При проектировании атомных станций, особое внимание отводится обеспечению безопасности персонала при различных воздействиях природного и техногенного происхождения. Одним из видов такого воздействия является действие воздушной ударной волны (ВУВ), которая образуется в результате детонации конденсированных взрывчатых веществ, облаков газо- паро- воздушной смеси, либо в результате взрыва баллонов с газом.
Одной из мер по защите АЭС от воздействия ВУВ является применение устройства перекрытия вентиляционных каналов (УПВК), которое встраивается в строительные конструкции и не позволяет ударной волне проходить вглубь вентиляционной системы (рисунок 1 и рисунок 2).
УПВК имеют различные размеры и исполнения. Например, конструкция УПВК может включать в себя корпус, лопасти, кулачки, упоры, оси и пружины, которые образуют сложную механическую систему (рисунок 2).
При воздействии ВУВ лопатки приводятся в движение и передают крутящий момент на кулачки, которые толкают упоры. Упоры движутся вдоль осей, сжимая пружины. После снижения давления пружины обеспечивают возврат всего механизма в исходное положение. Для корректного моделирования работы клапана необходимо учитывать взаимодействие всех составных частей.
Кроме того, важной задачей является оценка прочности клапана т.к. необходимо гарантировать, что в закрытом положении клапан выдержит воздействие ударной волны и не пропустит ее внутри вентиляционного канала.
Подбор жесткости пружин и проверка прочности клапана с помощью натурных экспериментов потребовало бы проведения длительной и трудоёмкой серии испытаний. Численное моделирование, в отличие от натурных экспериментов, позволяет варьировать жесткость пружин виртуально, в рамках одной модели. Этот подход снижает ресурсные затраты для подбора жесткости пружин и оценки прочности, но требует корректного описания взаимодействия всех элементов конструкции в модели.
Постановка задачи воздействия ударной волны на УПВК
Характерный профиль ударной волны содержит в себе две фазы: фазу сжатия и фазу разряжения. Наиболее опасной является фаза сжатия поскольку именно в ней на конструкцию действует максимальное давление.
Для упрощения, нелинейный участок в фазе сжатия допускается моделировать в виде треугольного импульса, в котором избыточное давление линейно уменьшается от максимального значения до нуля (рисунок 3). Например, согласно отечественным нормам атомной отрасли (см. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии «Учёт внешних воздействии природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии» (НП-064-17)), для зданий и сооружении I-ой категории, давление на фронте ударной волны должно быть не менее 30 кПа, а продолжительность фазы сжатия должна составлять 1000 мс.
Направления движения ударной волны могут быть различны, однако наибольшее давление достигается при воздействии ударной волны перпендикулярно плоскости установки защитного клапана.
Компания АО «ЦИФРА» имеет необходимую лицензию для расчётов параметров напряженно-деформированного состояния объектов использования атомной энергетики (ОИАЭ) под действием динамических нагрузок, для всех режимов эксплуатации.
Результаты расчёта
Результаты расчётов показали, что модель корректно описывает взаимодействие составных частей конструкций УПВК, а именно давление кулачков на упоры, движение упоров по осям, взаимодействие лопаток между собой (рисунок 4).
Рисунок 4 – Перемещение составных элементов конструкции УПВК при действии давления
Также, в результате численного моделирования получено поле полного перемещения. Максимальное значение полного перемещения наблюдается в центре лопастей. Для наглядности перемещения отмасштабированы в 10 раз (рисунок 5).
Рисунок 5 – Выгибание лопаток при давлении ударной волны
В результате взаимодействия ударной волны и преграды, отраженное избыточное давление увеличилось в двое по сравнению с избыточным давлением на фронте падающей ударной волны, что согласуется с физикой процесса взаимодействия ударной волны и преграды. В самом же вентиляционном канале, избыточное давление в 23 раза меньше, чем на фронте падающей ударной волны (рисунок 6).
Заключение
Специалисты АО «ЦИФРА» провели расчёт УПВК во временной области с учетом взаимодействия составных частей конструкции. В результате численного моделирования подтверждена прочность УПВК при воздействии ВУВ. Также, проведение численного моделирования позволило определить оптимальную жесткость пружин для корректной работы механизма УПВК.
Изображение заголовка сгенерировано нейросетью