
C D C D
D C
A
s
s s
−
s
s
= ×
× − − − − −
= =
=
Т а б л и ц а 1 . Теплофизические свойства стали
08Х18Н10Т [1]
T, °C E, Гпа at,
10–6 К–1
l,
Вт·м−1·K−1
cp,
Дж·кг−1·K−1
r,
кг/м3
20 205 16,2 16,6 478 7900
100 200 16,6 17,2 495 7862
200 190 17,0 18,0 516 7821
300 180 17,4 18,7 537 7778
400 170 17,8 19,4 558 7732
500 165 18,2 20,1 579 7684
600 160 18,5 20,8 600 7634
Т а б л и ц а 2 . Температура теплоносителя и коэффициен-
ты теплопередачи для различных поверхностей шахты [1]
поверхность
шахты
температура на
поверхности, °с
Коэффициент теплопе-
редачи, Вт/(м²·К)
наружная 291,7 15900
Внутренняя 320 39017
12 11/2014
предел текучести металла сварного шва
( ) ( ) ( )
( ) ( )( )
( ) ( )
0
0,2 0,2
0 3
0,2
, (
255 420 exp 2, 22 10 273 (
498 1 exp 0,3 (
ÌÏà),
ÌÏà),
ÌÏà).
YG
YG
T D T D
T T
D D
−
s = s + ∆s
s = + − ⋅ +
∆s = − −
предел прочности основного металла
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
0
0 3
, ( )
350 247exp 6,6 10 ( ),
483 1 exp 0,11 ( )
â â â
â
â
ÌÏà ,
ÌÏà
ÌÏà .
T D T D
T T
D D
−
s
s =
s = + ∆s
+ − ⋅
∆s = − −
предел прочности металла сварного шва
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
0
0 3
, (
439 222exp 9,74 10 (
440 1 exp 0,25 (
â â â
â
â
ÌÏà),
ÌÏà),
ÌÏà).
T D T D
T T
D D
−
s
s =
s = + ∆s
+ − ⋅
∆s = − −
Для нахождения стационарной температуры в
стенке внутрикорпусной шахты решалась темпе-
ратурная задача с граничными условиями треть-
его рода. температура теплоносителя и значения
коэффициентов теплопередачи для различных по-
верхностей шахты приведены в табл. 2.
численный расчет объемных деформаций рас-
пухания проводили в соответствии с [4]. эта мате-
матическая модель учитывает зависимость распу-
хания от радиационной дозы, температуры, вида
напряженного состояния, значений напряжений и
радиационной ползучести. ниже приведены ос-
новные соотношения и параметры этой модели:
2
0 max
1
3
6 1 3 1
0
,0 0
1
00 1 3
3
0,
0,
( ) exp ( ( ) ),
( ) 1 8 10 (0,85 0,15
(æ) exp ( æ);
10 2,95 10
0,
( ) ( ) (æ) , 0;
),
1,035
ñíà , ÌÏà ,
m eq
c
eq c c
eq eq eq t
n
tD i m
D
d
dS
f T r T T
f
f
B
d dD dSBdt dt dt
dS C nD f T f f dD Sdt
C
− − − −
=
−
=
−
>
>
= − −
s = + ⋅ s + s
= −η
ω = ⋅
ε = + ω s ε ε =
= s =
=
= ⋅ 4
4 2
3 1
max
10 , 1,88,
1,825 10 ( ) ,
470 , 4 10 , 8,75,
ñíà
C
Ñ ÌÏà
n n
r
T P
− −
− −
− −
=
= ⋅
= = ⋅ η =
где S — распухание; D — повреждающая доза;
σm — средние напряжения; æ — параметр од-
квиста.
поля остаточных сварочных напряжений в шах-
те получены расчетным методом с применением па-
кета WeldPredictions, разработанного сотрудниками
иэс им. е. о. патона нан Украины. проведено
моделирование продольного многопроходного свар-
ного соединения (шесть проходов) цилиндрической
обечайки с внутренним диаметром Dвн = 3490 мм,
толщиной δ = 60 мм с разделкой 30° для следую-
щего режима: I = 200 A, U = 17 В, νсв = 3 мм/с (по-
гонная энергия Qп = 850 Дж/мм, коэффициент эф-
фективности 0,75). Краевую задачу определения
кинетики напряженно-деформированного состоя-
ния решали в цилиндрической системе координат
методом конечных элементов (размер элемента
1×1 мм) путем последовательного прослеживания
рис. 2. остаточные сварочные напряжения в шахте реактора ВВэр-1000 в цилиндрической системе координат: а — σrr; б —
σββ; в — σzz; г — σrβ
рис. 3. интенсивность напряжений (в мпа) в продольном
сварном шве в шахте в исходном состоянии: а — упрощен-
ная задача; б — смоделированные остаточные сварочные
напряжения
1311/2014
упругопластических деформаций от начала сварки
первого прохода до остывания после шестого про-
хода с учетом условия текучести мизеса. резуль-
таты расчета полей остаточных напряжений при-
ведены на рис. 2.
В данном исследовании рассмотрен вертикаль-
ный сварной шов, находящийся из-за консерва-
тивных предположений в области контакта выго-
родки и шахты (см. рис. 3).
остаточные сварочные напряжения для упро-
щенных задач содержат лишь осевую компоненту.
напряжение в шахте падает от 270 до 0 мпа при
удалении по окружной координате от центра боль-
шого канала выгородки (см. рис. 3, а).
Результаты и обсуждение. поле объемных
деформаций распухания выгородки после 60 лет
эксплуатации реактора показано на рис. 4. Вслед-
ствие неравномерного распухания выгородка де-
формируется в радиальном направлении. ра-
диальные перемещения максимальны в районе
большого канала. эта же область воздействует на
внутрикорпусную шахту при ее соприкосновении
с выгородкой.
распределение температуры по толщине стен-
ки шахты в режиме нормальной эксплуатации
(нэ) реактора для задач 1–5 показано на рис. 5.
шахта разогревается за счет торможения тяже-
лых частиц в металле, внутренняя и наружная по-
верхности шахты охлаждаются водой, поэтому
максимум температуры находится внутри стенки
и составляет 306 °с. температура на внутренней
и внешней поверхностях примерно одинакова и
равна 290 °с. предел текучести материала свар-
ного шва в шахте под действием радиационно-
го облучения за 60 лет эксплуатации установил-
ся на уровне 850 (на внутренней поверхности)
и 500 мпа (на внешней) и меняется линейно по
толщине. Внутрикорпусная шахта имеет форму
цилиндра, поэтому напряженно-деформированное
состояние ВКУ рассмотрим в цилиндрической си-
стеме координат, ось которой сонаправлена с осью
шахты.
1. Свободная шахта: нагрев, облучение, ох-
лаждение. неравномерный прогрев обусловли-
вает возникновение напряжений в стенке шах-
ты. Качественное перераспределение окружных
и осевых напряжений похожи, поэтому приве-
дем только осевые напряжения в течение эксплу-
атации (рис. 6). радиальные напряжения пример-
но постоянны по толщине стенки и составляют
16 мпа, что обусловлено внутренним давлением
в реакторе.
так как температура на внутренней и внешней
поверхностях стенки шахты ниже, чем во вну-
тренней области, напряжения на поверхностях
растягивающие (рис. 6, кривая 2), внутри стенки
наблюдается сжатие. радиационное облучение в
процессе эксплуатации реактора вызывает распу-
хание материала на внутренней поверхности стен-
ки шахты (~0,01 %), что снижает растягивающие
напряжения в этой области (рис. 6, кривые 3, 4).
из условия равновесия растягивающие напряже-
ния на внешней поверхности незначительно уве-
личиваются. остановка реактора в конце срока
эксплуатации снимает температурные деформа-
ции, однако перераспределение напряжений, вы-
званных радиационным распуханием материала,
остается (рис. 6, кривая 5).
рис. 4. поле объемных деформаций распухания выгородки
после 60 лет эксплуатации реактора. расчет проведен с уче-
том радиационной ползучести [4]
рис. 5. распределение температуры по толщине стенки шах-
ты в режиме нэ реактора
рис. 6. перераспределение осевых напряжений по толщине
стенки шахты реактора в процессе эксплуатации: здесь и да-
лее 1 — исходное состояние; 2 — выход на режим нэ; 3, 4 —
после 30 и 60 лет облучения соответственно; 5 — остановка
реактора после 60 лет
14 11/2014
таким образом, радиационное распухание ма-
териала стенки шахты вызывает снижение напря-
жений на внутренней поверхности на 10 мпа, что
из условия равновесия сопровождается их незна-
чительным ростом на внешней поверхности стен-
ки шахты. температурные деформации в стенке
шахты вызывают напряжения на уровне ±30 мпа.
2. Контакт шахты с выгородкой: нагрев, об-
лучение, охлаждение. Выгородка под действием
радиационного облучения распухает, что приво-
дит к ее формоизменению и контакту с шахтой на
25-м году эксплуатации (в «горячем» состоянии).
на рис. 7 показано перераспределение окружных
и осевых напряжений в шахте реактора в процес-
се эксплуатации с учетом контакта с выгород-
кой. Значения напряжений снимались по толщине
стенки шахты в области соприкосновения с выго-
родкой. Кривые 3–5 на рис. 7 показывают, что дав-
ление выгородки на стенку шахты изнутри спо-
собствует возникновению сжимающих окружных
и осевых напряжений на внутренней поверхности,
а также росту растягивающих окружных и осевых
напряжений на наружной поверхности шахты.
Давление выгородки на шахту не вызывает зна-
чительного роста радиальных напряжений. сжи-
мающие и растягивающие окружные напряжения
намного больше, чем соответствующие осевые,
и после 60 лет эксплуатации реактора достигают
–280 мпа (сжатие) на внутренней поверхности
шахты и +340 мпа (растяжение) — на внешней.
В то же время осевые напряжения на внутренней
поверхности стенки шахты составляют –110, на
внешней — +100 мпа.
3. Упрощенное сварное соединение. Свободная
шахта: нагрев, облучение, охлаждение. чтобы
понять, каким образом перераспределяются сжи-
мающие и растягивающие остаточные сварочные
напряжения в шахте в процессе эксплуатации ре-
актора, были решены две задачи, в которых оста-
точные сварочные напряжения в упрощенных
швах имели различные знаки. перераспределе-
ние упрощенных остаточных сварочных напряже-
ний в шахте реактора при эксплуатации показано
на рис. 8. снижение (релаксация) растягивающих
осевых остаточных сварочных напряжений на
рис. 8, а при эксплуатации реактора объясняет-
ся радиационным распуханием материала вблизи
внутренней поверхности стенки шахты. по этой
же причине сжимающие осевые остаточные сва-
рочные напряжения растут по абсолютной вели-
чине (рис. 8, б). В этой задаче степень влияния де-
формаций распухания на напряжения значительно
рис. 7. перераспределение окружных (а) и осевых (б) напряжений по толщине стенки шахты реактора в процессе эксплуата-
ции с учетом контакта с выгородкой
рис. 8. перераспределение упрощенных остаточных сварочных напряжений по толщине стенки шахты реактора в процессе
эксплуатации: а — растягивающие; б — сжимающие осевые напряжения
1511/2014
выше, чем в случае отсутствия сварного соедине-
ния в стенке шахты (задача № 1). это объясняет-
ся зависимостью распухания от напряженного со-
стояния. За 60 лет в стенке шахты растягивающие
осевые напряжения снизились на 125 мпа на вну-
тренней и на 60 мпа на внешней поверхности. В
то же время сжимающие осевые напряжения вы-
росли на 85 мпа на внутренней поверхности и
уменьшились на 20 мпа на внешней поверхности
шахты.
4. Упрощенное сварное соединение. Контакт
шахты с выгородкой: нагрев, облучение, охлажде-
ние. Как и в задаче № 3, рассмотрим перераспре-
деление растягивающих (рис. 9, а) и сжимающих
(рис. 9, б) упрощенных остаточных сварочных
напряжений в шахте при эксплуатации реакто-
ра. В этой задаче учитываем контактное взаимо-
действие внутрикорпусной шахты с выгородкой.
фактически данная задача является суперпози-
цией задач № 2, 3 и изменение напряженного со-
стояния можно оценить исходя из их решения. на
внутренней поверхности растягивающие осевые
напряжения (рис. 9, а) снижаются в результате
радиационного распухания и давления выгород-
ки на 125 + 110 = 235 мпа, на внешней поверх-
ности шахты растут на –60 + 100 = 40 мпа. на
внутренней поверхности сжимающие осевые на-
пряжения (рис. 9, б) увеличиваются из-за радиа-
ционного распухания и давления выгородки на
85+110 = 195 мпа, на внешней поверхности шах-
ты снижаются на 20 + 100 = 120 мпа.
5. Контакт с выгородкой: нагрев, облучение,
охлаждение. Картина напряжений в сварном
шве. перераспределение смоделированных оста-
точных сварочных окружных и осевых напряже-
ний в шахте реактора в процессе эксплуатации
показано на рис. 10. Учтен контакт с выгородкой.
после 60 лет эксплуатации реактора максималь-
ные напряжения в сварном шве внутрикорпусной
шахты — окружные и осевые, что обусловлено
давлением выгородки. их распределения приведе-
ны на рис. 11.
Как и в задачах № 2 и 4, давление выгородки
на шахту способствует росту сжимающих окруж-
ных и осевых напряжений на внутренней по-
верхности шахты и растягивающих окружных и
осевых напряжений — на внешней поверхности
(рис. 10).
окружные напряжения в зоне сварного шва до-
стигают значений (440 мпа, рис. 11, а), близких к
пределу текучести облученного материала стенки
шахты.
рис. 9. перераспределение упрощенных остаточных сварочных напряжений по толщине стенки шахты реактора в процессе
эксплуатации с учетом давления выгородки: а — растягивающие; б — сжимающие осевые напряжения
рис. 10. перераспределение окружных (а) и осевых (б) напряжений в зоне упрощенного сварного шва внутрикорпусной шах-
ты реактора в процессе эксплуатации с учетом контакта с выгородкой
16 11/2014
Выводы
1. при выходе на режим нэ реактора в результате
температурных деформаций в стенке шахты воз-
никают напряжения на уровне ±30 мпа.
2. радиационное распухание без учета остаточ-
ных сварочных напряжений за 60 лет эксплуата-
ции вызывает изменение напряжений в пределах
±10 мпа.
3. В зоне сварных соединений стенки шахты
перераспределение напряжений за счет радиаци-
онного распухания зависит от уровня остаточных
сварочных напряжений. снижение остаточных
растягивающих напряжений может достигать
125 мпа.
4. наибольший вклад в напряженное состояние
стенки внутрикорпусной шахты за 60 лет эксплуа-
тации может вносить контактное взаимодействие
шахты с выгородкой (до 340 мпа).
5. окружные напряжения в зоне сварных
швов внутрикорпусной шахты в конце продлен-
ного срока эксплуатации (60 лет) с учетом оста-
точных сварочных напряжений и контакта с вы-
городкой могут достигать высоких значений
(440 мпа), близких к пределу текучести облучен-
ного материала.
6. остаточные сварочные напряжения могут
существенно влиять на уровень напряженного со-
стояния стенки шахты, что необходимо учитывать
при оценке работоспособности ВКУ при продле-
нии срока эксплуатации реактора ВВэр-1000.
1. Махненко О. В., Мирзов И. В. исследование напряжен-
но-деформированного состояния сварных конструкций
из аустенитной стали в условиях радиационного облуче-
ния // автомат. сварка. – 2013. – № 1. – с. 7–12.
2. Сварные конструкции из аустенитной стали типа
10х18н10т в условиях радиационного распухания /
В. и. махненко, о. В. махненко, с. с. Козлитина и др. //
там же. – 2012. – № 2. – с. 7–12.
3. Влияние нейтронного облучения на механические свой-
ства материалов внутрикорпусных устройств реакторов
типа ВВэр / а. а. сорокин, б. З. марголин, и. п. Кур-
севич и др. // Вопр. материаловедения. – 2011. – № 2. –
с. 131–151.
4. Марголин Б. З., Мурашова А. И., Неустроев В. С. ана-
лиз влияния вида напряженного состояния на радиаци-
онное распухание и радиационную ползучесть аустенит-
ных сталей // пробл. прочности. – 2012. – № 3. – с. 5–24.
поступила в редакцию 13.02.2014
рис. 11. распределение окружных (а) и осевых (б) напряже-
ний (в мпа) в зоне сварного шва внутрикорпусной шахты
реактора в конце продленного срока эксплуатации (60 лет) с
учетом контакта с выгородкой
15-Й МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕМИНАР
«СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И РЕМОНТА
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НА ТРАНСПОРТЕ»
23–27 февраля 2015 г. Свалява, Карпаты, Украина
Организатор: Всеукраинская общественная организация
Ассоциация технологов-машиностроителей Украины
Тематика семинара
• Современные тенденции развития технологии машиностроения
• Подготовка производства как основа создания конкурентоспособной продукции
• Совершенствование технологий механической и физико-технической обработки в машино-
и приборостроении
• Упрочняющие технологии и покрытия
• Современные технологии и оборудование в сборочном и сварочном производстве
• Ремонт и восстановление деталей машин в промышленности и на транспорте, оборудование
для изготовления, ремонта и восстановления
• Технологическое управление качеством и эксплуатационными свойствами изделий
04074, г. Киев, ул. автозаводская, 2. атм Украины
тел./факс +38044 430 85 00, www.atmu.net.ua, www.atmu.org.ua
E-mail: atmu@ism.kiev.ua, kopeykina@voliacable.com
|