ПЕТЛЯ ЦИРКУЛЯЦИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ПЕРВОГО КОНТУРА РЕАКТОРНОЙ УСТАНОВКИ ТИПА ВВЭР-1000

Полезная модель относится к области использования атомной энергетики, в частности, к петле циркуляции теплоносителя и ее систем, первого контура реакторной установки типа ВВЭР-1000.
Современная реакторная установка (РУ) типа ВВЭР-1000 имеет четыре петли циркуляции теплоносителя первого контура, в каждой из которых установлен парогенератор типа ПГВ-1000 и главный циркуляционный насос (ГЦН). Петля циркуляции теплоносителя первого контура РУ состоит из двух частей. Первая часть это горячий циркуляционный трубопровод (ГЦТ), соединяющий РУ с парогенератором, и вторая часть - это холодный циркуляционный трубопровод, по которому из парогенератора теплоноситель первого контура откачивается высокооборотным ГЦН в реактор. Функцией каждой петли циркуляции РУ является беспрепятственная транспортировка теплоносителя первого контура из реактора через парогенератор и ГЦН обратно в реактор. Основной функцией парогенератора является выработка сухого насыщенного пара за счет тепла, переносимого в парогенератор из активной зоны ядерного реактора теплоносителем первого контура. РУ, парогенератор и ГЦН соединяются между собой сварным соединением трубопроводом, имеющим внутренний диаметр 850 мм (Ду850). Причем РУ соединяется с парогенератором ГЦТ, имеющий вертикальный гиб трубы радиусом 1340 мм. Работа систем первых контуров реакторной установки связана с перекачкой огромных масс горячей воды по ГЦТ с большой скоростью через парогенераторы и ГЦН. Под напором горячей воды первого контура происходит тепловое расширение и вибрация всех систем первого контура. На все гибы трубопроводов и сварные соединения петли циркуляции первого контура оказывается огромное давление теплоносителем при высокой температуре, которые могут, а порой и приводят к недопустимым повреждениям до образования сквозных трещин. К таким недопустимым повреждениям, в последние годы, прибавился дефект в виде разрыва сварного соединения №111, соединяющий патрубок горячего коллектора диаметром 1435 мм с верхним краем малого коллектора, который последовательно своим нижним краем сварным швом соединен с ГЦТ. Причин, объясняющих этот дефект, высказано много, от значительных статических и накладывающихся на них циклических механических и термических напряжений до непроектных режимов эксплуатации парогенератора. Разрыв сварного соединения №111, также как и все эти недопустимые повреждения, проявляющиеся на работающем оборудовании, приводят к останову реактора. Но, к сожалению, ни одного конструктивного предложения по уменьшению вибраций и тепловых перемещений, как отдельных систем первого контура, так и петли циркуляции теплоносителя, со стороны конструкторов и изготовителей парогенераторов до настоящего времени не предложено. Дело ограничивается только технологией ремонта, не более того.
Из уровня техники известна ядерная энергетическая установка с реактором ВВЭР-1000, включающая четыре циркуляционные петли теплоносителя (Безопасность ядерных энергетических установок: Учебное пособие для вузов по специальности «Атомные электростанции и установки» / О.Б. Самойлов, Г.Б. Усынин, А.М. Бахметьев. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г., всего - 280 стр., релев. - стр. 205-214), принятая за прототип. Каждая петля циркуляции теплоносителя первого контура реакторной установки включает реактор, парогенератор с горячим и холодным коллекторами, горячий циркуляционный трубопровод с одним гибом, соединяющий реактор и горячий коллектор парогенератора, главный циркуляционный насос, выходной трубопровод с двумя гибами, соединяющий холодный коллектор парогенератора и главный циркуляционный насос, и холодный циркуляционный трубопровод, соединяющий главный циркуляционный насос и реактор. При этом горячий коллектор парогенератора соединен с горячим циркуляционным трубопроводом через малый коллектор.
Недостатками прототипа являются большие механические нагрузки, вызванные тепловыми удлинениями, перемещениями и вибрацией систем первого контура.
На эксплуатируемых в нашей стране блоках атомных электростанций (АЭС) типа ВВЭР-1000 с первых лет работы парогенераторов проявляются недопустимые повреждения (до образования сквозных трещин, зафиксированные во всех случаях на холодных коллекторах). Дефекты отмечены в перфорированной зоне коллекторов, где пластические свойства металла при рабочих нагрузках и высокой температуре снижаются вдвое. Теплообменные трубки (ТОТ), около 11000 шт., из-за неудовлетворительного водно-химического режима со временем подвергаются деградации, также с проявлением недопустимых повреждений. Останов реакторной установки из-за дефектов в сварных соединениях первого контура приносит большие экономические потери не только от стоимости ремонта, но и от огромных потерь от недовыработки электроэнергии.
При выходе реактора на мощность, за счет высокой температуры теплоносителя первого контура, происходит нагревание конструкций всех систем первого контура. Так, например, датчики линейных перемещений диагностической системы, закрепленные на корпусе парогенератора и в ответственных местах трубопроводов и ГЦН, регистрируют тепловые перемещения парогенератора за счет собственного теплового расширения и теплового удлинения циркуляционных трубопроводов на 7 см относительно корпуса реактора своим ближним концом, а своим дальним концом перемещение до 5,5 см. Датчики вибраций регистрируют существенные колебания трубопроводов, парогенератора и ГЦН. Именно по этой причине парогенератор и ГЦН опираются на роликовые опоры. При вибрациях и тепловых перемещениях систем первого контура оказывается существенное механическое воздействие на все сварные соединения трубопроводов первого контура, в том числе и на известное проблемное сварное соединение №111.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение механических нагрузок на сварные соединения трубопроводов циркуляции первого контура, в частности, уменьшение вибрации и тепловых перемещений систем первого контура, приводящих к недопустимым повреждениям, а также уменьшение высоты и веса бетонных колон, на которые устанавливается парогенератор.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что петля циркуляции теплоносителя первого контура реакторной установки типа ВВЭР-1000 включает реактор, парогенератор с горячим и холодным коллекторами, горячий циркуляционный трубопровод с одним гибом, соединяющий реактор и горячий коллектор парогенератора, главный циркуляционный насос, выходной трубопровод с двумя гибами, соединяющий холодный коллектор парогенератора и главный циркуляционный насос, и холодный циркуляционный трубопровод, соединяющий главный циркуляционный насос и реактор. При этом горячий коллектор парогенератора соединен с горячим циркуляционным трубопроводом через малый коллектор. Длина горячего циркуляционного трубопровода от нижнего края малого коллектора до гиба горячего циркуляционного трубопровода не превышает 0,25 м, а длина холодного циркуляционного трубопровода выполнена соответственно длине горячего циркуляционного трубопровода.
Полезная модель иллюстрируется тремя конструкторскими чертежами, представленными фиг. 1, фиг. 2. и фиг. 3.
На фиг. 1 представлена петля циркуляции первого контура реактора штатного (проектного) исполнения, где 1 - реактор, 2 - парогенератор ПГВ-1000М (У), 3 - главный циркуляционный насос (ГЦН), 4 - горячий коллектор парогенератора, 5 - холодный коллектор парогенератора, 6 - горячий циркуляционный трубопровод (ГЦТ), 7 - холодный циркуляционный трубопровод (ХЦТ), 8 - сварной шов приварки малого коллектора парогенератора к ГЦТ, 9 - гиб ГЦТ, 10 - сварное соединение №111, 13 - выходной циркуляционный трубопровод. На фиг. 2 представлена петля циркуляции первого контура реактора с укороченной верхней частью ГЦТ (6) после гиба (9) и укороченным выходным трубопроводом (13) холодного коллектора (5). На фиг. 3 представлен малый коллектор (И), где 6 - ГЦТ, 8 - сварной шов нижнего края малого коллектора (11) с ГЦТ (6), 10 - сварное соединение №111 верхнего края малого коллектора (11) с патрубком (12) горячего коллектора.
Особо нужно отметить форму, место положения и назначение малого коллектора (11). Малый коллектор (11) выполнен бокалообразной формы, его верхняя часть выполнена в виде широкого цилиндра, средняя часть в виде конфузора (т.е. участка проточного канала в виде суживающейся трубы круглого сечения), и нижняя часть в виде узкого цилиндра. Внешний диаметр верхнего края составляет 1335 мм, внешний диаметр нижнего края - 990 мм, внутренний диаметр нижнего края - 850 мм. Высота малого коллектора (11) составляет 525 мм, из которых его нижняя часть (узкий цилиндр с внутренним диаметром 850 мм) имеет длину 75 мм. Малый коллектор располагается между патрубком (12) горячего коллектора и ГЦТ (6), и представляет собой ответственный конструктивный элемент, предназначенный для соединения патрубка (12) горячего коллектора диаметром 1335 мм сварным соединением (10) №111 с верхним краем малого коллектора (11) и своим нижним краем малого коллектора сварным швом (8) с ГЦТ (6) внутренним диаметром 850 мм.
Ядерная паропроизводящая установка энергетического блока атомной электростанции включает водо-водяной энергетический реактор ВВЭР-1000 (1) и четыре самостоятельные циркуляционные петли первого контура (на фиг. 1, 2 показана одна петля). Каждая петля циркуляции первого контура содержит парогенератор (2) с горячим (4) и холодным (5) коллекторами, главный циркуляционный насос (3), горячий (6), холодный (7) циркуляционные трубопроводы и выходной циркуляционный трубопровод (13), а также малый коллектор (11), обеспечивающий переход патрубка (12) горячего коллектора (4) через сварное соединение №111 (10) к ГЦТ (6) диаметром 990 мм (внутренний диаметр 850 мм). Реактор (1) соединен с горячим коллектором (4) парогенератора (2) с помощью горячего циркуляционного трубопровода (6) с одним гибом (9), при этом позицией (8) обозначен сварной шов приварки малого коллектора парогенератора (2) к ГЦТ (6), а позицией (10) - сварное соединение №111 приварки малого коллектора к патрубку (12) корпуса горячего коллектора (4) парогенератора (2). Холодный коллектор (5) парогенератора (2) соединен с главным циркуляционным насосом (3) с помощью выходного циркуляционного трубопровода (13) с двумя гибами. Главный циркуляционный насос (3) соединен с реактором (1) с помощью холодного циркуляционного трубопровода (7). Таким образом, в петле циркуляции теплоносителя присутствуют три гиба, радиус которых 1340 мм.
Полезная модель осуществляется следующим образом.
2
Теплоноситель из активной зоны реактора (1) по горячему циркуляционному трубопроводу (6) поступает в парогенератор (2) через малый коллектор (11) и горячий коллектор (4). Проходя по теплообменным трубкам, теплоноситель выпаривает поступающую в парогенератор из специального ввода воду второго контура, охлаждается и выдавливается в холодный коллектор (5) парогенератора, проходит по выходному циркуляционному трубопроводу (13), и посредством главного циркуляционного насоса (3) возвращается в реактор (1) по холодному циркуляционному трубопроводу (7). Общий расход теплоносителя в первом контуре составляет 19000 кг/с, рабочее давление теплоносителя в 160 кгс/см при скорости потока 10 м/сек. Тепловые расширения и существующая вибрация всей конструкции первого контура оказывают существенную нагрузку на гибы в трубопроводах этой петли циркуляции теплоносителя. Два гиба выходного трубопровода (13), соединяющие парогенератор (2) с ГЦН (3), находятся в более щадящем рабочем режиме, чем гиб (9) ГЦТ (6), поскольку принудительная турбулентность потока теплоносителя в нем создается только вращением лопастей высокооборотного ГЦН (3). В этом случае давление на гибы этого участка трубопровода со стороны теплоносителя стабильно равномерное. Внутренняя поверхность гиба (9) ГЦТ (6) подвержена неравномерному давлению со стороны теплоносителя, выдавливаемого из реактора. Турбулентность выдавливаемого водяного потока из реактора непредсказуема. Это неупорядоченное давление оказывается на внутреннюю стенку внешнего гиба (9) ГЦТ (6), который в свою очередь через свой верхний участок ГЦТ длиной более 1 метра, подобно рычагу, оказывает давление при своем температурном удлинении ГЦТ на излом на сварные соединения (8) и №111 (10) малого коллектора (11). Одновременно со стороны парогенератора на сварное соединение (10) оказывается существенное воздействие при тепловом перемещении на скручивание, и сильное влияние вибрации парогенератора (2) совместно с работой ГЦН (3). Итак, верхний участок гиба (9) ГЦТ (6) при тепловом удлинении подобно рычагу воздействует на сварные соединения малого коллектора (11). При этом диаметр сварного соединения №111 (10), равный 1335 мм, больше диаметра сварного шва (8) (990 мм), что делает его проблемным при механических и температурных нагрузках. Высокая температура и вибрация систем петли циркуляции, избыточное импульсное давление в ГЦТ (6) создают со временем благоприятные условия для накопления дислокаций в проблемном соединении №111 (10), которые и приводят к его разрыву. Дислокации это маленькие свободные зоны, располагающиеся между кристаллическими решетками в металле, которые со временем могут перемещаться и накапливаться в металле, создавая проблемные участки до образования разрыва от деформаций, высокой температуры в металле, циклических, механических нагрузках и т.п. изменениям структуры метала в сварных соединениях.
Чтобы уменьшить механические нагрузки на трубопроводы циркуляции теплоносителя и избежать разрывов в сварных соединениях первого контура, необходимо уменьшить тепловые перемещения и вибрации трубопроводов и систем первого контура РУ.
Предлагаемой полезной моделью решается задача уменьшения степени свободы в перемещении систем первого контура и в первую очередь парогенератора, которые оказывают механическое воздействие на трубопроводы перекачки теплоносителя и, являющимися первопричиной недопустимых повреждений сварных соединений и, в первую очередь, проблемного сварного соединения №111 (10) на входе в перфорированную зону горячего коллектора парогенератора.
Для получения такого технического результата предлагается конструкция петли циркуляции теплоносителя первого контура реакторной установки типа ВВЭР-1000, позволяющая уменьшить механическое воздействие из-за тепловых перемещений и вибрации работающего парогенератора и ГЦТ (6). В предлагаемом устройстве используется закон механики, а именно, чем меньше длина рычага при одинаковом усилии, тем меньше линейное перемещение и величина вибраций.
Для уменьшения механических нагрузок на трубопроводы циркуляции теплоносителя длина верхней части горячего циркуляционного трубопровода (6) от нижнего края малого коллектора (11) до гиба (9) горячего циркуляционного трубопровода (6) выполнена длиной не более 0,25 м, а длина холодного циркуляционного трубопровода (7) выполнена соответственно длине горячего циркуляционного трубопровода (6). Для этого вырезают верхний участок ГЦТ (6) после гиба (9) до нижнего края малого коллектора (11) (см. фиг. 3, прямой участок ГЦТ - А), и на такую же длину укорачивают выходной трубопровод из холодного коллектора (5) парогенератора (см. фиг. 2). При этом согласно фиг. 2 верхний участок ГЦТ (6) после гиба (9) оставляется минимальным (0,25 м), ровно на столько, чтобы обеспечить соединение малого коллектора (11) с разделочным участком под сварное соединение (8). Такое конструктивное решение позволяет уменьшить общую длину трубопроводов циркуляции теплоносителя первого контура. Что позволяет удалить проблемный рычаг давления на сварные соединения (8) и (10) малого коллектора (11). Дополнительно, это решение позволяет опустить парогенератор (2) вниз, уменьшив высоту и вес бетонных колон, на которые устанавливается парогенератор, что позволит существенно уменьшить тепловые перемещения и вибрации парогенератора, а также вибрации ГЦН и трубопроводов.
В результате практического применения предлагаемой полезной модели, за счет конструкторских решений по удалению проблемного участка (рычага) ГЦТ после гиба (9) и связанное с этим уменьшение общей длины трубопроводов теплоносителя первого контура, уменьшению высоты и веса бетонных колон, на которые устанавливается парогенератор, существенно уменьшится механическое воздействие на сварные соединения трубопроводов первого контура за счет тепловых удлинений, перемещений и вибрации оборудования первого контура, вызывающие разрыв сварного соединение №111. Все это позволит повысить надежность и работоспособность петли циркуляции теплоносителя первого контура РУ.