Details

Цель работы: моделирование напряжённо-деформированного состояния корпуса ГЦНА 1391 и оценка его трещиностойкости при наличии дефектов для обоснования безопасной эксплуатации и продления срока службы. Методы: аналитические расчёты по решениям Ламе, термоупругости и формулам механики разрушения; численное моделирование методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS Mechanical с построением 3D модели, разбиением на гексагональную сетку и расчётом коэффициентов интенсивности напряжений, J интеграла и циклической долговечности; Результаты: разработана конечно-элементная модель корпуса насоса с детализацией сварных швов, патрубков и фланцевых соединений. Выполнен расчёт термонапряжённого состояния для стационарного режима и гидроиспытаний. Проведен анализ зон концентрации напряжений: сварные швы напорного патрубка (запасы прочности по категории (σ)₂ от 4% до 16%) и область корпуса в районе нижней проставки (запас 5%). Для расчётных трещин получены коэффициенты интенсивности напряжений K_I (аналитически 18,0–29,3 МПа·м¹/², численно 21,4–26,8 МПа·м¹/²). Статические запасы по трещиностойкости составили 3,41–5,55, что значительно выше нормативного значения 1,5. Остаточный ресурс от исходной трещины до критической глубины (116–308 мм) оценён в 2,44–12,19 млн циклов, что на 1–2 порядка превышает проектный ресурс. J интеграл в зоне сварного шва равен 8 кН/м (критическое значение 50,5 кН/м). Виброгенные нагрузки вносят пренебрежимо малый вклад в рост трещины (прирост <0,2 мм за 60 лет). Одиночные трещины с размерами которые могут быть обнаружены при помощи ультразвуковой дефектоскопии не создают коэффициентов интенсивности напряжений, превышающих допустимые. При проведении неразрушающего контроля особое внимание следует уделять сварным швам напорного патрубка и верхней части корпуса. Область применения: экспертиза промышленной безопасности, оценка остаточного ресурса, продление срока эксплуатации главных циркуляционных насосов ВВЭР 1000, оптимизация программ неразрушающего контроля оборудования АЭС.

Objective: To model the stress strain state of the GTsNA 1391 pump housing and assess its fracture toughness in the presence of defects in order to justify safe operation and lifetime extension. Methods: Analytical calculations using Lamé solutions, thermoelasticity and fracture mechanics formulas; numerical finite element modelling in ANSYS Mechanical including 3D model generation, hexahedral mesh, computation of stress intensity factors, J integral and fatigue life. Results: A detailed finite element model of the pump housing with weld joints, nozzles and flanges was developed. Thermal stress analysis was performed for steady state operation and hydrotest conditions. Stress concentration zones were identified: nozzle weld joints (strength margins for category (σ)₂ from 4% to 16%) and the upper part of the housing (5% margin). For a semi elliptical crack of 10 mm depth and 20 mm length, stress intensity factors K_I were obtained (analytically 18.0–29.3 MPa·m¹/², numerically 21.4–26.8 MPa·m¹/²). Static fracture toughness margins ranged from 3.41 to 5.55, well above the regulatory requirement of 1.5. The remaining fatigue life from the initial crack to the critical depth (116–308 mm) was estimated at 2.44–12.19 million cycles, which is 1–2 orders higher than the design life. The J integral in the weld zone was 8 kN/m (critical value 50.5 kN/m). Vibration loads contribute negligibly to crack growth (<0.2 mm over 60 years). Recommendations: Acceptable dimensions of isolated surface cracks in the considered zones are: depth up to 10 mm, length up to 20 mm. During non destructive testing, special attention should be paid to the pressure nozzle welds and the upper part of the housing. Acoustic emission monitoring is recommended for tracking defect development. Field of application: Industrial safety assessment, remaining life evaluation, lifetime extension of WWER 1000 main circulation pumps, optimization of NDT programmes for NPP equipment.