РД 95 10547-99

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

РУКОВОДСТВО ПО ПРИМЕНЕНИЮ КОНЦЕПЦИИ БЕЗОПАСНОСТИ "ТЕЧЬ ПЕРЕД РАЗРУШЕНИЕМ" К ТРУБОПРОВОДАМ АЭУ

Р-ТПР-01-99  

Первый заместитель министра Л.Д.Рябев "19" II 1999 г.

Руководитель департамента министерства Российской Федерации по атомной энергии Н.И.Ермаков "19" 02 1999 г.

Предназначено для организаций и предприятий, осуществляющих проектирование, конструирование, изготовление, монтаж и эксплуатацию оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (АЭУ) с водо-водяными и водографитовыми реакторами (АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК, АТЭЦ, ACT, АСПТ, исследовательские и опытные реакторы и установки), на которые распространяются "Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок" /ПНАЭ Г-7-008-89/.

Содержит необходимые предпосылки и основные положения для обоснования и реализации концепции течь перед разрушением (ТПР) применительно к трубопроводам и тонкостенным компонентам границ давления вновь проектируемых и действующих АЭУ.

Включает перечень требуемых исходных данных, порядок и методы проведения расчетов с использованием различных процедур, базирующихся на методах механики разрушения и термогидравлическом анализе.

Положения руководства по расчетному анализу постулируемых трещин методами механики разрушения допускается применять для обоснования целостности границ давления иных АЭУ, например, БН и РУ малой мощности.

РАЗРАБОТАНО: Инженерным Центром Прочности, Надежности и Ресурса Оборудования Атомной Техники Минатома России (ИЦП МАЭ) с участием НИКИЭТ и Инженерного центра диагностики (ИЦД НИКИЭТ).

ИСПОЛНИТЕЛИ: В.А.Киселев (ИЦП МАЭ), Е.Ю.Ривкин (НИКИЭТ), Ю.В.Королев (ИЦД НИКИЭТ).

ВНЕСЕНО: ИЦП МАЭ (директор С.В.Европин).

СОГЛАСОВАНО: ОКБ "Гидропресс" (факс исх. N 10-42/5051 от 31.12.98), ОКБМ (письмо исх. N 33-1320 от 08.12.98), ВНИИАЭС (письмо N 913-15/172 от 03.02.99), РНЦ "Курчатовский институт" (письмо исх. N 33-08/13 от 04.02.99), НТЦ ГАН (письмо исх. N 300-04/128 от 05.02.99).

ОДОБРЕНО: Госатомнадзором России: письмо N 7-35/176 от 25.02.99 г.

     1 ВВЕДЕНИЕ

Действующие до настоящего времени в Российской Федерации нормативно-технические документы регламентируют проектирование АЭУ с водо-водяными и водографитовыми реакторами (АЭС, АТЭЦ, АСТ, АСПТ, исследовательские и опытные реакторы и установки) таким образом, чтобы обеспечивался безопасный останов реактора в случае разрыва трубопроводов первого и второго контуров охлаждения любого сечения вплоть до мгновенного разрыва трубопровода максимального диаметра (авария типа LOCA). Этот постулат для трубопроводов главного контура первоначально использовался при проектировании защитной оболочки и оценке способности систем аварийного охлаждения реактора (САОР), а также при определении доз облучения. Такое гипотетическое событие постулированного гильотинного разрыва с двухсторонним истечением теплоносителя (DEGB) для систем трубопроводов с высокой запасенной энергией (температура >100°С и/или внутреннее давление >2 МРа) затем было распространено для обеспечения защиты от собственных динамических воздействий на все связанные с безопасностью конструкции, системы и компоненты. Чтобы удовлетворить этим целям, применяемые защитные меры включают физическое разделение оборудования, конструкций и компонентов от постулируемых мест разрывов, а также дополнительно дорогостоящие конструкционные средства, такие как опоры-ограничители от биений трубопровода в результате его разрыва и защитные экраны от действия реактивных сил, когда физическое разделение невозможно.

В то же время имеющийся опыт эксплуатации и расчетно-экспериментальные исследования показывают, что для трубопроводов с высокой запасенной энергией, изготовленных из вязких материалов и имеющих высокое сопротивление нестабильному росту трещин, вероятность гипотетического гильотинного разрушения крайне мала даже при тяжелых аварийных нагрузках. Мгновенному катастрофическому разрушению всегда предшествует устойчивый докритический рост трещины. Это обстоятельство позволяет либо обнаружить трещину при периодическом контроле металла задолго до того, как она станет сквозной, либо обнаружить течь системой контроля течей прежде, чем сквозная трещина, через которую истекает теплоноситель, могла бы достигнуть критической длины. В результате становится возможным своевременно обнаружить дефектное сечение трубы, безопасно остановить реактор, провести последующий ремонт или замену трубы и тем самым исключить внезапный разрыв трубопровода. В этом состоит концепция "течь перед разрушением" (ТПР) или "концепция предотвращения разрыва".

Концепция ТПР имеет важное значение при рассмотрении безопасности АЭУ. В последние несколько лет методология ТПР получила широкое распространение во всем мире в качестве технически оправданного подхода для исключения постулируемого гильотинного разрыва в трубопроводах с высокой запасенной энергией. Для применения концепции ТПР в настоящее время в основном используются два независимых подхода, базирующиеся на американской процедуре NUREG-1061 и немецкой процедуре Siemens. Концепция ТПР применяется главным образом к высоконагруженным трубопроводам большого диаметра (Ду>=150 мм) главных контуров охлаждения как действующих, так и вновь проектируемых АЭУ с реакторами типа PWR и BWR. В принципе, методология ТПР может быть применена к трубопроводам меньших диаметров и масштабным компонентам, например, тонкостенным сосудам давления (коллектора, парогенераторы и др.), изготовленным из вязких материалов, чтобы продемонстрировать дополнительную уверенность в структурной целостности и конструкционной надежности барьеров безопасности в комбинации с выполнением всесторонней программы эксплуатационного контроля и оценкой ее результатов.

Общая методология ТПР базируется на следующих основных и дополнительных технических принципах:

A. Принцип высокого качества, обеспечиваемый оптимальным проектированием и конструированием, выбором высококачественных материалов, консервативным ограничением напряжений, применением оптимальных технологий производства, изготовления и монтажа, предэксплуатационного контроля, знанием аварийных условий (например, LOCA), анализом параметров рабочей среды;

B. Принцип контролируемой эксплуатации, достигаемый за счет квалификации обслуживающего персонала, учета опыта предшествующей эксплуатации, мониторинга эксплуатационных параметров, условий и аварийных контролируемых нагрузок, переходных режимов, компонентов, течи, выполнения программ обслуживания при эксплуатации и квалифицированного контроля металла;

с) Принцип граничных условий нагружения, достигаемый в результате рассмотрения всего возможного спектра эксплуатационных нагрузок и механизмов трещинообразования по отношению к проектным режимам нагружения;

d) Принцип контролируемых механизмов разрушения, достигаемый за счет применения аттестованных программ и верифицированных методов механики разрушения, а также путем выполнения экспериментальных исследований, включая полномасштабные испытания на разрушение.

Применение концепции ТПР на действующих российских энергоблоках, в частности для проектов 1-го поколения, может рассматриваться как одна из компенсирующих мер по обеспечению целостности границ давления трубопроводов главных контуров охлаждения АЭУ, которые должны продемонстрировать и подтвердить возможность дальнейшей эксплуатации АЭУ на стадии лицензирования. Обеспечение целостности границ давления выражает общий подход, сформулированный при разработке основных принципов безопасности, которые состоят в приоритете мер по предотвращению аварий по сравнению с мерами по устранению последствий аварии. Для трубопроводов групп А и В это существенный аргумент, гарантирующий, что условия ТПР превалируют и таким образом катастрофического разрушения можно избежать.

Целью данного руководства является определение общих требований, предпосылок и процедур для применения концепции ТПР к находящемуся под давлением оборудованию и трубопроводам как действующих, так и вновь проектируемых легко-водных АЭУ, на которые распространяются действующие "Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-008-89".

Руководство содержит основные постулаты концепции ТПР, отражает международные подходы и накопленный в России и за рубежом опыт по практическому применению методологии ТПР к системам трубопроводов АЭУ. Приводится список технических документов и публикаций, использованных при разработке данного документа. В тексте даются ссылки на основные российские и зарубежные документы.

Трубопроводные системы групп А и В являются наиболее пригодными для применения концепции ТПР, но кандидатные системы трубопроводов должны быть тщательно проанализированы, и в результате показано, что они не подвержены разрушению за счет потенциальных механизмов трещинообразования, которые могли бы неблагоприятно повлиять на точную оценку дефектов и нагрузок. Методология ТПР не применяется к системам, в которых дополнительные специфические нагрузки, например, гидравлический удар, стратификация или любые значительные деградационные механизмы, например, эрозия-коррозия, усталость, ползучесть, охрупчивание, могут вызвать их растрескивание или разрушение. Поэтому проектный базис и опыт эксплуатации рассматриваемых компонентов должны быть проанализированы. Специфический анализ блока, дополненный опытом эксплуатации аналогичных систем на других схожих АЭУ, должен показать, что эти явления являются маловероятными в течение всего срока службы.

Для тех систем, которые потенциально квалифицируются для применения концепции ТПР, должен быть выполнен анализ входных параметров по условиям нагружения компонентов, свойствам материалов и возможности обнаружения течи. В тех местах каждой анализируемой системы, которые имеют наименее благоприятную комбинацию свойств материала и напряжений, постулируется сквозная трещина, размер которой должен быть достаточным для того, чтобы результирующая течь могла бы быть обнаружена установленной системой контроля течей. На заключительной стадии выполняется анализ механики разрушения, который должен продемонстрировать, что постулируемая сквозная трещина не вызовет разрушения рассматриваемого компонента, даже если динамическая (например, сейсмическая) нагрузка будет приложена прежде, чем эта трещина будет обнаружена и отремонтирована.

Тем не менее, имеются различия между применением технологии ТПР к действующим АЭУ и проектам новых станций. Для действующего блока расчетное обоснование ТПР выполняется для существующей конфигурации трубопроводов с действующими нагрузками, тогда как для новой установки анализ должен быть применен на стадии проектирования таким образом, чтобы обеспечить до стадии конструирования приемлемость конфигурации системы трубопроводов по отношению к концепции ТПР.

Удовлетворение положений настоящего руководства не отменяет действующих требований к системам безопасности и не означает, что можно отказаться от таких средств защиты, как защитные оболочки, системы аварийного охлаждения активной зоны реактора, системы локализации аварий и т.п.

Внедрение концепции безопасности ТПР позволяет отказаться от необходимости разработки и установки дополнительных опор, ограничителей биений труб, защитных экранов и других массивных и дорогостоящих устройств, требуемых для компенсации последствий внезапного гильотинного разрушения (действие реактивных струй, биение и соударение труб, летящие осколки и т.п.), что создает проблемы при конструировании, усложняет проведение инспекционного эксплуатационного контроля (ISI) и обслуживание оборудования, увеличивает радиационные дозы, связанные с этими процедурами. Таким образом, если течь в трубе может быть обнаружена задолго до того, как внезапный разрыв может иметь место, это приводит к тому, что многочисленные опоры ограничителей биений труб и защитные экраны становятся просто не нужными, и тем самым становится возможным снизить затраты, необходимые для реконструкции действующих или конструирования новых АЭУ, а также ставить вопрос о пересмотре регламента и программы эксплуатационного контроля металла в сторону его снижения. В то же время концепция ТПР не является приемлемой в качестве замены для DEGB при проектировании САОР, защитных оболочек и других проектных систем безопасности.

     2 ОБОЗНАЧЕНИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Анализ по механике разрушения: расчет, который связывает значения напряжений в окрестности вершины трещины, возникающих от действия напряжений в конструкции, с размером трещины, которая могла бы вызвать разрушение или определяет площадь раскрытия трещины.

Анализ стабильности трещины: определение предельных условий, при которых приложенная нагрузка к компоненту с трещиной не вызывает нестабильного распространения трещины.

Анализ чувствительности: расчетная оценка влияния входных параметров (свойств материала, напряженного состояния, морфологических параметров трещины и др.) на коэффициенты запаса.

Архивный материал: части металла, вырезанные из компонента во время сборки, которые не были подвержены эксплуатационным нагрузкам и воздействию среды.

Валидация: процедура, предназначенная для проверки точности выбранных расчетных методов с использованием других апробированных методов или экспериментов.

Верификация: обоснование консерватизма расчетных моделей, методов и программ, применяемых в технических анализах, посредством проведения различных проверочных процедур, таких как экспериментальные исследования на полномасштабных моделях и натурных компонентах, типовые испытания, или путем сравнения результатов расчета с результатами экспериментально обоснованных круговых тестовых вычислений (benchmark-расчеты).

Вязкость: способность материала пластически деформироваться перед разрушением.

Динамический анализ: анализ условий стабильности компонента с трещиной при динамическом воздействии.

Динамическое воздействие: воздействие, связанное с ударными силами, обусловленными внешними и внутренними условиями, землетрясением, вибрацией и др.

Комплексная трещина: трещина неправильной формы с большим размером по внутренней поверхности компонента, которая может выходить на наружную поверхность локально, образуя сквозную трещину.

Компонент: элементы оборудования и трубопроводов АЭУ, выполненные в форме целого изделия, которые выполняют определенные эксплуатационные функции.

Концепция ТПР: концепция, означающая, что проектирование и выбор материалов гарантируют невозможность полного разрушения компонента со сквозной трещиной без предварительного существования стабильной течи, которая может быть заблаговременно обнаружена до того момента, когда трещина достигнет критического значения по условиям нестабильности.

Коэффициент запаса ТПР: коэффициент безопасности, учитывающий неопределенности в свойствах материала, описании постулированного дефекта, условиях нагружения, обнаружении течи и расчетных методах.

Критическая зона: область сварных швов трубопроводов или компонента, характеризуемая наихудшим сочетанием максимальных напряжений и наименьших свойств материалов.

Методология ТПР: технически установленный подход, позволяющий исключить из проектного базиса рассмотрение динамических эффектов от постулируемого гильотинного разрушения в системах трубопроводов с высокой запасенной энергией.

Начальный дефект: одиночный поверхностный дефект в критической зоне компонента, размер которого устанавливается из обработки результатов неразрушающего контроля металла.

Оборудование: сосуды давления (парогенератор, барабан-сепаратор, коллектор, корпус насоса, корпус регулирующих и запорных задвижек и другие элементы), находящиеся под действием внутреннего давления во время эксплуатации АЭУ.