Обоснование прочности контейнеров для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива с корпусом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Радченко, Михаил Владимирович

• Радченко, Михаил Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Радченко, Михаил Владимирович

Введение

1. Хранение и транспортировка отработавшего ядерного топлива

2. Структура и механические характеристики чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ)

2.1 Особенности формирования структуры и механических свойств в крупнотоннажных отливках корпуса контейнера из ВЧШГ.

2.2 Статическая и динамическая трещиностойкость ВЧШГ

2.3 Электронно-фрактографическое исследование излома образцов высокопрочного чугуна.

2.4 Моделирование распределения напряжений в образцах ВЧШГ.

3. Расчет НДС и прочности ТУК-128 для нормальных и аварийных условий эксплуатации.

3.1 Расчет НДС для нормальных условий эксплуатации

3.2 Расчет полей температур и температурных напряжений при пожаре.

3.3 Определение динамических нагрузок и напряжений при падении упаковки на жесткое основание и штырь.

3.3.1 Удар о жесткое основание

3.3.2 Падение на штырь.

3.4 Оценка допустимых и критических размеров дефектов в корпусе

4. Динамические испытания контейнеров ТУК-128.

4.1 Методика и результаты натурных испытаний

4.2 Сопоставление результатов расчета и эксперимента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование прочности контейнеров для транспортировки и хранения отработавшего ядерного топлива с корпусом из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом»

В настоящее время в нашей стране остро стоит проблема обеспечения объектов, использующих ядерное топливо, (атомных электростанций, атомных подводных лодок и других) высококачественными транспортно-упаковочными комплектами (ТУК) для хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). В пристанционных хранилищах накопилось значительное количество отработавшего ядерного топлива АЭС, что создает реальную угрозу экологической безопасности регионов, где эти станции расположены.

Принятая в свое время и действующая до сих пор на единственном заводе (Ижорский машиностроительный завод) в нашей стране технология изготовления контейнеров из кованой легированной стали является весьма дорогой и не обеспечивает потребности в таких контейнерах. Определенными недостатками обладают также железобетонные контейнеры. Существенной экономии затрат использование бетона не дало. Уменьшилась стоимость материалов, но возросли производственные издержки. Очевидно, что и утилизация таких контейнеров в будущем будет существенно дороже, чем цельнометаллических. Кроме того, из-за низкой теплопроводности бетона область применения контейнеров такого типа ограничена.

В большинстве индустриально-развитых стран наиболее перспективным материалом по безопасности и технико-экономическим показателям для корпусов ТУКов признан высокопрочный чугун с шаровидным графитом с ферритной металлической основой (ВЧТ1ТГ).

Наряду с созданием и развитием отечественной технологии производства корпусов контейнеров из ВЧШГ, актуальной является рассматриваемая в данной работе проблема обеспечения в процессе изготовления необходимых прочностных характеристик контейнеров, соответствующих отечественным и международным требованиям, предъявляемым к таким изделиям.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Радченко, Михаил Владимирович

Основные выводы.

1. Исследовано распределение характеристик механических свойств высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в отливках многотоннажных корпусов контейнеров для хранения отработавшего ядерного топлива. Установлено, что разработанная в ЦНИИТМАШ и реализованная на заводе "Петрозаводскмаш" технология отливок корпусов контейнеров ТУК-128 в кокиль обеспечивает следующий уровень характеристик механических свойств ВЧ1НГ в диапазоне температур от -40 до +250 °С: значения предела текучести Ярог находятся в интервале 248-5-357 МПа; временного сопротивления 366^466 МПа, относительного удлинения 9.4*21%, относительного сужения 19*29%.

2 Определены характеристики вязкости разрушения ВЧШГ в отливках корпусов ТУК-128. Показано, что в интервале температур -40 * 250 °С величина вяз

1/2 кости разрушения Кд>50 МПа м . Снижение вязкости разрушения при динамическом нагружении составляет не более 10%.

3. Установлены параметры температурной зависимости вязкости разрушения ВЧШГ в форме уравнения мастер-кривой К;С(Т-То) для различных вероятностей разрушения. Величина температуры хрупко-вязкого перехода Т0 в данной зависимости составляет минус 23 °С.

4. С использованием конечно-элементного моделирования проведены расчеты температур и температурных напряжений в корпусе контейнера при нормальных условиях эксплуатации. При НУЭ максимальная температура разогрева контейнера за счет выделения тепла отработавшим ядерным топливом составляет 88.4°С. Величина температурных напряжений в корпусе не превышает 50 МПа.

5. В аварийной ситуации при пожаре температура корпуса достигает 650°С, при этом герметичность контейнера сохраняется.

6. Выполнен анализ НДС в корпусе при падении контейнера на жесткое основание и штырь заданных размеров при различной ориентации корпуса. Показано, что при ударе напряжения в корпусе не превышают 200 МПа.

7. Определены допускаемые размеры дефектов в корпусе контейнера ТУК-128. Глубина допускаемых поверхностных дефектов может составлять до 10.4 мм, подповерхностных до 11.2мм.

8. Проведены натурные испытания опытного корпуса контейнера - падение демпферами на жесткое основание с высоты 9 м и на штырь с высоты 1.25 м при различной ориентации корпуса. Установлена величина перегрузок (до 160-И 80§) и длительность импульса силы при ударе (8-12 мс). Показано, что возникающие в корпусе повреждения несущественны, глубина вмятин не превышает 2 мм. Результаты испытаний согласуются с данными расчета.

9. Результаты выполненной работы позволили обосновать соответствие транс-портно-упаковочного комплекта ТУК-128 требованиям федеральных и международных (МАГАТЭ) правил безопасности, а также получить сертификат-разрешение в Государственном компетентном органе РФ на конструкцию транспортно-упаковочного комплекта ТУК-128, предназначенного для перевозки и временного хранения отработавших тепловыделяющих сборок исследовательских ядерных реакторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Радченко, Михаил Владимирович, 2007 год

1. Радченко М.В., Макарчук Т.Ф. Современные тенденции обращения с облученным ядерным топливом за рубежом. М.: Из-во Новый индекс, 2005,212 с.

2. Rollins J. Properties of Nodular Graphite Cast Iron Used in GNS-Manufectered Spent Fuel Casks. Proceedings of the Intern. Symposium on Packaging and Radioactive Materials, New Orleans, USA, Patram, 1983, p.l 19-125.

3. Birgit Rehmer, Helper Frenz, Sina Wenlllich, Hans-Dieter Kuhn. Aterial Specification and Quality Control Program for Ductile Iron Spent Fuel Casks. -Radiactive Waste Management and Environmental Remediation ASTME 1995, ICEM, Berlin, pp.239-242.

4. August H.J. Cast Iron, London, 1976,p.87.

5. Wolters D.B. Zahresubersicht Gubeisen mit Kugelgrafit. -Giessserei, 1981,Bd. 68, №14,s.442-455.

6. Cox G.I. Developments in the use of various low-alloy S-g. irons wit special mechanical properties. Faundry Trade I., 1974,v. 137,№3025, p. 741-749.

7. Fukuda, W. Danker, J.S. Lee, A. Bonne, MJ. Crijns. IAEA-CN Conference torage of Spent Fuel from Power Reactors", Vienna, 2-6 June 2003.

8. Косников Г.А., Грань И.Н., Дейч А.Ш. и др. О количественной оценке влияния дефектов на свойства чугуна. В кн.: Пути предупреждения дефектов в отливках и контроль качества. JL: Знание, 1980, с.79-83.

9. Куликов В.И., Ковалевич Е.В., Беляков А.И. и др. Трещиностойкость легированного чугуна с шаровидным графитом. Энергомашиностроение, 1984, №9, с.19-21.

10. Куликов В.И., Беляков А.И. Микроструктура низколегированного чугуна с шаровидным графитом и высокой трещиностойкостью. Металловедение и тер-мичексая обработка металлов, №8,1986, с.42-46.

11. Косников Г.А, Повышение вязкости разрушения чугунов. В кн. Теория литейных сплавов и процессов. энциклопедия?

12. Правила безопасности при транспортировании радиоактивных материалов.НП-053-04, М., 2004.

13. Правила ядерной безопасности при транспортировании отработавшего ядерноготоплива. ПБЯ-06-08-77;

14. Правила безопасности при хранении и транспортировкеядерного топлива на объектах атомной энергетики. ПНАЭ-Г-14-029-91;

15. Нормы радиационной безопасности. НРБ-99;

16. Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности. ОСПОРБ-99;

17. Правила ядерной безопасности при переработке, хранении и транспортировании ядерно-опасных делящихся материалов. (ПБЯ-06-00-96);

18. Требования к программе обеспечения качества при обращении с радиоактивными отходами. РБ-003-98;

19. Комплекты упаковочные транспортные для отработавших тепловыделяющих сборок ядерных реакторов. Общие технические требования. ГОСТ 26013-83;

20. Комплекты упаковочные транспортные с отработавшими тепловыделяющими сборками ядерных реакторов. Требования к методам расчета ядерной безопасности. ГОСТ 25461-82;

21. Упаковки отработавшего ядерного топлива. Типы и основные параметры. ГОСТ Р 51964-2002.

22. Санитарные правила по радиационной безопасности персонала и населения при транспортировании радиоактивных материалов (веществ). Санитарные правила и нормативы. СанПиН 2.6.1.1281-03.

23. Порядок проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Основные положения. ОСТ 95 18-2001.

24. Правила безопасности перевозки радиоактивных материалов. Издание 1996 г. Требования № 8Т-1, МАГАТЭ.29. "Справочный материал к Правилам МАГАТЭ". Серия изданий по безопасности, №37. Вена, 1990.

25. Аттестационный паспорт программного средства № 145 от 31.10.2002. Федеральный надзор России по ядерной и радиационной безопасности. Научно-технический центр по ядерной и радиационной безопасности.

26. Обоснование хрупкой прочности контейнера К-6. Отчет НПО ЦКТИ, Л., 1992.

27. Экспериментальные работы по технологии отливки и аттестационным испытаниям корпуса из чугуна с шаровидным графитом. Отчет ХД № 185/12 от 26.04.2004 г. ГНЦ РФ НПО ЦНИИТМАШ.

28. Чугун высокопрочный с шаровидным графитом для отливок упаковочных комплектов хранения и транспортирования радиоактивных материалов. Технические условия. ТУ 11306-004-00212179-2001. ГНЦ РФ НПО ЦНИИТМАШ. М., 2001.

29. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПН АЭ Г-7-008-89;

30. ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок, М., Энергоатомиздат, 1989 Г.528 с.

31. ГОСТ 25.506-85. Методы механических испытаний материалов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. Госстандарт СССР, Москва, 61с.

32. ASTM. Standard Method for Conducting drop-weight test to determine nil ductility transition temperature of steels. American Standard Institute, E 208-81

33. Механика катастроф. Определение характеристик трещиностойкости конструкционных материалов. Методические рекомендации. М.: ИЦ ГНТП " Безопасность", 1995, т.2, с 360.

34. ASTM Е1221-88 Standard test method for determining plane-strain crack arrest fracture toughness K)a of ferritic steel. Annual Book of ASTM Standards. 1988.

35. ASTM E 24.208-84a. " Standart Method of Test for Instrumented Impact Testing of Precraced Charpy Specimens of Metallic Materials", Draft 2a.

36. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) при динамическом нагружении. РД 50-344-82.М.:Из-во Стандартов, 1983,52 с.

37. Методика испытания динамической вязкости разрушения. И.Ман, М. Гольцман. ИФМ ЧСАН, Брно, 1979,36 с.

38. International standart ISO/ТС 164/SC 4/N 191 ISO/CD 14556 (N 191). Steel -Charpy V Pendulum impact test Instrumented test method.

39. SEP 1315 German Steel & Iron Testing Standard Stahl-Eisen-Priifblatt. 1315 "Notch Bend Impact Test Determination of Force and Displacement; Recommendations for Test Method and Evaluation".

40. Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды РД 10-249-98. ГОСТГОРТЕХНАДЗОР. М., 2000.

41. ASTM Е 2403-03. Proposed standard method of test for instrumented impact testing of precracked Charpy specimens of metallic materials. Philadelphia, 1981.

42. ASTM E 1921-05. «Standard Test Method for Determination of Reference Temperature, T0, for Ferritic Steels in the Transition Range», in: Annual Book of ASTM Standards, vol.03.01, pp. 1068-1084.

43. Wallin K. The scatter in Klc results. Eng.Fract.Mesh .1984. V.19, ppl085-1093.

44. Weibull W.A. A statistical theory of strength material. Pay. Swed. Inst. Eng. Rex., 1939, V151.pp. 5-45.

45. Wallin K. The size effect in K,c result. Eng. Fracct. Mesh. 1985, V.22. pp. 149163.

46. DVM-Merkblatt 01 German Association for Materials Testing DVM. "Instrumentation requirements for instrumented notch bend tests".

47. S. Ledworuski, BAM Berlin, "Reproducibility of the variations in instrumented impact test data from round-robin tests" Materialprufung 32 (1990) 10.

48. Москвичев B.B., Махутов H.A., Черняев А.П. и др. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов технических систем. Новосибирск, Наука, 2002, 234 с.

49. Доронин С.В., Лепихин A.M., Москвичев В.В., Шокин Ю.И. Моделирование и разрушение несущих конструкций технических систем. Новосибирск, Наука, 2002,250 с.

50. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975, 542 с.

51. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена. М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 1997,684 с.

52. Numerical investigation of 3-D constraint effects on brittle fracture in SE(B) and C(T) specimens. Nureg/CR 6317 UILU - ENG-95-2001, pp.44.

53. Чиркин B.C., Теплофизические свойства материалов ядерной техники, Справочник, Атомиздат, М., 1968.

54. Strain Rate and Inertial Effects on Impact Loaded Single-Edge Notch Bend Specimens. US Nuclear Regulatory Comission, NUREG/UILU-ENG-94-2018,1996, 16 p.

55. Земзин B.H., Хинский И.Д., Кивина B.A., Денянцевич С.В. Оценка склонности стали ИЦ-14 и ее сварных соединений к хрупкому разрушению. Автоматическая сварка, 1977, № 8, с. 23-27.

56. Георгиев М.Н., Деев В.Н., Межова Н.Я., Кудин В.Г., Садкова P.M. Температура перехода к нулевой пластичности малоуглеродистой стали. Заводская лаборатория, 1979, № 7,с.657-660.

57. Сато И., Фунада Т., Томимацу М. Влияние параметров сварки, инициирующих трещину в наплавленном шве образца, на температуру нулевой пластичности. Усэцу гаккот ромбунего, 1985, т. 3, № 3, перевод ВЦП-М-42461.

58. Николе Р. Оценка сопротивления материалов разрушению по критическому раскрытию трещины. В кн.: Новые методы оценки сопротивления хрупкому рпазрушению: пер. с англ.М.: Мир, 1972, с. 11-89.

59. Kaltfof J.R. Interpretation of crack arrest fracture toughness measured with various steels. ECF-8 Fracture Behaviour and Design of Materials and Structures. Vol.3, 1990, p.1733-1741.

60. С.Ф. Абрамович, Ю.С. Крючков. Динамическая прочность судового оборудования. JL, 1967.

61. Д.В. Вайнберг, Е.Д. Вайнберг. Расчет пластин. Киев, 1970.

62. И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. М.,1979.

63. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник в 3-х томах под ред. И.А. Биргера, Я.Г. Пановко. T.l. М., 1968.

64. В.К. Новацкий. Волновые задачи теории пластичности. М., 1978.

65. К. Джонсон. Механика контактного взаимодействия. М., 1989.

66. С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер. Пластинки и оболочки. М., 1963.

67. B.C. Иванова, А.А. Шанявский. Количественная фрактография, усталостное разрушение, Челябинск, Металлургия, 1988.

68. Tada Н. Paris P., Irwin G. The stress analysis of cracks. Handbook. Hellertown, Del. Research Corp., 1973.

69. M.B. Радченко. Моделирование падения упаковочного контейнера из чугуна с шаровидным графитом на штырь. Сборник трудов 5-й конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH, апрель 2007, Москва.

70. Радченко М.В., Казанцев А.Г., Александров Н.Н., Силаев А.А. Особенности формирования структуры и свойств в крупнотоннажной отливке корпуса контейнера из чугуна с шаровидным графитом. Тяжелое машиностроение, №10,2007, с.33-37.

71. Казанцев А.Г., Радченко М.В. Анализ напряженного состояния корпуса упаковочного контейнера из чугуна с шаровидным графитом при падении. Труды 46 международной конференции "Актуальные проблемы прочности", 15-17 октября 2007 г., Витебск, Белоруссия.

72. МР 125-02-95. Правила составления расчетных схем и определение параметров нагруженности элементов конструкций с выявленными дефектами. М., НПО ЦНИИТМАШ, 1995, 52 с.

73. МР 108.7-86. Оборудование энергетическое. Расчебты и испытания на прочность. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений. М., НПО ЦНИИТМАШ, 1986,29 с.

74. МР 125-01-90. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений и коэффициентов ослабления сечений для дефектов в сварных соединениях. М., НПО ЦНИИТМАШ, НИКИЭТ, 1991, 58 с.

75. Руководство по расчету на прочность оборудования и трубопроводов реакторных установок РБМК, ВВЭР и ЭГП на стадии эксплуатации. РД ЭО 0330-01. Концерн "РОСЭНЕРГОАТОМ", 2004 г.

76. Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. М.: Энергоатомиздат, 1997, 287 с.

77. Методика расчета на сопротивление хрупкому разрушению корпусов реакторов АЭС с ВВЭР при эксплуатации (МРКР-СХР-2004). РД ЭО 0606-2005. М.: концерн "РОСЭНЕРГОАТОМ", 2005г., 64 с.

78. LS-DYNA User"S Manual. Nonlinear Dynamic Analysis of Structures in Three

79. Dimensions. 1997, Version 940. 652c.

80. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981, -272 с.

81. Рекомендации по оценке прочности крупногабаритных конструкций с применением характеристик механики разрушения. М.: ЦНИИТМАШ-ИМАШ, 1977, -116с.

82. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М.: Наука, 1975,704 с.

83. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. М.: Машиностроение, 1985, -224 с.

84. Москвичев В.В. Основы конструкционной прочности технических систем и инженерных сооружений. Новосибирск: Наука, 2002, -106 с.