Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Вопросы информационной поддержки расчетов на сейсмостойкость 24
1.1 Методы расчета на сейсмостойкость 24
1.2 Формализация задачи синтеза акселерограмм 38
1.3 Спектральный анализ сейсмических сигналов 46
ГЛАВА 2. Разработка методов синтеза тестовых акселерограмм 57
2.1 Формирование требований к аксерерограммам 57
2.2 Вейвлет-синтез акселерограмм 68
2.3 Синтез акселерограмм, соответствующих семейству спектров ответа 76
ГЛАВА 3. Анализ сейсмостойкости трубопровода питательной воды 87
3.1 Оценка сейсмической опасности площадки АЭС «Бушер» 89
3.2 Процедура получения данных для проведения сравнительного анализа 94
3.3 Сравнение результатов расчетного анализа модели трубопровода 105
Заключение
Список сокращений 113
Литература
- Формализация задачи синтеза акселерограмм
- Спектральный анализ сейсмических сигналов
- Вейвлет-синтез акселерограмм
- Процедура получения данных для проведения сравнительного анализа
Введение к работе
Актуальность темы. За более чем полувековой период существования атомной энергетики в мировой практике накоплен значительный опыт исследований для обеспечения безопасности атомных электростанций (АЭС).
Принятие серьезных мер, направленных на увеличение безопасности АЭС, ощутимо повышает стоимость проектов. Атомные станции оказываются заметно дороже по капитальным затратам, что может привести к тому, что цена электроэнергии на них установится выше, чем на тепловых станциях. В связи с этим возникает острая необходимость в разработке и применении новых современных методик анализа безопасности АЭС, в том числе и сейсмической.
После аварии на АЭС «Фукусима-1» 11 марта 2011 г., вызванной землетрясением Тохоку в Тихом океане у берегов Японии, и ее катастрофических последствий европейской группой регуляторов в сфере ядерной безопасности ENSREG (European Nuclear Safety Regulators Group) была опубликована декларация, определяющая область действия и способы экспертной оценки рисков и безопасности европейских АЭС. В ней утверждается, что должна быть произведена переоценка безопасности всех АЭС Евросоюза, основанная на комплексной и открытой оценке рисков («стресс-тесты»).
На данный момент под понятием «стресс-тест» в декларации ENSREG понимают целенаправленную переоценку запаса (резерва, границ) безопасности атомных электростанций в свете произошедших на Фукуси-ме событий, когда экстремальные природные явления создали серьезные проблемы для функционирования систем безопасности станции, что привело к тяжелой аварии. Основное внимание должно быть уделено, в частности, землетрясениям.
Сложно переоценить важность анализа на сейсмостойкость АЭС и в нашей стране. Девять из десяти действующих на территории России АЭС расположены в зонах с сейсмичностью от 5 до 8 баллов по шкале сейсмической интенсивности MSK-64 с вероятностью повторения таких сейсмических воздействий один раз в 10000 лет. Более того, Билибинская АЭС расположена в зоне с сейсмичностью 8 баллов.
Аналогичные проблемы, связанные с сейсмической устойчивостью и безопасностью АЭС, имеют и другие регионы, в том числе развивающиеся страны Юго-Восточной Азии (ЮВА). Особое внимание здесь уделено развитию ядерной энергетики. В настоящее время в восьми государствах Азии работает 103 атомных энергоблока общей мощностью 75 ГВт. По различным оценкам к 2020 г. в регионе планируется сооружение от 40 до 80 новых энергоблоков.
Однако рынок атомной энергетики ЮВА имеет специфические особенности, в первую очередь, связанные с расположением стран региона в зоне повышенной сейсмической активности. Именно с вопросом обеспечения безопасности связаны большинство аргументов против строительства АЭС в этом регионе.
Существующие методики и программные средства предназначены для проведения расчетов прочности сооружений, конструкций и ответственного оборудования АЭС на действие эксплуатационных и сейсмических нагрузок. В рамках выполнения расчетов на заданное сочетание проектных нагрузок выполняется как статический анализ, так и динамический анализ, в том числе и под воздействием сейсмических нагрузок.
Особенность расчетов на сейсмостойкость обусловлена следующими трудностями, возникающими при формировании тестовых возмущений:
необходимость соответствия требованиям нормативных документов;
математическая модель процесса землетрясения не относится к клас-
су стационарных случайных;
- необходимость постановки и решения оптимизационной задачи о по
иске минимума отклонений реакций системы на искомое воздействие от
экспериментальных результатов;
спектральные характеристики желаемого воздействия должны содержать характеристики прогнозируемого ансамбля реализаций;
формирование тестового воздействия на базе оптимизационного подхода требует разработки специального программного обеспечения как в математических средах, так и в универсальных системах программирования на языках высокого уровня.
Отмеченные обстоятельства определяют актуальность проведения исследований, направленных на разработку современных расчетных методов и алгоритмов синтеза тестовых воздействий, позволяющих оценить сейсмостойкость оборудования (в частности - трубопроводов) атомных станций, а также на разработку и практическое внедрение программного комплекса, синтезирующего и реализующего такие воздействия.
Исследования по данному направлению проводятся во всем мире, однако проблема не закрыта, поскольку имеется целый ряд трудностей содержательного, формализованного и вычислительного характера.
В связи с этим представляется уместным развивать аналитические и численные подходы к синтезу сигналов, соответствующих заданным ответным реакциям анализируемых объектов. Конечным результатом должно служить существенное повышение качества прогнозирования сейсмостойкости для конкретного оборудования при условии минимизации вычислительных затрат на проведение динамического анализа представляющей интерес системы.
Целью диссертационной работы является разработка аналитических методов и расчетных алгоритмов синтеза тестовых сигналов, соответст-
вующих заданному комплексу свойств конкретных землетрясений, которые могут исходить из всех возможных (для каждой конкретной системы) очагов, для различных типов грунтовых оснований.
Такой подход позволит проводить анализ сейсмостойкости оборудования и трубопроводов, располагая лишь одним тестовым воздействием для каждого координатного направления распространения землетрясения. Центральное внимание должно быть уделено методам синтеза для систем с нелинейным демпфированием.
Исследования, представленные в диссертационной работе, проводились по следующим конкретным направлениям:
анализ нормативных документов, регламентирующих требования к тестовым воздействиям, и формирование начального приближения к искомому сигналу;
постановка оптимизационных задач, решение которых приводит к формированию желаемых сигналов;
разработка методов синтеза нестационарных тестовых воздействий, основанных на теории вейвлетного анализа;
разработка методов синтеза тестовых воздействий для систем с нелинейным демпфированием с привлечением идеологии гармонического анализа;
исследование вопроса о достаточности энергетических уровней синтезированных воздействий;
разработка программного продукта, реализующего алгоритмы, предложенные в диссертационной работе;
выполнение расчетов конкретной системы на сейсмическое воздействие для подтверждения работоспособности и эффективности разработанных методов.
Методы исследований. Для решения задач, рассматриваемых в дис-
сертации, привлекаются классические и современные методы теории цифровой обработки сигналов. Формирование желаемых тестовых воздействий осуществляется с использованием аналитического и вычислительного аппарата спектрального анализа, теории вероятностей, теории численных методов, теории обыкновенных дифференциальных уравнений.
Научная новизна. Научная новизна полученных результатов определяется созданием новых методов синтеза сигналов, соответствующих заданным ответным спектральным реакциям исследуемой системы. Особый акцент сделан на развитии оптимизационного подхода к синтезу тестовых ускорений, соответствующих колебаниям земной поверхности, учитывающего особенности и специфику применения такого рода воздействий при расчетах систем на сейсмостойкость.
Практическая значимость работы состоит в том, что впервые получен инструмент для расчета на сейсмическое воздействие систем с непропорциональным демпфированием. Разработанные новые математические процедуры и вычислительные алгоритмы позволяют существенно повысить эффективность анализа сейсмостойкости оборудования и сооружений. Реализован программный продукт, протестированный на конкретных системах и востребованный в различных организациях, занимающихся исследованием и проектированием АЭС.
Работоспособность и эффективность принятого подхода подтверждается соответствием полученных воздействий требованиям нормативных документов, а также низким уровнем погрешностей при статистическом сравнении результатов расчетов систем под воздействием синтезированных сигналов с расчетом, в котором внешнее возмущение сформировано на основе исходной сейсмотектонической информации. Полученные результаты особенно эффективны для систем с нелинейным демпфированием, поскольку синтезированные предложенным методом тестовые воздей-
ствия позволяют снизить уровень консерватизма расчетов.
Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на XLII международной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость» (Санкт-Петербург, 2011), IV научно-технической конференции молодых ученых и специалистов атомной отрасли «Команда-2012» (Санкт-Петербург, 2012), 7-й российской конференции «Методы и программное обеспечение расчетов на прочность» (Геленджик, 2012), 22-й международной конференции по механике конструкций в ядерной технике (SMiRT 22, Сан-Франциско, 2013), а также на семинарах кафедры компьютерных технологий и систем и научно-исследовательской инженерной фирмы ООО «ЦКТИ-Вибросейсм».
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 5 печатных работах, две из которых опубликованы в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 96 наименований. Объем составляет 129 страниц машинописного текста, работа содержит 40 рисунков и 9 таблиц.
Формализация задачи синтеза акселерограмм
Проблема создания сейсмостойких сооружений для предотвращения разрушений от возможных землетрясений всегда находилась в центре внимания проектировщиков, создающих жилые и промышленные конструкции для сейсмоопасных районов Земли.
Однако для принятия обоснованных решений в этой области необходим достаточно высокий уровень развития науки и техники. Начиная с 1975 года, вопрос об учете сейсмических воздействий стал актуальным, так как мировое инженерное сообщество пришло к выводу, что землетрясение может вызвать серьезные нарушения в эксплуатации атомных станций, вплоть до разрушения активной зоны реактора, и привести к серьезной ядерной или радиационной аварии.
Сильные землетрясения прошлого столетия оказали существенное влияние на развитие сейсмологии и сейсмостойкого строительства, показав, что экономичность и надежность проектных решений во многом зависят от совершенства методов расчета сооружений на сейсмостойкость.
К существующим методам расчета систем на сейсмостойкость относятся линейно-спектральный метод (ЛСМ) и метод динамического анализа (МДА), которые отличаются, прежде всего, способом задания информации о сейсмических колебаниях грунта.
Сейсмические колебания грунта при исследовании и проектировании представляются как расчетными сейсмограммами, в частности — акселерограммами (зависимостями ускорений внешних воздействий от времени), так и спектрами ответа (СО), характеризующими частотный состав этих воздействий. Эти представления отражают специфику поведения площадки конкретной АЭС в ходе проектного землетрясения (ПЗ) либо в ходе максимального расчетного землетрясения (МРЗ). Под проектным понимают землетрясение, вызвавшее на площадке АЭС сотрясение максимальной интенсивности за период 1000 лет, а МРЗ — за период 10000 лет.
Сейсмические колебания грунта на свободной поверхности для конкретной площадки (с учетом локальных грунтовых условий площадки) служат входными данными при расчетах на сейсмостойкость строительных конструкций и оборудования АЭС. При этом в случае применения ЛСМ сейсмические нагрузки задаются в виде СО, а при расчетах МДА — посредством акселерограмм.
Ввиду того, что землетрясение является вероятностным процессом, использование для расчетов лишь одной записи конкретной реализации такого процесса не достаточно для состоятельного прогнозирования сейсмостойкости конструкций и ответственного оборудования. Поэтому на практике применяют так называемые обобщенные сейсмические колебания, отражающие спектральные свойства множества возможных реализаций (нестационарных затухающих зависимостей ускорения от времени).
При проектировании ответственных сооружений, которые могут функционировать под воздействием сильных землетрясений, невозможно ограничиваться рассмотрением только линейной (упругой) стадии их работы. В частности, максимальные сейсмические нагрузки на здания высотой 30 метров в 6-9 раз превышают ветровые нагрузки при расчёте в упругой стадии. Поэтому при анализе на сейсмостойкость предполагается нелинейное поведение подавляющего большинства конструкций.
Как правило, организациям, которые осуществляют проведение исследований на сейсмостойкость, входные воздействия передаются в виде спектров ответа. Однако в силу отмеченной нелинейности дифференциальных уравнений, моделирующих динамику конструкций, использование ЛСМ, ориентированного на эти спектры, оказывается не достаточным. Для анализа нелинейной динамики необходимо учитывать внешние воздействия, заданные как детерминированные функции времени, причем эти функции должны в достаточной мере отражать все особенности землетрясений на конкретной площадке.
В силу отмеченного обстоятельства возникает основная задача, решаемая в диссертации, о построении (синтезе) обобщенных (с определенными свойствами) акселерограмм по имеющимся спектрам ответа для последующего использования при проведении расчетов МДА.
С математической точки зрения поставленная задача состоит в поиске функции a(t), единой для совокупности уравнений линейных осцилляторов, имеющих виде х + 2щХ,х + о)?ж = -а(і), і = 1,2,..., Nos (B.l) в предположении, что для некоторого диапазона фиксированных частот собственных колебаний со; и заданном коэффициенте демпфирования , известен СО для ускорений, т.е. функция Sa&( Di) = max „,, (, а). (В.2)
При этом число Nos должно быть достаточно велико для того, чтобы учесть все представляющие интерес частоты в спектрах возможных землетрясений. Как показывает анализ многочисленных землетрясений, диапазон собственных частот должен быть не менее 33 Гц. Дискретизация по частоте выбирается таким образом, чтобы не были пропущены частоты, на которых могут проявиться резонансные явления.
Задача существенно осложняется тем, что зачастую каждая из анализируемых конструкций и единиц оборудования изготавливается из различных строительных материалов с неодинаковыми демпфирующими свойствами. Для учета таких особенностей входные воздействия задают в виде семейств СО с различными коэффициентами . При этом возникает необходимость найти такую функцию a(t), чтобы решения уравнений (В.1) для каждого t, = . удовлетворяли соотношениям (В.2).
Спектральный анализ сейсмических сигналов
Заменяя при сделанном предельном переходе операцию суммирования операцией интегрирования, имеем Формулы (1.3.9) и (1.3.10) представляют собой прямое и обратное преобразование Фурье и устанавливают однозначное соответствие между представлением сейсмического сигнала во временной и частотной областях. Подчеркнем, что временное и спектральное представления эквивалентны, т. е. несут одинаковую информацию об исходном сигнале. Поскольку на практике ускорения колебаний грунта при землетрясениях задаются в дискретной форме, то для получения спектра необходимо использовать дискретное преобразование Фурье (ДПФ). Формулы (1.3.11), (1.3.12) определяют соответственно прямое и обратное ДПФ для сигнала x(t), который является дискретным по времени:
Существующий [40] алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) представляет собой экономичный способ вычисления прямого и обратного ДПФ. Если акселерограмма представляет собой функцию, определенную на промежутке времени от 0 до tki то (по теореме отсчетов Найквиста-Котельникова [15]) для сохранения информации достаточно определить спектр в дискретных точках o)j = y-j, j = 0, ±1, ±2,...
Дискретизация акселерограммы превращает ее спектр Фурье в периодическую функцию, в результате чего появляются «ложные гармоники» [15], отсутствующие в реальной акселерограмме. Для того чтобы не принимать в расчет эти гармоники, необходимо ограничить область частот частотой Найквиста VNV4 = , где dt — шаг дискретизации.
Если рассматривать землетрясение как случайный процесс (СП), т.е. ансамбль реализаций, то удобно исследовать его с помощью функции спектральной плотности мощности.
СПМ описывает распределение мощности сигнала по частотам. Подобно Фурье-спектру, функция спектральной плотности характеризует гармонический состав исследуемого процесса. Различие этих функций состоит в том, что преобразование Фурье определяет амплитудный спектр, а спектральная плотность — энергетический спектр.
Функции СПМ можно вводить в рассмотрение различными способами. Один из способов основан на рассмотрении спектров через ковариационные функции.
Автокорреляция СП в два различных дискретных момента времени щ и п2 определяется выражением гхх[пі:П2] — Е{х[пі],х [п2]}, где символ обозначает математическое ожидание, а « » — комплексное сопряжение.
В приведенном определении отражена явная зависимость от выбора моментов времени. СП называется стационарным в широком смысле, если его среднее значение постоянно при всех значениях индекса времени (иными словами, не зависит от времени), а автокорреляция зависит только от разно сти моментов времени т — п\ — П2. Стационарный в широком смысле дискретный случайный процесс х[п] статистически характеризуется автокорреляционной последовательностью с элементами Гхх[т] = Е{х[п + ra]a; [ra]}, которая представляет собой функцию разности временных индексов т. Автокорреляция позволяет оценить среднестатистическую зависимость текущих отсчетов сигнала от своих предыдущих и последующих значений, а также выявить в сигнале наличие периодически повторяющихся элементов. СПМ определяется [15] как дискретно-временное ПФ автокорреляционной последовательности оо Pxx(f)=T J2 гхх[т]е- тТ. (1.3.13) т—-оо Дискретно-временное ПФ отличается от обычного определения дискретного ПФ наличием коэффициента Т — интервала отсчетов. Обратное преобразование имеет вид 1/2Г rxx(m)= J Pxx(f)ej2 fmTdf. (1.3.14) m=-l/2T Соотношения (1.3.13), (1.3.14), называемые теоремой Винера-Хинчина, имеют фундаментальное значение для анализа случайных сигналов, поскольку устанавливают связь между представлением СП во временной и частотной областях. Для пояснения смысла названия СПМ положим т = 0в(1.3.14): 1/2Г гет(0)= J Pxx(f)df. (1.3.15) m=-l/2T Автокорреляция при нулевом временном сдвиге (гжа;[0]) характеризует среднюю мощность СП. Тогда, согласно (1.3.15), и площадь под кривой Pxx{f) определяет среднюю мощность. Поэтому Рхх{1) представляет собой функцию плотности мощности (мощность на единицу измерения частоты). Слово «спектр» подчеркивает, что СПМ является функцией частоты.
В целях получения ясной физической интерпретации понятия СПМ полезно будет рассмотреть определение этой функции через финитное преобразование Фурье. Под финитным ПФ понимаем ПФ финитного сигнала (т. е. сигнала с компактной областью определения).
Получим представление СП X(t) в частотной области. На первый взгляд кажется естественным для частотного представления использовать ПФ конкретной реализации x(t) СП. Однако задача состоит в нахождении спектральной характеристики, которая должна отражать свойства процесса в целом, а не какой-либо его отдельной реализации, поскольку целью анализа временных рядов является определение характеристик процесса, которому принадлежит рассматриваемый временной ряд. Поэтому задача нахождения характеристик временного ряда без соотнесения его с каким-либо, пусть гипотетическим, процессом лишена физического смысла. ПФ дает разные результаты для каждой из реализаций СП, поэтому его можно использовать только как частотное представление отдельной реализации, но не всего СП.
В работе [13] освещена идея получения статистической характеристики СП, основанная на добавлении к процедуре ПФ отдельной реализации процедуры усреднения по ансамблю. Кратко приведем описанный в [13] вывод определения СПМ или, так называемый [13], прямой метод определения СПМ.
Вейвлет-синтез акселерограмм
В данной главе рассматривается пример синтеза искусственных акселерограмм для расчетного анализа трубопроводов АЭС «Бушер» (БАЭС), расположенной в Иране. Синтез осуществляется с использованием подхода, принятого в диссертационной работе, с целью подтверждения его работоспособности и эффективности.
Повышенный интерес к вопросам обеспечения сейсмостойкости БАЭС связан, прежде всего, с высокой сейсмичностью площадки, занимаемой этой станцией, и еще более возрос в связи с землетрясением в Иране 2 марта 2004 года.
Сравнение данных AEOI (The Atomic Energy Organization of Iran) и NEIC (The National Earthquake Information Center, The USA) по этому землетрясению указывает на некоторые расхождения в оценках, в частности, в определении местоположения эпицентра данного землетрясения.
Вместе с тем, результаты расчетов, проведенных экспертами AEOI, и данные, полученные при обследовании последствий землетрясения на месте по источнику и характеристикам данного сейсмического воздействия (падение горных пород, некоторые разрушения в деревне Баруни), находятся в хорошем соответствии друг с другом.
Источник данного землетрясения расположен в зоне ВКП (Borazjan-Kazerun), которая в соответствии с выполненной в проекте БАЭС оценкой сейсмической опасности площадки является наиболее интенсивной сейсмической зоной во всем районе с расстоянием до БАЭС примерно в 40 км:
Время: 02.03.2004 Широта N: 28.948 Долгота Е: 51.326 Магнитуда: 4.7 Richter Глубина: 26 км GMT: 07 51 40.27 Необходимо отметить, что интенсивность прошедшего землетрясения была значительно ниже параметров, заложенных в проект БАЭС. Таким образом, прошедшее землетрясение, до определенной степени, экспериментальным путем подтвердило важные проектные основы, заложенные в оценку сейсмической опасности площадки БАЭС.
Для анализа сейсмостойкости элементов трубопроводов основной питательной воды и паропроводов основного пара, расположенных в гер-мозоне реакторного отделения (РО) БАЭС, будем рассматривать нелинейную компьютерную модель (созданную с помощью программного комплекса dPIPE5 [44]), которая включает следующие элементы оборудования реакторной установки ВВЭР-1000:
В примере рассмотрена только одна циркуляционная петля (рис. 3.0.1), т.к. петли ГЦТ идентичны по трассировке и закреплению оборудования.
Парогенератор горизонтального типа имеет две роликовые весовые опоры. В качестве антисейсмических опор каждого ПГ используются четыре пары гидроамортизаторов (ГА), которые расположены на краях ПГ на уровне его продольной оси.
ГЦН представляет собой вертикальный агрегат, состоящий из электродвигателя, верхней и нижней проставок, сферического корпуса, роликовой опоры. Для каждого ГЦН используются по два ГА типа Р-300
Площадка АЭС «Бушер» (первый и второй блоки) расположена на северной части побережья Персидского Залива, на участке с координатами 2850 северной широты и 5053 восточной долготы. Площадка огра ничена на юге деревней Бандарга, на северо-западе — деревней Халилех, на западе, юго-востоке, юге — Персидским Заливом.
Оценка сейсмической опасности указанной площадки базируется на широком комплексе изысканий и работ, проведенных в течение последних трех десятилетий [21], в ходе которых были собраны данные об исторической сейсмичности и данные мировых сейсмологических центров. Были составлены каталоги землетрясений и построены карты эпицентров для исследуемого региона. Была сформирована геодинамическая модель, учитывающая основные источники тектонических напряжений, которые определяют геодинамические условия в пределах изучаемого региона.
Зоны ВОЗ в окрестностях площадки БАЭС. Сеть станций сильных движений в Иране состоит из более 1000 акселерографов, принадлежащих Иранскому центру по строительству и инженерным исследованиям (BHRC), действующих с 1973 года. Кроме того, были использованы записи временной сети российских цифровых акселерографов. Всего было обработано более 1000 трехкомпонентных акселерограмм с записями землетрясений Ирана, как в ближней, так и в дальней зонах (к ближним относятся зоны с минимальным расстоянием до площадки до 60 км, к дальним — от 60 до 150 км).
Основываясь на геодинамической модели и учитывая все существующие геологические, тектонические, геофизические и сейсмологические данные, была разработана сейсмотектоническая модель района АЭС «Бу-шер», как базис для детального сейсмического районирования исследуемого региона. Выявление сейсмогенерирующих структур позволило выделить зоны возможных очагов землетрясений (ВОЗ). На рис. 3.1.1 отмечено географическое расположение зон ВОЗ, основные параметры трех зон указаны в таблице 3.1.1.
Проведена оценка изменений сейсмической интенсивности и параметров ожидаемых сильных движений в зависимости от типа грунта, построены искусственные акселерограммы, соответствующие уровням МРЗ и ПЗ, для всех опасных сейсмических зон. Расчеты на сейсмостойкость выполнялись для трех типов грунтового основания, которые условно обозначены следующими символами:
Процедура получения данных для проведения сравнительного анализа
Внутренние источники в большинстве случаев связаны с нестационарным потоком рабочей среды в режимах нормальной эксплуатации и «пусках-остановах» блока (пульсации давления, акустические резонансы и резонансы столба жидкости, изменение расхода, течение рабочей среды в переходных патрубках, тройниках, арматуре и т. п.). К внешним источникам можно отнести динамические нагрузки от вращающихся роторов машин и механизмов и, безусловно, сейсмические воздействия.
Опыт эксплуатации ТЭС и АЭС в СНГ и за рубежом показывает, что колебания трубопроводов могут достигать значительных величин (виброскорость до сотен мм/с), служить причиной серьезных нарушений и прямо влиять на безопасность эксплуатации электростанции [47]. Основными неисправностями трубопроводов, к которым может привести их увеличенная вибрация, являются: появление трещин в основном металле и сварных швах, разрушение трубопровода, обрыв подвесок и усталостное разрушение опор, обрыв присоединенных импульсных трубок, ослабление болтовых соединений, ложное срабатывание арматуры, отказ концевых выключателей.
Конструкция высоковязкого демпфера типа ВД схематически представлена на рис. 3.3.3. Демпфер состоит из корпуса 1, заполненного рабочей вязкой жидкостью 2, поршня 3 и сердечника 4, погруженных в жидкость. Между корпусом и поршнем установлены тонкостенные цилиндры 5, которые свободно опираются на днище корпуса и не связаны между собой. Сердечник помещен внутри поршня с зазором относительно поршня и свободно опирается на днище корпуса. Как правило, фланец корпуса крепится к неподвижному основанию, а фланец поршня — к оборудованию, которое необходимо защитить от динамических нагрузок.
Демпфер не воспринимает статических нагрузок и не сопротивляется медленным относительным смещениям, таким как смещения, вы 106 званные тепловым расширением. В тоже время демпфер сопротивляется динамическим смещениям, эффективно рассеивая энергию колебаний по 6-ти степеням свободы.
Принимая во внимание свойства описанного демпфирующего устройства, логично предположить, что точнее имитировать реальное поведение модели петли ГЦТ, оснащенной демпферами типа ВД, позволят те динамические воздействия, в синтезе которых предусмотрено соответствие акселерограммы всему семейству СО, заданному для различных уровней демпфирования.
Действительно, результаты эксперимента, проиллюстрированные на рис. 3.3.4, 3.3.5, в котором в качестве эталонов выбирались наблюдаемые величины, полученные в результате расчетного анализа петли ГЦТ с демпферами (рис. 3.0.1) под воздействием исходных акселерограмм, соответствуют выдвинутой гипотезе. А именно: в Подходе А математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение гораздо меньше, чем в Подходе Б (в 12.5 и в 2 раза соответственно).
В ходе проведенного исследования в соответствии с предложенным подходом были успешно синтезированы десять наборов трехкомпонент-ных акселерограмм. Расчеты показали, что они с приемлемой точностью соответствуют семействам целевых СО (заданных для 2, 5 и 10% уровней демпфирования) и удовлетворяют большинству требований, опеределяе-мых современными нормативными документами.
С помощью компьютерной расчетной модели трубопроводной системы петли ГЦТ, расположенной в РО БАЭС, проведен анализ влияния сейсмических воздействий, задаваемых полученными акселерограммами, на ряд наблюдаемых физических величин. Выбраны величины, которые особо важны с точки зрения безопасности: напряжения в узлах трубопровода питательной воды и нагрузки на опоры и амортизаторы.
В процессе анализа было сделано сравнение погрешностей наблюдаемых величин относительно ожидаемых значений (выходных данных расчета для акселерограмм, полученных в результате инженерно-геофизических изысканий). При этом применялись два принципиально различных подхода к заданию сейсмических возмущений. В рамках подхода А использовались акселерограммы, полученные посредством разработанной программы Sintez-M, а в рамках подхода Б — сгенерированные методами, оперирующими только с одним СО из всего семейства.
По результатам проведенного сравнительного анализа сделаны выводы о том, что Подход А позволяет снизить уровень консерватизма расчетов, что особенно наглядно демонстрирует анализ модели, оснащенной высоковязкими демпферами, т. е. обладающей свойством нелинейности демпфирования.
Рассмотренный пример подтверждает работоспособность, состоятельность и эффективность разработанного в диссертации подхода и, в частности, практическую значимость созданного на его основе программного продукта Sintez-M, ориентированного по своей сути одновременно на несколько уровней демпфирования сейсмических колебаний.
