СПОСОБ И СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ПРЕДЕЛЬНОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОЙ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С АРМОКАНАТАМИ БЕЗ СЦЕПЛЕНИЯ С БЕТОНОМ ОБОЛОЧКИ
METHOD AND SYSTEM FOR DIAGNOSTICS OF MAXIMUM LOAD-BEARING CAPACITY OF PRESTRESSED PROTECTIVE SHELL OF NUCLEAR POWER PLANT WITH STRANDS WITHOUT ADHESION TO CONCRETE OF SHELL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Техническое решение относится к строительной технике, а именно к способам обоснования и методикам определения и поддержания максимальной несущей способности предварительно напряженных железобетонных защитных оболочек атомных электростанций (ЗО АЭС) с армоканатами, установленными без сцепления с бетоном, в течение всего срока службы АЭС.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны предварительно напряженные ЗО АЭС, в которых арматурные канаты (армоканаты) размещаются в специальных каналообразователях, расположенных в теле бетона ЗО АЭС. При этом можно выделить два способа (вида) установки армоканатов:
- без сцепления с бетоном, когда армоканат, заанкеренный на концах, свободно размещен внутри каналообразователей и может перемещаться (проскальзывать) вдоль каналов при его преднапряжении и деформациях ЗО АЭС от различных нагрузок и воздействий: аварийного давления, температуры, сейсмики, воздушной ударной волны, удара самолета и других;
- со сцеплением с бетоном, когда после преднапряжения армоканатов, специальный цементный раствор, закаченный (инъектированный) в каналообразователи, обеспечивает, в определенных пределах, за счет сцепления, совместную работу армоканата с бетоном ЗО АЭС при различных нагрузках и воздействиях.
При расчетных обоснованиях надежности ЗО АЭС с напряженными армоканатами, имеющими сцепление с бетоном оболочки, при восприятии различных нагрузок и воздействий, взаимодействие армоканата с бетоном ЗО АЭС обычно моделируется с использованием трехмерной конечно-элементной сетки и неявной итерационной численной схемы (решатель), в которых учитывается реальная трассировка армоканатов в ЗО АЭС и распределение усилий от начального предварительного натяжения армоканатов по их длине с учетом потерь от различных факторов, таких как потери на анкере, трение, релаксация напряжений в армоканате, ползучесть бетона и другие.
При этом, вышеуказанный способ обоснования предельной несущей способности защитных оболочек в случае с армоканатами, установленными без сцепления с бетоном оболочки, не позволяет учитывать такие основные факторы, как возможность проскальзывание армоканатов вдоль каналообразователей и перераспределение усилий в них при деформациях ЗО АЭС от различных нагрузок и воздействий.
В соответствии с нормами МАГАТЭ № SSG-53 «Проектирование защитной оболочки реактора и связанных систем для атомных электростанций» (п.п.4.44, 4.45, 4.46), для определения предельной несущей способности защитной оболочки следует провести глобальную оценку поведения конструкции при статических и динамических нагрузках с учетом различных видов отказов, таких как разрыв облицовки, повреждение проходок, повреждение арматуры, локальное разрушение бетона и повреждение армоканатов.
Однако вышеупомянутый способ не может быть применен для определения предельной несущей способности ЗО АЭС в случае установки армоканатов без связи с бетоном ЗО АЭС, так как при воздействии нагрузок, например, повышении давления в ЗО АЭС и соответственно деформациях оболочки, происходит перераспределение усилий натяжения в различных точках по длине армоканатов за счет их проскальзывания внутри каналообразователей, что может быть критично для отдельных сечений ЗО АЭС.
Известен способ обоснования несущей способности преднапряженной ЗО АЭС с армоканатами, установленными в каналообразователях и имеющие сцепление с бетоном ЗО АЭС, заключающийся в применении численного метода конечных элементов в трехмерном варианте с использованием неявной итерационной схемы интегрирования во времени, нелинейных математических моделей бетона, арматуры и листового металла и неизменности начального исходного распределения усилий по длине армоканатов от преднапряжения с учетом потерь от трения, релаксации армоканатов, ползучести бетонов и т.д., за время эксплуатации АЭС (патент КНР № 103514307, МПК G06F 17/50, приоритет от 19.06.2012 г.).
Недостатком данного способа является неудовлетворительная точность определения предельной несущей способности ЗО АЭС, обусловленная тем, что не позволяет учитывать перераспределение усилий по длине преднапряженных армоканатов в случае установки их без сцепления с бетоном ввиду возможности их проскальзования внутри каналообразователей при деформациях ЗО АЭС от различных воздействий, в том числе аварийных. Кроме того, данный способ учитывает только начальное исходное распределение усилий по длине армоканатов от преднапряжения, в результате чего это не позволяет определить в любой момент времени эксплуатации АЭС реальную максимальную несущую способность 30 АЭС с преднапряженными армоканатами, не имеющими сцепления с бетоном ЗО АЭС, а также преднапряженными армоканатами, имеющими ограниченную величину сцепления с бетоном ЗО АЭС, у которых может быть нарушено это сцепление с бетоном при избыточном давлении выше проектного.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
Задача, на решение которой направлено техническое решение, заключается в создании способа диагностики предельной несущей способности ЗО АЭС, отражающего реальное поведение преднапряженных армоканатов, установленных без сцепления с бетоном оболочки, с учетом перераспределения усилий в них по длине при проскальзывании, обеспечивающем достоверную точность расчета напряженно-деформированного состояния предварительно напряженной ЗО АЭС с армоканатами, установленными без сцепления с бетоном, при различных видах нагрузок и воздействий, включая нагрузки от давления, превышающего проектное, сейсмические, удар самолета и другие.
Технический результат заявленного технического решения заключается в возможности диагностики с требуемой достоверностью максимальной несущей способности ЗО АЭС с армоканатами, установленными без сцепления с бетоном оболочки, при нагружении внутренним давлением, превышающим проектное, и, следовательно, повышении безопасности атомной электростанции.
Данный технический результат достигается за счет того, что в способе диагностики предельной несущей способности предварительно напряженной защитной оболочки атомной электростанции с армоканатами без сцепления с бетоном оболочки, согласно заявленному техническому решению: формируют конечно-элементную модель защитной оболочки АЭС, содержащую трехмерные элементы бетона, двухмерные элементы листового металла герметизирующей облицовки и закладных деталей усиления проходок, одномерные элементы стержней армирования и армоканатов преднапряжения, установленных без сцепления с бетоном оболочки; определяют требуемую исходную несущую способность защитной оболочки АЭС с учетом данных о реальной трассировке армоканатов и усилиях в них от преднапряжения, полученных с датчиков системы мониторинга и домкратов, а также заданных физико-механических свойств конструктивов оболочки; с датчиков мониторинга получают данные об изменениях напряженно-деформированного состояния защитной оболочки АЭС в процессе ее эксплуатации, усилиях натяжения в армоканатах с учетом релаксации напряжений и возможности их проскальзывания в каналообразователях, ползучести бетона и других факторов; на основе данных, полученных с датчиков мониторинга, посредством сформированной конечно-элементной модели, применения явной численной схемы в динамической постановке в сочетании с методом установления, нелинейного моделирования взаимодействия защитной оболочки АЭС с армоканатами системы преднапряжения, установленными в каналообразователях без жесткого сцепления с бетоном защитной оболочки и возможности их проскальзывания, определяют текущие характеристики несущей способности защитной оболочки АЭС для условий нормальной эксплуатации, нарушений условий нормальной эксплуатации, проектных и запроектных авариях на АЭС, с учетом техногенных и природных экстремальных воздействий; прогнозируют предельную несущую способность защитной оболочки АЭС при нагружении ее внутренним давлением, превышающим проектное; на основе анализа полученных результатов определяют достаточность усилий натяжения армоканатов или необходимую величину их подтяжки, чтобы величина обжатия оболочки соответствовала требуемым характеристикам безопасной эксплуатации защитной оболочки АЭС, либо делают вывод о необходимости замены армоканатов, непригодных к эксплуатации.
Диагностика проводится в первую очередь во время пусковых испытаний оболочки давлением, превышающим проектное на заданную величину, и в любой заданный момент времени эксплуатации АЭС, в том числе во время периодических испытаниях оболочки полным и неполным давлением. Коэффициенты трения армоканатов определяют экспериментально на натурной оболочке перед ее преднапряжением.
Данное техническое решение может быть выполнено в виде системы диагностики предельной несущей способности предварительно напряженной защитной оболочки атомной электростанции с армоканатами без сцепления с бетоном оболочки, содержащей: по крайней мере, одно устройство обработки команд; по крайней мере, одно устройство хранения данных; одну или более компьютерных программ, загруженных в, по крайней мере, одно вышеупомянутое устройство хранения данных и выполняемых на, по крайне мере, одном из вышеупомянутых устройств обработки команд, при этом одна или более компьютерных программ содержат следующие инструкции: формируют конечно-элементную модель защитной оболочки АЭС, содержащую трехмерные элементы бетона, двухмерные элементы листового металла герметизирующей облицовки и закладных деталей усиления проходок, одномерные элементы стержней армирования и армоканатов преднапряжения, установленных без сцепления с бетоном оболочки; определяют требуемую исходную несущую способность защитной оболочки АЭС с учетом данных о реальной трассировке армоканатов и усилиях в них от преднапряжения, полученных с датчиков системы мониторинга и домкратов, а также заданных физико-механических свойств конструктивов оболочки; с датчиков мониторинга получают данные об изменениях напряженно-деформированного состояния защитной оболочки АЭС в процессе ее эксплуатации, усилиях натяжения в армоканатах с учетом релаксации напряжений и возможности их проскальзывания в каналообразователях, ползучести бетона и других факторов; на основе данных, полученных с датчиков мониторинга, посредством сформированной конечно-элементной модели, применения явной численной схемы в динамической постановке в сочетании с методом установления, нелинейного моделирования взаимодействия защитной оболочки АЭС с армоканатами системы преднапряжения, установленными в каналообразователях без жесткого сцепления с бетоном защитной оболочки и возможности их проскальзывания, определяют текущие характеристики несущей способности защитной оболочки АЭС для условий нормальной эксплуатации, нарушений условий нормальной эксплуатации, проектных и запроектных авариях на АЭС, с учетом техногенных и природных экстремальных воздействий; прогнозируют предельную несущую способность защитной оболочки АЭС при нагружении ее внутренним давлением, превышающим проектное; на основе анализа полученных результатов определяют достаточность усилий натяжения армоканатов или необходимую величину их подтяжки, чтобы величина обжатия оболочки соответствовала требуемым характеристикам безопасной эксплуатации защитной оболочки АЭС, либо делают вывод о необходимости замены армоканатов, непригодных к эксплуатации.
Диагностика проводится в первую очередь во время пусковых испытаний оболочки давлением, превышающим проектное на заданную величину, и в любой заданный момент времени эксплуатации АЭС, в том числе во время периодических испытаниях оболочки полным и неполным давлением. Коэффициенты трения армоканатов определяются экспериментально на натурной оболочке перед ее преднапряжением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - вид защитной оболочки АЭС с армоканатами без сцепления с бетоном оболочки;
Фиг. 2 - трассировка армоканатов системы преднапряжения защитной оболочки;
Фиг. 3 - пример исходной конечно-элементной модели защитной оболочки;
Фиг. 4 - схема системы для реализации способа диагностики предельной несущей способности предварительно напряженной защитной оболочки атомной электростанции с армоканатами без сцепления с бетоном оболочки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
В данном техническом решении под системой подразумевается компьютерная система, ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер), компьютеризированные системы управления и любые другие устройства, способные выполнять заданную, четко определенную последовательность операций (действий, инструкций).
Под устройством обработки команд подразумевается электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (программы).
Устройство обработки команд считывает и выполняет машинные инструкции (программы) с одного или более устройства хранения данных. В роли устройства хранения данных могут выступать, но, не ограничиваясь, жесткие диски (HDD), флеш-память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), твердотельные накопители (SSD), оптические приводы.
Программа - последовательность инструкций, предназначенных для исполнения устройством управления вычислительной машины или устройством обработки команд.
Данное техническое решение обеспечивает возможность диагностики с требуемой достоверностью максимальной несущей способности ЗО АЭС с армоканатами, установленными без сцепления с бетоном оболочки, при нагружении внутренним давлением, превышающим проектное, и, следовательно, повышение безопасности атомной электростанции за счет:
1) применения численного метода конечных элементов в трехмерном варианте в динамической постановке, с использованием явной численной схемы и метода установления, решения нелинейной задачи взаимодействия оболочки с армоканатами системы преднапряжения, установленными в каналообразователях без жесткого сцепления с бетоном ЗО АЭС с учетом трассировки армоканатов, перераспределения усилий в них при изменении напряженно-деформированного состояния ЗО АЭС, что позволяет достаточно достоверно оценить максимальную несущую способность ЗО АЭС, в первую очередь, на воздействие внутреннего давления, превышающего проектное;
2) использования реальной диаграммы деформирования армоканатов, изменения усилий в армоканатах за счет их релаксации, ползучести бетона, определение напряженного-деформированного состояния ЗО АЭС с учетом текущего уровня преднапряжения, изменения нагрузок и воздействий при нарушениях условий нормальной эксплуатации, проектных и запроектных авариях (повышении давления и температуры), что позволяет при оценке конкретного уровня преднапряжения оболочки учесть нелинейные эффекты поведения конструкции и материалов, реалистичные предельные состояния каждого из компонентов конструкции ЗО АЭС;
3) возможности определения необходимости проведения подтяжки армоканатов или их замены для обеспечения проектной прочности защитной оболочки и ее максимальной несущей способности по давлению,превышаем превышающему проектное;
4) возможности определения реакции преднапряженной ЗО АЭС на динамические воздействия, например, удар самолета, сейсмические в проектных сочетаниях с аварийными, что позволяет обосновать предельную несущую способность ЗО АЭС (выполнение функций безопасности) с учетом экстремальных природных и техногенных воздействий.
Согласно предлагаемому техническому решению, способ диагностики предельной несущей способности предварительно напряженной защитной оболочки атомной электростанции с армоканатами без сцепления с бетоном оболочки заключается в выполнении следующих этапов.
Формируют конечно-элементную модель защитной оболочки АЭС, содержащую трехмерные элементы бетона, двухмерные элементы листового металла герметизирующей облицовки и закладных деталей усиления проходок, одномерные элементы стержней армирования и армоканатов преднапряжения, установленных без сцепления с бетоном оболочки.
Как показано на Фиг. 1, защитная оболочка АЭС состоит из следующих основных элементов: железобетонная оболочка, полые каналообразователи в теле оболочки, армоканаты в каналообразователях, анкерные устройства.
На Фиг. 3 изображен пример исходной конечно-элементной модели защитной оболочки.
Определяют требуемую исходную проектную и максимальную несущую способность защитной оболочки АЭС с учетом данных о реальной трассировке армоканатов и усилиях в них от преднапряжения, полученных с датчиков системы мониторинга и домкратов, а также заданных физико-механических свойств конструктивов оболочки.
На Фиг. 2 изображен один из возможных вариантов трассировки армоканатов системы преднапряжения защитной оболочки. С датчиков мониторинга получают данные об изменениях напряженно-деформированного состояния защитной оболочки АЭС в процессе ее эксплуатации, усилиях натяжения в армоканатах с учетом релаксации напряжений и возможности их проскальзывания в каналообразователях, ползучести бетона и других факторов.
Перед началом эксплуатации проводятся пусковые испытания защитной оболочки давлением, превышающим проектное на заданную величину, и, периодически, в ходе эксплуатации АЭС, проводятся испытания защитной оболочки полным и не полным давлением, также регулярный мониторинг достаточности уровня преднапряжения оболочки, так как в конструкции ЗО АЭС во время эксплуатации происходит изменение ее напряженно-деформированного состояния из-за различного рода факторов, изменения свойств конструктивов оболочки, снижения усилий натяжения армоканатов, воздействия механических, температурных, техногенных и природных воздействий, которое регистрируются системой мониторинга.
Система мониторинга, как правило, состоит из различных датчиков, установленных в различных местах ЗО АЭС.
С датчиков системы мониторинга (динамометров, установленных на анкерных концах армоканатов, поверочной системы Lift-off - малых домкратов для измерения остаточных усилий натяжения на анкерных концах армоканатов) получают, в первую очередь, данные об изменении усилий натяжения в армоканатах с учетом релаксации напряжений и ползучести бетона, а также на основе показаний датчиков, установленных в различных створах на разных отметках оболочки, фиксируются относительные деформации бетона, изменения температур и напряжений в стержневой арматуре. С помощью датчиков, установленных снаружи оболочки, фиксируются ее перемещения (прогибы).
На основе данных, полученных с датчиков мониторинга, посредством сформированной конечно-элементной модели, применения явной численной схемы в динамической постановке в сочетании с методом установления, нелинейного моделирования взаимодействия защитной оболочки АЭС с армоканатами системы преднапряжения, установленными в каналообразователях без жесткого сцепления с бетоном защитной оболочки и возможности их проскальзывания, определяют текущие характеристики несущей способности защитной оболочки АЭС для условий нормальной эксплуатации, нарушений условий нормальной эксплуатации, проектных и запроектных авариях на АЭС, с учетом техногенных и природных экстремальных воздействий.
Затем прогнозируют предельную несущую способность защитной оболочки АЭС при нагружении ее внутренним давлением, превышающим проектное. На основе анализа полученных результатов определяют достаточность усилий натяжения армоканатов или необходимую величину их подтяжки, чтобы величина обжатия оболочки соответствовала требуемым характеристикам безопасной эксплуатации защитной оболочки АЭС, либо делают вывод о необходимости замены армоканатов, непригодных к эксплуатации.
Согласно Фиг. 4, примерная система для реализации технического решения включает в себя устройство обработки данных 0. Устройство обработки данных 0 может быть сконфигурировано как клиент, сервер, мобильное устройство или любое другое вычислительное устройство, которое взаимодействует с данными в системе совместной работы, основанной на сети. В самой базовой конфигурации устройство обработки данных 0, как правило, включает в себя, по меньшей мере, один процессор 1 и устройство хранения данных 2. В зависимости от точной конфигурации и типа вычислительного устройства системная память 2 может быть энергозависимой (например, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM)), энергонезависимой (например, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM)) или некоторой их комбинацией. Устройство хранения данных 2, как правило, включает в себя одну или более прикладных программ 3 и может включать в себя данные 4 программ. Настоящее техническое решение как способ, описанное в деталях выше, реализовано в прикладных программах 3.
Устройство обработки данных 0 может иметь дополнительные особенности или функциональные возможности. Например, устройство обработки данных 0 может также включать в себя дополнительные устройства хранения данных (съемные и несъемные), такие как, например, магнитные диски, оптические диски или лента. Такие дополнительные хранилища проиллюстрированы на Фиг. 4 посредством несъемного хранилища 7 и съемного хранилища 8. Компьютерные носители данных могут включать в себя энергозависимые и энергонезависимые, съемные и несъемные носители, реализованные любым способом или при помощи любой технологии для хранения информации. Устройство хранения данных 2, несъемное хранилище 7 и съемное хранилище 8 являются примерами компьютерных носителей данных. Компьютерные носители данных включают в себя, но не в ограничительном смысле, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), электрически стираемое программируемое ПЗУ (EEPROM), флэш-память или память, выполненную по другой технологии, ПЗУ на компакт-диске (CD-ROM), универсальные цифровые диски (DVD) или другие оптические запоминающие устройства, магнитные кассеты, магнитные ленты, хранилища на магнитных дисках или другие магнитные запоминающие устройства, или любую другую среду, которая может быть использована для хранения желаемой информации и к которой может получить доступ устройство обработки данных 0. Любой такой компьютерный носитель данных может быть частью устройства 0. Устройство обработки данных 0 может также включать в себя устройство(а) 5 ввода, такие как клавиатура, мышь, перо, устройство с речевым вводом, устройство сенсорного ввода, и так далее. Устройство (а) 6 вывода, такие как дисплей, динамики, принтер и тому подобное, также могут быть включены в состав устройства.
Устройство обработки данных 0 содержит коммуникационные соединения, которые позволяют устройству связываться с другими вычислительными устройствами, например по сети. Сети включают в себя локальные сети и глобальные сети наряду с другими большими масштабируемыми сетями, включая, но не в ограничительном смысле, корпоративные сети и экстрасети. Коммуникационное соединение является примером коммуникационной среды. Как правило, коммуникационная среда может быть реализована при помощи машиночитаемых инструкций, структур данных, программных модулей или других данных в модулированном информационном сигнале, таком как несущая волна, или в другом транспортном механизме, и включает в себя любую среду доставки информации. Термин «модулированный информационный сигнал» означает сигнал, одна или более из его характеристик изменены или установлены таким образом, чтобы закодировать информацию в этом сигнале. Для примера, но без ограничения, коммуникационные среды включают в себя проводные среды, такие как проводная сеть или прямое проводное соединение, и беспроводные среды, такие как акустические, радиочастотные, инфракрасные и другие беспроводные среды. Термин «машиночитаемый носитель», как употребляется в этом документе, включает в себя как носители данных, так и коммуникационные среды.
Блоки, используемые в данном техническом решении, могут быть реализованы с помощью электронных компонент, используемых для создания цифровых интегральных схем. Не ограничиваюсь, могут быть использоваться микросхемы, логика работы которых определяется при изготовлении, или программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), логика работы которых задается посредством программирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др. Альтернативой ПЛИС являются: программируемые логические контроллеры (ПЛК), базовые матричные кристаллы (БМК), требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC - специализированные заказные большие интегральные схемы (БИС), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже.
Также блоки могут быть реализованы с помощью постоянных запоминающих устройств (см. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. - М.: Радио и связь, 1990. - 160 с.; Большие интегральные схемы запоминающих устройств: Справочник/ А.Ю. Горденов и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.).
Таким образом, реализация всех используемых блоков достигается стандартными средствами, базирующимися на классических принципах реализации основ вычислительной техники.
Специалисту в данной области очевидно, что конкретные варианты осуществления способа и системы диагностики предельной несущей способности предварительно напряженной защитной оболочки атомной электростанции с армоканатами без сцепления с бетоном оболочки были описаны здесь в целях иллюстрации, допустимы различные модификации, не выходящие за рамки и сущности объема технического решения.