Расчетно-экспериментальное исследование повышения вибрационной и сейсмической стойкости тепломеханического оборудования АЭС с реактором ВВЭР : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.03

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………….. 5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
ИССЛЕДОВАНИЯ …………………………………………………………………………………… 12
1.1 Влияние вибраций в трубопроводах энергетических объектов на
стойкость, ресурс и надежность эксплуатации АЭС ………………………………….. 12
1.2 Теоретические аспекты вибрационного воздействия на оборудование в
энергетических установках ………………………………………………………………………. 14
1.3 Характеристические параметры для колебательного состояния
трубопровода …………………………………………………………………………………………… 17
1.4 Управление характеристиками возбуждающих сил (свободные
колебания и собственная частота) …………………………………………………………….. 18
1.5 Резонансные характеристики трубопровода и оборудований АЭС
(Вынужденные колебания) ……………………………………………………………………….. 20
1.6 Колебания труб, обтекаемых двухфазным потоком…………………………….. 23
1.7 Пристеночные пульсации давления при двухфазных потоках …………….. 25
1.8 Механизмы возникновения вибрации сейсмических нагрузок …………….. 27
1.9 Постановка задач исследования …………………………………………………………. 30

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
УСТАНОВКИ И АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ …………………………………………. 31
2.1 Методы исследования колебаний на экспериментальной установке ……. 31
2.2 Способы снижения колебаний трубопроводов при пульсирующих
характеристиках потока теплоносителя…………………………………………………….. 37
2.3 Методы и типы устройств для снижения вибраций в трубопроводах
энергетических систем……………………………………………………………………………… 38
2.3.1 Внешние методы снижения вибрации трубопроводов ………………………. 38
2.3.2 Внутренние методы снижения вибрации трубопроводов …………………. 40
2.4 Экспериментальный вибродиагностический стенд для исследований
эффективности разрабатываемых устройств …………………………………………….. 42
2.5 Экспериментальная установка с лазерным «ножом» для визуализации
и исследований изменений параметров течения потока после прохождения
вставок-завихрителей……………………………………………………………………………….. 48
2.6 Экспериментальная установка для исследований поведения перегретой
жидкости при низкочастотном ударном воздействии (в большом объеме и
узком канале) …………………………………………………………………………………………… 51
2.7 Методика проведения исследований и определение погрешностей при
измерении температур ……………………………………………………………………………… 55
2.8 Анализ погрешностей при определении показателей эффективности
завихрителей (снижение виброускорений, виброскорости и
виброперемещений трубопроводов) …………………………………………………………. 56

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНЫЙ ПРОГНОЗ УРОВНЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ
ОПАСНОСТИ В РЕСПУБЛИКЕ БАНГЛАДЕШ……………………………………….. 60
3.1 Сейсмическая ситуация в регионе Республики Бангладеш …………………… 60
3.2 Анализ сейсмической ситуации в районе строящейся АЭС “Руппур”
(Республика Бангладеш) …………………………………………………………………………… 61
3.3 Методика оценки сейсмического воздействия на объект ……………………… 64
3.4 Исторические данные и результаты прогнозного расчета
потенциальных уровней землетрясений ……………………………………………………. 66

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ГИДРОДИНАМИКИ И ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ 2-Х
ФАЗНОМ (СНАРЯДНОМ) ТЕЧЕНИИ ……………………………………………………… 72
4.1 Анализ параметров виброхарактеристик трубопровода при
использовании завихрителей эвольвентного типа……………………………………… 72
4.2 Расчет гидравлического сопротивления завихрителей …………………………. 75
4.3 Результаты исследований эффективности пассивных завихрителей …….. 77
4.4 Исследование вставок-завихрителей на экспериментальных стендах ….. 78
4.5 Анализ собственных частот трубопроводных участков с помощью
программы «Удар», встроенной в виброанализатор СД-12М …………………….. 83
4.6 Расчет частот собственных колебаний на различных участках
трубопровода …………………………………………………………………………………………… 85
4.7 PIV-Метод лазерной велосимметрии для определения эффективности
закрутки потока различными типами завихрителей ………………………………….. 95
4.8 Возможности программного обеспечения для исследований с
использованием PIV-метода……………………………………………………………………… 97

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ ВСКИПАНИЯ ПЕРЕГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ
В ОБЪЕМЕ И УЗКОМ КАНАЛЕ ……………………………………………………………. 101
5.1 Вводный обзор процесса перегрева и кавитации ……………………………….. 101
5.2 Результаты экспериментов с перегретой жидкостью в объеме …………… 104
5.3 Исследование вскипания перегретой жидкости в узком канале ………….. 106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 109
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ ………………………………………………… 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………….. 114
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ ВОДО-
ВОЗДУШНОГО ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКОГО СТЕНДА …………………… 128

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ ГЛАДКОЙ ТРУБЫ И ЭВОЛЬВЕНТНЫХ
ЗАВИХРИТЕЛЕЙ…………………………………………………………………………………… 141

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ СКЗ ДЛЯ ГЛАДКОЙ
ТРУБЫ И ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЗАВИХРИТЕЛЕЙ ……………………………………. 143

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ПАССИВНОГО
УСТРОЙСТВА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ В ТРУБОПРОВОДАХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ……………………………………………… 148

В процессе проведения экспериментов были сделаны следующие выводы и
получены результаты:

1. Сооружение АЭС «Руппур» – единственный способ радикального
улучшения энергообеспечения Бангладеш в короткие сроки для наиболее
сильного из потенциальных и близко расположенных очагов
землетрясений (Мадупур), где интенсивность сейсмического воздействия
на площадке АЭС не превышает 8 баллов по шкале MSK 64.
2. Анализ сейсмической ситуации для вопросов безопасности относительно
планируемой площадки проекта атомной электростанции в Бангладеш
продемонстрировал, что наибольшие воздействия на площадку размещения
АЭС находятся в диапазоне периодов колебаний грунта от 0,1 до 10 сек, с
пиками ускорений в диапазоне от 0,8- 2 сек; скоростей от 2 до 3 сек;
перемещений от 2 до 8, что свидетельствует о потенциально опасном
низкочастотном характере воздействия на расположенные на площадке
объекты.
3. Разработаны и внедрены 4 экспериментальных стенда для исследования
воздействия низкочастотных колебаний (имитация землетрясения) на
состояние трубопроводов энергетического оборудования.

 вибродиагностический стенд;
 лазерный стенд цифровой трассерной визуализации- PIV Метод;
 экспериментальный стенд исследования влияния низкочастотного
воздействия на процесс вскипания теплоносителя в объеме;
 экспериментальный стенд исследований поведения перегретой
жидкости в узком канале.

4. Впервые исследованы спектры виброхарактеристик (виброперемещения
виброускорения, виброскорости) трубопроводов при различных режимах
течения двухфазного потока с использованием разных типов завихрителей.
Получены результаты, характеризующие эффект использования
завихрителей в трубопроводах с двухфазным течением: снижение
виброперемещения до 25-40% при среднеквадратичной ошибке 15%.
5. С помощью лазерного сканирования (PIV-метод) получены распределения
скоростей в прямолинейных и различных поворотных участках
трубопровода, определены условия вихреобразования и возникновения
градиента давлений на внешние и внутренние стенки в поворотных
участках, что дает возможность верификации расчетных моделей при
решении задачи пассивного управления (снижения) виброперемещения
трубопроводов энергетического оборудования и повышения надежности и
безопасности эксплуатации его в целом.
6. Экспериментальные исследования показали, что низкочастотные ударные
воздействия ведут к интенсивному кавитационному вскипанию
перегретого теплоносителя (воды), причем уровень перегрева зависит от
размера каналов, содержащих жидкость.
7. В результате температурных измерений перегретой жидкости во время
экспериментов, направленных на определение воздействия ударов на
процесс вскипания показано, что при отсутствии циркуляции
теплоносителя максимальный перегрев соответствовал температуре 108 °С
(на 8 градусов выше температуры кипения), а для исследований вскипания
перегретой жидкости в узком канале соответствовал температуре 103°С (на
3 градуса выше температуры кипения). В обоих случаях низкочастотные
воздействия (потенциальные землетрясения) приводили к снижению
температуры вскипания теплоносителя, что характеризует возрастание
опасности в случае землетрясения и требует применения дополнительных
устройств для снижения виброперемещений оборудования и
трубопроводов.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования.
Дальнейшие исследования предполагают масштабирование полученных
результатов, для чего необходимо проведение экспериментальных работ по
изучению влияния внутренней геометрии завихрителей при различных диаметрах
трубопровода (от 10 до 800 мм), а также длин участков завихряющих устройств (от
200 до 1000 мм). Полученные результаты позволят получить математические
зависимости для изготовления оптимальных конструкций вставок-завихрителей и
и унифицировать их применение в различных отраслях (энергетической,
химической, пищевой и др.). с целью повышения надежности трубопроводов и
безопасности объектов в целом.
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЭС – атомная электростанция
ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор с водой под давлением
БРОУ – быстродействующая редукционно-охлаждающая установка
КИП – контрольно–измерительные приборы
ПВД – подогреватель высокого давления
ППР – планово-предупредительный ремонт
СПП – сепаратор-пароперегреватель
К.П.Д – коэффициент полезного действия
КИУМ – коэффициент использования установленной мощности
ТЭС – тепловая электростанция
РБМК– Реактор большой мощности канальный
ВВЭР– Водо-водяной энергетический реактор
ТВЭЛ–Тепловыделяющий элемент
ЧС – чрезвычайная ситуация
ЯЭУ – ядерная энергетическая установка
СКЗ – среднеквадратическое значение
РАЭС – АЭС «Руппур»
PGA – peak ground acceleration (пиковое ускорение грунта)
МАГАТЭ – международное агентство по атомной энергии
МРЗ – максимальное расчетное землетрясение
ПЗ-проектное землетрясение
МSK – шкала Медведева-Шпонхойера-Карника
EMS – европейская макросейсмическая шкала
ТВС -тепловыделяющая сборка
СУЗ-система управления и защиты
РУ-реакторная установка
PIV- particle image velocimetry (анемометрия по изображениям частиц)
Кон – конгломератный режим
П – пузырьковый режим
С – снарядный режим
Пек – пенистокольцевой режим
Пес – пенистоснарядный режим
К – кольцевой (дисперсно-кольцевой) режим
Д – дисперсный режим
Эк – эмульсионно-кольцевой режим
Сэм – снарядно-эмульсионный режим
Э – эмульсионный режим
Пе – пенистый режим