О применении модернизированной системы преднапряжения СПЗО-М на защитных оболочках АЭС

УДК 624.04.45.001.3

О ПРИМЕНЕНИИ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРЕДНАПРЯЖЕНИЯ СПЗО-М НА ЗАЩИТНЫХ ОБОЛОЧКАХ АЭС

В.Н.Медведев, А.Н.Ульянов, Александр С.Киселев, Алексей С.Киселев, В.Ф.Стрижов

Институт проблем безопасного Nuclear Safety Institute of the Russian

развития атомной энергетики Academy of Sciences,

Российской академии наук, Moscow

Москва

Для предварительного напряжения защитных оболочек 3-го и 4-го энергоблоков Ростовской АЭС планируется использовать канатную систему французской фирмы Фрейсине на базе витых армоканатов в полиэтиленовой оболочке под названием СПЗО-М. В статье сформулирован ряд вопросов, требующих разрешения для оценки целесообразности перехода на эту систему предварительного напряжения защитных оболочек АЭС.

Ключевые слова:Защитная оболочка, бетон, арматурные канаты, напряжения, усилия.

To prestress the containments of Unit 3 and Unit 4 at Rostovskaya NPP, the use of a tendon system designed by Freycinet Co (France) and based on twisted tendons placed inside special polyethylene tubes is planned. This new tendon system is referred to as the Containment Prestress System 'M' (Russian-spelled abbreviation: SPZO-M). A series of questions requiring solution when estimating the expediency of transfer to the SPZO-M system for NPP containments is formulated in the paper.

Keywords: Containment, concrete, tendon, tension, efforts.

Введение

Изначально в защитных оболочках АЭС России применялась система преднапряжения СПН-1000 (разработчик институт «Оргэнергострой»), представляющая собой двухпетлевой арматурный канат непрерывной навивки с анкерными узлами в виде коуша, опирающегося на цилиндрическую гильзу с резьбой, на которую навинчивается гайка, собственно и являющаяся опиранием каната на анкерную плиту сооружения.

Однако в последнее время все чаще для замены арматурных канатов используется канатная система французской фирмы Фрейсине на базе витых армоканатов в полиэтиленовой оболочке под названием СПЗО-М (рисунок 1). В 2011 г. впервые в отечественной практике СПЗО-М использовалась для предварительного напряжения защитной оболочки 4-го энергоблока Калининской АЭС. Также планируется использовать СПЗО-М для предварительного напряжения защитных оболочек достраиваемых энергоблоков АЭС (3-й и 4-й энергоблок Ростовской АЭС).

Несмотря на незначительный опыт применения модернизированной системы преднапряжения СПЗО-М в данной статье сформулирован ряд вопросов, требующих разрешения для оценки целесообразности перехода на эту систему предварительного

напряжения защитных оболочек АЭС с ВВЭР-1000:

1) вопрос о потерях усилий в арматурных канатах в процессе натяжения и длительной эксплуатации;

2) вопрос ремонтопригодности СПЗО - М;

3) вопрос о надежности СПЗО - М.

4) вопрос об определении минимально допустимого начального усилия натяжения армоканатов СПЗО-М;

5) вопрос о надежной работе анкерного блока СПЗО-М.

Рисунок 1 - Конструкция арматурного пучка с витыми армоканатами

1 Вопрос о потерях усилий в арматурных канатах

Прежде всего, в силу отсутствия явной возможности подтяжки арматурных элементов после их заанкеривания, встает вопрос о потерях усилий в них в процессе натяжения, которые обусловлены такими факторами как: трение о стенки каналообразователей; снижение усилий при передаче нагрузки с домкрата на анкерное устройство; потери усилий в арматурных элементах от деформирования оболочки при ее обжатии; снижение усилий, вызванное релаксацией напряжений в проволоках пучка; потери усилий, обусловленные быстронатекающей ползучестью и усадкой бетона.

Практика применения СПЗО-М на защитных оболочках 5-го энергоблока Нововоронежской АЭС [1], 1-го и 4-го энергоблоков Калининской АЭС, показала, что потери усилий в арматурных канатах из-за действия сил трения между канатом и каналообразователем, а также при анкеровке канатов, больше, чем заявленные разработчиком СПЗО-М. Фактические потери усилий в армоканатах от релаксации напряжений не определялись, хотя это было бы необходимо сделать путем установки специальных датчиков по длине канатов, например, как на АЭС «Темелин» (Чехия).

Потери усилий в арматурных элементах от деформирования оболочки при ее обжатии, а также же потери усилий, обусловленные быстронатекающей ползучестью и усадкой бетона, требуют количественной оценки. Для каждой защитной оболочки эти потери различны и зависят от таких факторов, как фактическая геометрия сооружения, фактические физико-механические характеристики бетона, возраст бетона на момент начала преднапряжения.

2 Вопрос ремонтопригодности СПЗО - М

Разработчик СПЗО-М утверждает, что существует возможность замены арматурных канатов. Это обстоятельство является важным с точки зрения ремонтопригодности защитной оболочки при длительной эксплуатации. Однако нет информации об опыте замены арматурных канатов в полиэтиленовой оболочке на действующих АЭС. Поэтому остается неясным, возможна ли вытяжка арматурного каната длинной порядка 100 метров в условиях возможного переплетения по длине (особенно в зонах отгибов канатов при обходе отверстий), объемного сжатия с учетом деформаций обжатия оболочки, усадки и ползучести железобетона без повреждения полиэтиленовой оболочки каната? Возможна ли установка арматурного каната в случае повреждения (например, задиров) полиэтиленовой оболочки?

Декларируемая возможность замены любой пряди после замоноличивания и натяжения пучка вызывает серьезные сомнения еще и потому, что арматурные канаты имеют участки с малыми радиусами изгиба. Например, в нижней части цилиндра радиус кривизны металлического каналообразователя составляет порядка 1 метра.

В сложившихся условиях рекомендуется на практике подтвердить возможность замены арматурных канатов в системе СПЗО-М, для чего после окончания обжатия оболочки необходимо осуществить замену одного витого семипроволочного каната пучка (1 из 46 канатов) натянутого в цилиндре оболочки одним из первых и расположенного в зоне отверстия большого диаметра.

Кроме того, разработчик СПЗО-М утверждает, что в течение длительной эксплуатации существует возможность подтяжки армоканата. Однако эффективность подтяжки армоканата также вызывает сомнения из-за вдавливания витой пряди в каналообразователь. В течение времени работы под нагрузкой каналообразователь, по-видимому, будет приобретать профиль семипровочной витой пряди. В результате возможно повреждение полиэтиленового каналообразователя и увеличение коэффициента трения.

3 Вопрос надежности системы СПЗО - М

Надежность арматурного элемента СПЗО-М обосновывается статистическими данными фирмы Фрейсине. Однако в случае использования системы на защитных оболочках АЭС с ВВЭР-1000 унифицированной серии, в которых траектории канатов имеют меньшие радиусы изгиба, надежность арматурных элементов должна быть дополнительно обоснована.

Наибольшую озабоченность вызывает целостность полиэтиленового каналообразователя семипровочной пряди, который из-за малого радиуса кривизны и значительной радиальной нагрузки может разрушиться. Разрушение цементного камня в инъектируемых каналообразователях с малым радиусом кривизны от радиальной составляющей может привести к снижению надежности самого арматурного каната из-за концентрации напряжений в изгибаемых элементах.

4 Вопрос об определении минимально допустимого начального усилия натяжения армоканатов СПЗО-М

Определение минимально допустимого начального усилия натяжения арматурных канатов необходимо определять с учетом первых и вторых потерь по СНиП 2.03.01-84 [2].

К первым потерям относится: трение о стенки каналообразователей; снижение

усилий при передаче нагрузки с домкрата на анкерное устройство; потери усилий в арматурных элементах от деформирования оболочки при ее обжатии; снижение усилий, вызванное релаксацией напряжений в проволоках пучка; потери усилий, обусловленные быстронатекающей ползучестью и усадкой бетона.

Ко вторым потерям относятся дальнейшее снижение усилий, вызванное релаксацией напряжений в проволоках пучка; потери усилий, обусловленные ползучестью и усадкой бетона.

Величина начального натяжения арматурных канатов должна быть принята на основании расчетов НДС с учетом трещинообразования на основании детального анализа поведения защитной оболочки энергоблока № 4 Калининской АЭС при испытаниях, где начальные усилия в арматурных канатах СПЗО-М составляли 9,5 МН, а также на основании анализа НДС защитных оболочек энергоблока № 1 и 2 Ростовской АЭС при проведении предпусковых испытаний.

При выполнении расчетов защитной оболочки энергоблока № 3 и 4 Ростовской АЭС необходимо принять фактическую величину потерь усилий в армоканатах, обусловленную передачей нагрузки с домкрата на анкерную плиту, подтвержденную специальными измерениями. Для этого необходимо выполнить анализ показаний датчиков силы ПСИ-01, установленных на анкерах армоканатов СПЗО. Поскольку для блока № 3 и 4 Ростовской АЭС такие данные отсутствуют, необходимо проанализировать данные, полученные на защитной оболочке энергоблока № 4 Калининской АЭС, на которой также была применена система преднапряжения на базе витых канатов по типу французской фирмы «Фрейссине».

Датчики силы ПСИ-01, предназначенные для измерения усилий на тяжных концах арматурных канатов, были установлены на защитной оболочке 4-го энергоблока Калининской АЭС в количестве 60 штук. При этом 44 датчика были установлены на тяжных концах арматурных канатов цилиндра и 16 датчиков - на тяжных концах арматурных канатов купола.

Результаты измерений, полученные при помощи датчиков силы ПСИ-01 на 4-м энергоблоке Калининской АЭС, показали, что при передаче нагрузки с домкрата на анкер происходят значительные потери усилий в арматурных канатах. Так в цилиндре оболочки потери усилий при анкеровке в среднем составили 113,40 тонн или 11,70 %, а в куполе средняя величина потерь составила 137,1 тонны или 14,15 %. При этом наблюдается значительный разброс величин потерь усилий при анкеровке: в цилиндре от 7,32 до 15,05 %, в куполе от 7,88 до 19,25 %.

Средние усилия на анкерах арматурных канатов по показаниям датчиков силы ПСИ-01 составили в цилиндре 855,6 тс, а в куполе - 831,9 тс.

Таким образом, в защитной оболочке энергоблока № 3 и 4 Ростовской АЭС при наличии аналогичных потерь и при величине начального уровня натяжения армоканатов 9,0 МН или 918 тс, ожидаемые средние усилия на анкерах арматурных канатов по показаниям датчиков силы ПСИ-01 составили бы в цилиндре 810,6 тс, а в куполе - 788,1 тс.

Следует отметить, что в защитной оболочке энергоблока № 1 Ростовской АЭС при использовании СПН-1000 средние усилия на анкерах арматурных канатов по показаниям датчиков силы ПСИ-01 составили в цилиндре 818 тс, а в куполе - 836 тс.

Принимая во внимание, что СПЗО-М не обеспечивает возможности компенсации потерь усилий в арматурных канатах, связанных с деформацией оболочки в процессе её обжатия, а также от быстронатекающей ползучести и релаксации напряжений в прядях, при столь значительных потерях усилий в арматурных канатах при анкеровке и при снижении величины начального контролируемого уровня натяжения армоканатов до

918 тс следует ожидать, что при воздействии испытательного внутреннего давления вблизи узла сопряжения цилиндра с куполом будет наблюдаться упруго-пластическая работа, а это отрицательно скажется на эксплуатационных качествах сооружения.

5 Вопрос о надежной работе анкерного блока СПЗО-М

Крепление концов каната в системе СПЗО-М осуществляется в анкерной плите с помощью цанговых зажимов. При этом применялись анкерные плиты, рассчитанные на возможность анкеровки 55 витых канатов, в которые анкеровались только 46. Это приводит к неравномерности загружения анкерной плиты.

На рисунке 2 (а) представлена расчетная конечно-элементная модель анкерной колодки с фрагментом гильзы, в которой часть цанговых зажимов отсутствует. Разработанная модель позволяет моделировать процесс пошагового увеличения нагрузки на пряди каната с учетом контактного взаимодействия цанг и посадочных отверстий конической формы анкерной колодки. Цанги имеют форму конуса, что обеспечивает весьма значительное обжатие прядей в радиальном направлении и соответствующую ответную реакцию на анкерную колодку при нагружении пряди каната усилием вдоль оси цанги.

Проведенные расчетные исследования подобной анкерной плиты показали, что при отсутствии в отдельных конических отверстиях цанг имеет место значительная неравномерность деформаций анкерной плиты в зонах перемычек между отверстиями под пряди канатов в зонах отсутствующих прядей вплоть до появления пластических деформаций. На рисунке 2 (б) показано распределение интенсивности напряжений по объему анкерной колодки при ее нагружении штатным усилием натяжения каната системы СПЗО. Видно, что уровень напряжений достигает ~309 МПа в зонах перемычек между отверстиями с отсутствующими прядями и отверстиями, взаимодействующими с цангами.

__--- б)

Рисунок 2 - (а) - Расчетная конечно-элементная модель анкерной колодки с фрагментом гильзы и полным опиранием по контуру; (б) - распределение интенсивности напряжений [кг/мм ] в анкерной колодке при

усилии в канате N=1000 тонн

Уровень интенсивности напряжений превышает предел текучести материала анкерной колодки, что приводит к появлению пластических деформаций, возможному проскальзыванию цанг расположенных рядом с пустыми каналами под пряди и, соответственно, неравномерному распределению усилий между прядями.

Таким образом, однородность натяжения арматурных элементов может быть нарушена, что повлечет за собой снижение усилия в одних прядях и перенапряжение

других прядей канатов. Вполне вероятно, что этот фактор повлиял на результаты измерений усилий в армоканатах на защитной оболочке 4-го энергоблока Калининской АЭС, на которой натяжение армоканатов производилось сразу на величину начального контролируемого уровня натяжения 9,5 МН или 969 тс.

Выводы:

1. В случае применения арматурных канатов СПЗО-М для предварительного напряжения защитной оболочки унифицированной серии при назначении начального усилия натяжения армоканатов следует обратить особое внимание на присущие этой системы недостатки.

2. Учитывая малый опыт применения СПЗО-М, целесообразно провести испытания на одном из пучков, имеющих в средней части малый радиус изгиба, для оценки действительного коэффициента трения при натяжении каната.

3. Принимая во внимание, заданное в проекте защитной оболочки 3 и 4-го энергоблока Ростовской АЭС, усилие натяжения 9.0 МН, необходимо иметь твердую уверенность в возможности подъема усилия в случае необходимости, а также замены арматурного каната при его отказе.

4. Ввиду того, что траектории армоканатов в защитной оболочке имеют в некоторых зонах весьма малый радиус изгиба, меньше рекомендуемого фирмой Фрейсине, необходимо после омоноличивания и натяжения пучка сделать попытку замены одной пряди для оценки ремонтопригодности пучка, заявленной, но ничем не подтвержденной.

5. Поскольку однородность натяжения арматурного каната может быть нарушена, необходимо выполнить уточненные расчеты НДС анкерного узла для оценки его эксплуатационных качеств.

6. Учитывая проблемы с возможностью замены и подтяжки арматурных канатов СПЗО-М в будущем (например, при необходимости продления ресурса защитных оболочек) могут возникнуть серьезные трудности.

Литература

1. Медведев В.Н., Ульянов А.Н. Сравнительный анализ систем предварительного напряжения защитных оболочек АЭС. / В.Н.Медведев, А.Н. Ульянов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2008. - Спецвыпуск - С. 99-105.

2. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции. /Госстрой СССР. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985. - 79 с.

Медведев Виктор Николаевич - Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН), Москва заведующий лабораторией, кандидат технических наук, старший научный сотрудник. E-mail: cont@ibrae.ac.ru

Ульянов Алексей Николаевич - Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН), Москва, ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук. E-mail:cont@ibrae.ac.ru

Киселев Александр Сергеевич - Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН), Москва, старший научный сотрудник, доктор технических наук. E-mail:kis-rncki@rambler.ru

Киселев Алексей Сергеевич - Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН), Москва, старший научный сотрудник, доктор технических наук. E-mail:kis-rncki@rambler.ru

Стрижов Валерий Федорович - Институт проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук (ИБРАЭ РАН), Москва, директор отделения, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник. E-mail: vfs@ibrae.ac.ru

Medvedev Viktor N. -Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences (IBRAE RAS), Moscow, head of laboratory, PhD in engineering sciences, senior staff scientist. E-mail: cont@ibrae.ac.ru

Ulianov Alexey N. -Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences (IBRAE RAS), Moscow, leading research officer, PhD in engineering sciences. E-mail: cont@ibrae.ac.ru

Kiselev Alexander S. -Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences (IBRAE RAS), Moscow, senior staff scientist, Full Doctor of technical sciences. E-mail: kis-rncki@rambler.ru

Kiselev Alexey S. -Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences (IBRAE RAS), Moscow, senior staff scientist, Full Doctor of technical sciences. E-mail: kis-rncki@rambler.ru

Strizhov Valery F. - Place of employment: Nuclear Safety Institute of the Russian Academy of Sciences (IBRAE RAS), Moscow, Head of division, Full Doctor in physics & mathematics, title: senior staff scientist. Email: vfs@ibrae.ac.ru