Китайская головоломка

Китай семимильными шагами идет вперед – и в промышленности, и в технологиях, и в науке. И давно пора, надо заметить. Китайцы – древняя, трудолюбивая нация с огромной национальной культурой и великим искусством. А еще китайцы любят учиться. Любят и умеют, и в этом искусстве им нет равных.
Когда наши атомщики сдавали китайскому заказчику Тяньваньскую АЭС, построенную по российскому проекту, у китайцев возник, например, вопрос о форме сварного шва в лопасти главного церкуляционного насоса (ГЦН). В результате диалога российских и китайских атомщиков только по эпизоду сварного шва ГЦН пуск первого блока Тяньваньской АЭС был задержан на семь месяцев. Такова цена любознательности.
ГЦН – это такой насос размером с комнату, который гоняет воду по первому контуру атомной станции. Вода под давлением и очень горячая. Эта вода проходит через активную зону реактора, нагреватся, уходит в парогенератор, там, через тысячи тонких трубок отдает тепло второму, уже не радиоактивному, контуру, в котором, благодаря более низкому давлению, но все еще очень высокой температуре, образуется пар, или даже смесь воды  с паром, которая и крутит турбину.
Так что, ГЦН - вещь, конечно, серьезная. До строительства Тяньваньской АЭС колеса ГЦНов были литыми, не смотря на то, что это довольно большое изделие. Поставщик этих изделий традиционно был  Сумской завод, который находится на Украине, и поскольку связи оборвались, изготовление колеса отдали на солидное предприятие  - Ленинградский металлический завод, который и не такие "лопасти" клепал. И тем не менее, изделие  технологически новым для этого завода, и потребовало разработки документации и, вообще, кое-какой модернизации. Конструктор решил сделать колесо сварным. Два покрывных диска изготавливались отдельно – две круглых толстых пластины, а между ними – профилированные лопатки, которые,  как у улитки постепенно сходятся к центру. Конечно, надо было выполнить Т-образный шов, а это сварка толстостенного изделия, это заделка кромки. Кто что-либо понимает в сварном деле, знает, что такое Т-образный шов, тем более шов сложный, который по параболе, спирально загибается к центру. Но самое главное, это многолопастное изделие, и подлезть с источником или рентгеновской пленкой для контроля качества шва просто невозможно. Канал меняет и проходное сечение, и радиус изгиба. Конструктор, пользуясь нашей нормативной базой, применил требования к сварке Т-образного шва, что требовало в свою очередь раздела кромки, что по нашим нормативам допускает в корне шва непровар. Потому что, когда шов варится с двух сторон, можно проплавить металл насквозь, и остается зона основного металла, которая имеет в этом Т-образном соединении условный непровар толщиной от миллиметра до нуля.
По другому это колесо сварить невозможно, но чтобы  не травмировать пытливый взгляд китайского заказчика, торцевые поверхности Т-образного примыкания лопатки к диску заваривалось накладкой, чтобы не было видно этого стыка. На тех же китайских станциях наши специалисты могли наблюдать аналогичные колеса ГЦН со сквозными отверстиями и прободными дырами, которые тоже никак не сказывались ни на безопасности, ни на расходных характеристиках, но здесь наш завод, в силу ряда причин, не приварил эту накладку,  которая является, грубо говоря, косметической, и китайский заказчик начал задавать эти вопросы.
В итоге российским специалистам пришлось проделать титаническую работу для того, чтобы обосновать и объяснить нашу технологию и объяснить, почему конструктор принял такое решение, и почему это решение нашло такое-то отражение в конструкторской документации отчетах.
Только по обоснованию циклической хрупкой прочности колес ГЦН пришлось привлечь ни один НИИ. Китайцы  потребовали сделать динамическую оценку прочности, а это значит, надо было применить метод конечных элементов, то есть создать виртуальную математическую модель действующего колеса. Надо было наложить на эту модель сетку с определенным шагом этих элементов, прописать ограниченные условия между каждым этим элементом и рассчитывать их как единое целое.
Все это, естественно, потребовало многомесячных расчетов на мощных компьютерах, которыми располагают только наши оборонные ВЦ.  И только на динамической оценке прочности было потеряно потеряли около полугода. Было выполнено такое количество обоснований и расчетов, что по оценке экспертов, это тянет на две докторских и нескольких кандидатских диссертаций.
Потому что надо было обосновать жизнеспособность этого изделия на протяжении всего срока службы - 60 лет, надо было учесть количество пусков на холодной и горячей воде, количество регламентированных аварийный защит. И в каждом этом случае надо было грамотно сформировать исходные условия: что происходит с колесом в какие моменты, какие градиенты влияют на нее – температура и другие силы. Все это надо было грамотно заложить в расчеты, которые тоже не сразу давали сходимость результатов, потому что постановка задачи – сама по себе была отдельной проблемой. Слишком много было неизвестных и надо было понять, как задать ограниченные условия и данные для расчетов.
Разумеется, вопросов было задано китайским заказчиком немыслимое количество. И такое немыслимое количество подробных ответов ими было получено.
В конце концов, российские специалисты нашли и привлекли в качестве независимого эксперта по выполненным расчетам специалистов кафедры прочности Санкт- Петербургского Политехнического университета.
Кстати, специалисты с этой кафедры (и это стало одним из открытий для наших атомщиков) рассчитывают подвески для американских Крейслеров, тяжелой строительной техники для японской Komatsu и так далее и тому подобное прочее.  Они обладают эксклюзивным  знанием по поведению материалов под нагрузкой, и только когда наши специалисты положили свой референц-лист выполненных работ для американских, японских и южно-корейских фирм китайскому заказчику, положили на стол копии сертификатов, только тогда китайский заказчик снял все вопросы.


Из отчета CompMechLab

В октябре 2004 года специалисты CompMechLab каф. "Механика и процессы управления" СПбГПУ в составе официальной делегации выезжали в Ляньюньгань (Китай) для переговоров со специалистами заказчика АЭС, защиты результатов работы и выступления перед специалистами "китайского ГосАтомНадзора" по проблеме расчетного обоснования прочности и работоспособности рабочего колеса главного циркуляционного насоса ГЦН-1391 Тяньваньской АЭС.
В ходе выполнения проекта сотрудниками CompMechLab были разработаны уникальные математические и конечно-элементные модели рабочего колеса ГЦН и, по утверждению китайских специалистов, "уникальная методология проведения расчетного обоснования"  на основе метода многоуровневого субмоделирования. CompMechLab-методология основана на детальном полномасштабном КЭ моделировании всех принципиальных особенностей задачи:
конструктивных непроваров, моделируемых как криволинейные пространственно-ориентированные трещины переменной ширины, находящиеся в зоне влияния сварных швов (концентраторов напряжений); всех режимов работы ГЦН (пуски "на холодной" и "горячей"  воде, 20 млрд. гидравлических пульсаций за 40 лет эксплуатации, номальные условия эксплуатации (НУЭ), нарушения нормальных условий эксплуатаций (ННУЭ), возможные аварийные ситуации);
всех типов внешних воздействий (центробежные нагрузки, нестационарные температурные поля, гидравлическое давление).
В соответствии с российскими Нормами (ПНАЭ) и международными Нормами были выполнены расчеты статической и циклической прочности.
В ходе КЭ-решения задачи были определены распределения коэффициентов интенсивности напряжений KI (s), KII (s), KIII (s) вдоль каждого из 4-х берегов криволинейных 3-D трещин. Эти результаты послужили основой для обоснования работоспособности рабочего колеса ГЦН в течении 40 лет эксплуатации.
Затем результаты, полученные специалистами CompMechLab, были доложены на заседаниях китайского ГАН'а (NNSA) перед несколькими десятками ведущих китайских специалистов в таких областях как материаловедение, ядерная энергетика, расчеты на прочность элементов АЭС.
По утверждению ведущих китайских специалистов и профессоров, принимавших участие в экспертизе и официальных заседаниях китайского ГАН'а, расчетное обоснование, которое выполнили специалисты CompMechLab, было выполнено впервые в мировой практике, что было подтверждено многочисленными отчетами ведущих мировых фирм в области атомной энергетики, которые имеются у китайских специалистов.
После успешного доклада и защиты результатов работы в Китае, по условиям контракта специалисты CompMechLab в течение 1,5 лет сопровождали результаты КЭ расчетов. Специалисты CompMechLab  отвечали на разнообразные и профессиональные вопросы, которые задавали ведущие китайские специалисты из многих Институтов КНР, получивших для независимой экспертизы результаты расчетного обоснования. В результате длительной и успешной процедуры сопровождения был подписан двустронний акт о приемке результатов работы китайской стороной.