анализ возможности гидроударов в первом контуре

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ГИДРОУДАРОВ В ПЕРВОМ КОНТУРЕ
РЕАКТОРОВ ВВЭР
Ю.А. Безруков, Е.А. Лисенков, А.В. Селезнев
ОАО ОКБ «Гидропресс», г. Подольск, Россия
ВВЕДЕНИЕ
Исследование возможности возникновения гидроударов в первом контуре
реакторов ВВЭР становится все более актуальным в связи с внедрением концепции
«течь перед разрушением». Согласно этой концепции, невозможно внезапное
катастрофическое разрушение оборудования и трубопроводов АЭС при условии
надлежащего контроля за состоянием металла, из которого они изготовлены, и
отсутствии гидроударов. Этому событию предшествует постепенный рост дефектов в
материале вплоть до образования сквозных трещин, которые не сразу приобретают
критические размеры. Поэтому своевременная диагностика течей через трещины
является гарантией предотвращения крупных аварий.
Для прогнозирования роста дефектов в материале и анализа стабильности
дефектов необходимо знать весь спектр нагрузок, которым подвергается оборудование
в течение всего срока службы. В том числе необходимо проанализировать возможность
возникновения гидравлических ударов.
Концепция "течь перед разрушением" в последних проектах ВВЭР
распространяется на ГЦТ, соединительный трубопровод КД и трубопровод САОЗ. В
предлагаемом анализе рассмотрена возможность возникновения гидравлических
ударов в первом контуре РУ, когда целостность оборудования и трубопроводов, на
которые распространяется концепция ТПР, не нарушена.
ВИДЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ
H. Hemmat в работе /1/ хорошо описал механизмы всех физических явлений,
приводящих к гидроударам (ГУ). Рассмотрим наиболее важные из этих явлений:
Волна давления в однофазном потоке. Это классическое явление ГУ. Резкое
изменение скорости потока, например, при срабатывании быстродействующей
арматуры, приводит к возникновению волны давления, которая распространяется в
жидкости. ГУ может быть полным, когда скорость потока изменяется скачком или за
определенное время, которое меньше удвоенного времени прохода ударной волной
данного трубопровода. При увеличении времени изменения скорости сверх указанного
предела ГУ становится неполным и далее вырождается совсем. Классический ГУ
хорошо изучен. Рассчитать амплитуду волны давления можно по известной формуле
Жуковского:
Р = сV,
(1)
где Р - интенсивность гидроудара, Па;
 - плотность жидкости, кг/м3;
V - скачок скорости в трубопроводе, м/с;
с - скорость распространения ударной волны (звука) без учёта податливости
стенок, м/с.
Ускорение пробки воды в паропроводе. Это явление наблюдается в тех случаях,
когда в дренажный трубопровод, в котором остались остатки конденсата, подается
большой расход пара. Это возможно, например, при открытии предохранительного
клапана парогенератора. Пробка воды, разогнанная потоком пара до большой скорости,
при своем движении по трубопроводу создает повышенные механические нагрузки на
элементы трубопровода, такие как гибы, сужения проходного сечения и т.д. Такие
ситуации наблюдались в паровых и вспомогательных системах атомных станций.
Довольно простые вычисления позволяют оценить нагрузки при этом типе ГУ.
Некоторую неопределенность создает моделирование размера пробки. Для
предотвращения таких ситуаций рекомендуется установка дренажей в нижних точках
трубопровода, внедрение уклонов на горизонтальных участках трубопроводов и
корректировка процедур прогрева трубопроводов. Наличие малых байпасных линий
параллельно основным клапанам позволяет постепенно прогреть сбросную линию и
предотвратить возникновение ГУ.
Конденсация паровых пузырей, приводящая к гидроударам. Этот вид ГУ,
называемый конденсационным, возникает тогда, когда изолированный паровой объём
оказывается окруженным более холодной жидкостью. Быстрая конденсация и
схлопывание парового объёма приводят к резкому ускорению объемов жидкости,
окружающих паровой пузырь. При столкновении этих объемов в зоне конденсации
возникает ударная волна, которая распространяется по системе. Это явление чаще всего
наблюдалось в системах питательной воды как в реакторах PWR, так и ВВЭР, где
быстрая конденсация парового объема при контакте с холодной водой, подаваемой от
систем аварийной подачи питательной воды, приводила к ГУ. В работе /2/ рассмотрены
несколько ситуаций, связанных с конденсационными ГУ:
1) Первая ситуация, когда с одной стороны горизонтальный трубопровод
присоединен к сосуду, в котором находится пар, а с другой стороны в этот трубопровод
подается холодная вода с малым расходом. При встречном движении воды и пара на
поверхности воды образуются волны, которые могут привести к образованию
изолированных паровых пузырей. Если температура жидкости меньше температуры
насыщения, то происходит схлопывание парового пузыря с образованием ударной
волны. Процесс взаимодействия пара и воды хорошо иллюстрируется на рисунке 1.
Пар
Холодная
вода
Согласно /2/ имеется несколько
критериев,
при
одновременном
достижении
которых
возможно
появление конденсационных ГУ при
движении
стратифицированного
пароводяного потока в горизонтальных
трубопроводах. Рассмотрим их.
Первым
условием
является
достаточно
большая
длина
трубопровода. Образование паровых
пузырей, способных спровоцировать
конденсационный ГУ, возможно лишь
при:
L/D>24
(2)
где L - длина трубопровода, м;
D - внутренний диаметр, м.
Изгибы
трубопровода
в
горизонтальном плане в этом случае не
учитываются.
Учитываются
только
прямые участки.
Вторым
условием
является
разница температуры поступающей воды
от
температуры
насыщения.
Конденсационный ГУ возникает тогда,
Рисунок 1 – Взаимодействие паровых
пузырей с водой, приводящее к
гидроудару
когда:
(Ts-T)>20C
(3)
Третьим
условием
является
скорость воды воды в трубопроводе.
ГУ возникает тогда, когда критерий Фруда:
Væ
Fr 
1
g  D òð
(4)
где Vж – скорость жидкости, отнесенная к полному сечению трубопровода, м/с;
g - ускорение свободного падения м/с2;
Dтр - внутренний диаметр трубопровода, м.
Четвертым условием возникновения конденсационного ГУ является наличие
достаточно низкого объемного паросодержания. Оно должно быть
 <0,8
(5)
Это наиболее важные критерии для оценки возможности конденсационных ГУ,
при одновременном удовлетворении которых возможно возникновение ГУ.
2) Вторая ситуация - это когда холодная вода подается сверху в вертикальный
трубопровод, наполненный паром. При малом расходе вода стекает по стенке либо
пленкой, либо ручейком. Однако при увеличении расхода воды возможно появление
переходного режима, когда образуются большие паровые пузыри, окруженные
холодной водой. Их быстрая конденсация может привести к ГУ. Такой способ подачи
воды нежелателен в практике.
3) Третья ситуация - это когда холодная вода подается в вертикальный
трубопровод снизу. Если скорость подъема воды невелика, то на поверхности фронта
движения воды быстро образуется тонкий слой нагретой до насыщения воды, который
препятствует быстрой конденсации пара. В этом случае гидроудар невозможен. При
большом расходе воды возможно образование изолированный паровых пузырей и их
конденсация.
Возникновение таких ГУ предотвращается двумя способами:
 принимаются проектные решения, заведомо исключающие образование
изолированных паровых объёмов в холодной жидкости;
 принимается такой регламент эксплуатации, который дает тот же результат.
Теплогидравлическая обстановка, в которой возникают конденсационные ГУ,
определяется множеством факторов. Это практически исключает их изучение
расчётными методами. В лучшем случае удается предсказать условия возникновения
ГУ в простейших системах, например, в горизонтальной трубе при расслоенном
течении недогретой воды и пара. Расчётные методы для предсказания этого момента
хорошо разработаны, но они ничего не говорят об интенсивности ГУ. Подавляющее
большинство опубликованных работ /3–5/ посвящено механизму возникновения
конденсационного ГУ, когда опыты проводились при атмосферном давлении на
простых прозрачных моделях с широким использованием скоростной киносъёмки.
АНАЛИЗ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГУ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ АЭС МИРА
В работе /6/, показано, что, прежде всего ГУ возникают во вспомогательных
системах и лишь изредка в первом контуре. Большинство из них может быть отслежено
в двух основных случаях:
неопытность операторов, поскольку станция новая и процедуры, которые
могут привести к ГУ, полностью не идентифицированы;
элементы оборудования, например предохранительные клапаны, отказывают
и начинают течь.
Распределение числа случаев по системам (по состоянию на 1992 г.) приведено на
рисунке 2. Как видно из рисунка, в основном, это конденсационные ГУ, особенно в
линиях подачи питательной воды в ПГ. Действительно, на ряде зарубежных АЭС с
вертикальными парогенераторами в этих линиях наблюдались сильные ГУ,
повреждавшие опоры трубопроводов и оборудования. Имеются сведения об измерении
интенсивности ГУ в питательном трубопроводе французской АЭС Tihange /7/.
30
Число случаев
25
20
15
10
5
0
AFW
ASW
CCP
CCW
CON
CT
CVCS
FPS
FW
FWHD
MS
RCS
RHR
SCW
SG
SGB
SI
Системы АЭС с PWR
Тип системы
AFW
ASW
CCP
CCW
CON
CT
CVCS
FPS
FW
FWHD
MS
RCS
RHR
SCW
SG
SGB
SI

















вспомогательная питательная вода
вспомогательная соленая вода
охлаждающая вода компонентов
охлаждающая вода конденсатора
система конденсата
впрыск в противоаварийную оболочку
подпитка – продувка
противопожарная
питательная вода
дренажи подогревателей питательной воды
свежий пар
система охлаждения реактора
отвод остаточного тепла
техническая вода
парогенератор
продувка парогенераторов
аварийный впрыск
Число случаев
11
1
2
1
4
2
7
1
27
1
8
6
7
3
30
6
6
Рисунок 2 – Число случаев с ГУ, имевшее место на реакторах PWR, согласно /6/
Динамическое давление в питательном трубопроводе оказалось очень большим: у
проходки через контайнмент - 40 МПа, а в коллекторе питательной воды внутри ПГ 30 МПа. Такая интенсивность ГУ может быть, если весь питательный тракт вместе с
коллектором располагаются в горизонтальной плоскости. Тогда в питательном
трубопроводе на большом протяжении существует расслоенное встречное движение
воды и пара с образованием изолированных паровых объёмов и массивных водяных
пробок. После модернизации питательного коллектора внутри ПГ гидроудары
прекратились. Конденсационные ГУ в питательной линии отмечались и на
отечественных АЭС с горизонтальными ПГ.
Из рисунка 3 видно, что частота возникновения ГУ на АЭС США резко
снижалась по мере накопления опыта эксплуатации и устранения недостатков проекта.
К сожалению, в России подобных статистик не имеется.
Число случаев ГУ
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Годы коммерческой эксплуатации
Рисунок 3 - Число случаев ГУ (суммарное) в зависимости от года
эксплуатации АЭС с реакторами типа PWR
Относительно ГУ в первом контуре имеется информация об аварии на блоке 1
Ровенской АЭС с реактором ВВЭР-440, где произошел отрыв крышек коллекторов ПГ.
После обрыва шпилек горячего коллектора ПГ петли № 5 произошло вскрытие
крышки. Вода первого контура стала интенсивно поступать во второй контур,
сработали АЗ-2 и затем АЗ-1. Реактор был остановлен. Вследствие снижения
параметров первого контура произошло срабатывание активной и пассивной частей
САОЗ. “Холодная” вода начала поступать в первый контур. В дальнейшем, в процессе
аварии в сопровождении сильных ударов произошло разуплотнение крышек
коллекторов № 1, 3, 4, что привело к увеличению расхода в течь из первого контура во
второй контур. Впоследствии течь была локализована, РУ переведена в безопасное
состояние.
Вероятно, обрыв шпилек на коллекторах ПГ № 1, 3, 4 произошёл вследствие
возникновения ГУ из-за попадания “холодной” воды САОЗ в образовавшиеся паровые
пространства в коллекторах ПГ по первому контуру.
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ГИДРОУДАРОВ В ПЕРВОМ КОНТУРЕ
РЕАКТОРОВ ВВЭР
Классический гидравлический удар.
Классический ГУ в реакторных
установках ВВЭР-1000 не встречался, так как быстродействующая отсечная арматура в
этих РУ не применяется. В принципе, возможен ГУ при заклинивании ГЦНА.
Сделаем оценку интенсивности ГУ в этом случае. Проходное сечение насоса в
узком месте равно 0,477 м2, в то время как трубопровода петли - 0,567 м2.
Рассчитываем амплитуду ГУ по формуле (1), полагая, что ГЦНА становится внезапно
возникшим препятствием, снижающим скорость в трубопроводе в 0,567/0,477 = 1,19
раза. Начальная скорость в трубопроводе равна 10,5 м/c, конечная - 10,5/1,19=8,8 м/с,
так что V=1,7 м/с. Подставив приведенные численные значения в формулу (1),
получим:
P= 727·974·1,7 = 1,2 МПа.
Полученная оценка консервативна, так как не учитывает поворота ударной
волны, зародившейся внутри ГЦНА, в трубопровод, что связано с частичной потерей её
энергии.
Конденсационный гидравлический удар.
В первом контуре РУ с ВВЭР-1000 при сохранности границы давления
возможность конденсационных ГУ настолько ограничена, что они на практике не
встречались.
При нормальной эксплуатации РУ с ВВЭР-1000, когда параметры теплоносителя
первого контура не выходят за проектные пределы, в первом контуре нет условий для
возникновения конденсационного ГУ. Рассмотрения требуют только случаи нарушения
нормальной эксплуатации, когда вследствие резкого снижения давления теплоноситель
может вскипать (это не относится к прочным корпусам оборудования и течам
трубопроводов, подпадающих под концепцию "течь перед разрушением"). Давление
может упасть настолько, что включаются НВД, подающие воду в холодные нитки
петель. При средних течах включаются также гидроаккумуляторы. Режимами, в
которых происходит глубокое снижение давления, могут быть:
 ложный впрыск холодной воды в компенсатор давления;
 течь между первым и вторым контурами;
 непосадка ИПУ КД;
 разрывы трубопроводов, не подпадающих под концепцию "течь перед
разрушением", средним и малым эквивалентным диаметром.
Если работают только НВД, холодная вода движется по нижней части сечения
трубопровода петли и далее стекает в опускной канал реактора в виде сосредоточенной
струи, которая там перемешивается. По мере расхолаживания установки или
восстановления давления происходит спокойная конденсация пара, образовавшегося
под крышкой реактора, так как попадание холодной воды в паровой объем не
предвидится.
Соединительный трубопровод. Появление пара в соединительном трубопроводе
от КД к первому контуру возможно лишь при быстром дренировании КД (во время
аварии с течью из первого контура или ошибки оператора с непроектным понижением
уровня в КД). В этом случае граница «пар-вода» из КД опускается вниз в
соединительный трубопровод, который состоит из вертикального и горизонтального
участков. При последующем заполнении такого трубопровода водой возможность ГУ
исключена.
Во-первых, холодная вода от САОЗ в горячую нитку, к которой подключается
КД, непосредственно не подается. Следует отметить, что ГЦНА в это время уже
отключены, что предотвращает унос воды из емкости САОЗ в горячую нитку петли.
Поэтому горячая нитка петли с КД заполняется водой из реактора с температурой,
близкой к температуре насыщения.
Во-вторых, в горизонтальной части трубопровода образуется такая большая
поверхность границы «вода-пар», что верхний слой воды быстро прогревается до
температуры насыщения. Несмотря на то, что соединительный трубопровод в РУ В-320
имеет опускной и подъемный участки, ГУ не возникает из малой разницы температур
воды и пара. В последних проектах ВВЭР-1000 (в Китае и Индии) подъемный участок в
соединительном трубопроводе удален, а горизонтальный участок выполнен
слабонаклоненным в сторону реактора.
В третьих, при рабочих параметрах ВВЭР малое поверхностное натяжение воды
не допускает образование больших паровых снарядов (известно, например, что
снарядный режим течения при высоких давлениях не реализуется). Таким образом,
проникший в трубопровод петли пар представляет собой конгломерат относительно
малых пузырей, создающих упругую среду. Их конденсация может вызвать только
пульсации давления, которые к ГУ не относятся. Наконец, следует иметь в виду, что
скорость звука в воде в данном случае в два раза ниже, чем в холодной воде, а скорость
конденсации парового пузыря при увеличении давления от 0,34 до 15 МПа
уменьшается, согласно /8/, более чем на порядок
Трубопроводы САОЗ. Одним из возможных очагов ГУ являются трубопроводы
системы аварийного охлаждения зоны, особенно на участке от реактора до первого
обратного клапана. При малой течи из первого контура (менее 100 мм) состояние среды
во всех четырех трубопроводах САОЗ, подключенных к реактору, в отдельные
моменты аварии удовлетворяет только трем критериям возможности возникновения
конденсационного ГУ из четырех, описанным выше. В этом трубопроводе
присутствуют насыщенный пар и холодная вода. Температура воды отличается от
температуры насыщения более чем на 20 С. Критерий Фруда меньше единицы.
Объемное паросодержание меняется в широких пределах и может быть меньше 0,8.
Однако четвертый критерий L/D>24 не выполняется и поэтому конденсационный ГУ
не возможен.
Трубопроводы впрыска в КД. Необходимо также рассмотреть еще два
потенциальных очага ГУ в линиях подачи холодной воды в КД. Первый из них - это
линия впрыска для регулирования давления, второй - линия подачи борного раствора
от системы аварийного ввода бора. Эти линии подключены к отдельным патрубкам и
разбрызгивающим устройствам, имея проходные сечения в соответствии с
подаваемыми расходами. Через первую линию впрыска с диаметром патрубка 179 мм в
КД подается вода из холодной нитки с расходом 30-150 кг/с, через вторую линию с
диаметром патрубка 73 мм - борный раствор с расходом 4,0 кг/с (при работе одного
насоса). При установившемся расходе в этих линиях вода течёт полным сечением.
Скорость потока достаточна для предотвращения прорыва пара в подводящие
трубопроводы как внутри, так и снаружи КД. Но при их включении-отключении,
которое не может быть мгновенным, расход на короткое время принимает все значения,
начиная от нуля и до установившейся величины, или наоборот. При некотором
промежуточном значении расхода, если он реализуется в стационарных условиях,
возникает встречное движение воды и пара с гипотетической возможностью ГУ. Но
при включении-отключении линий такая возможность практически не возникает. Так,
перед включением линии в ней имеется уровень воды, соответствующий верхней точке
трубопровода. Порция воды вблизи уровня прогрета благодаря контакту с паром и
теплопроводности стенки трубы. Поэтому в фазе нарастания расхода, когда на
короткое время возникает расслоенное течение, условия для возникновения ГУ
сложиться не могут. В фазе спада расхода в тех же условиях имеется большая разность
температур между водой и паром. Но формирование условий для возникновения ГУ,
очевидно, требует больше времени, чем продолжительность этой фазы, если принять во
внимание опыты на коллекторе питательной воды АЭС "Ловииза" /9/. Кроме того,
следует иметь в виду соображения, высказанные ранее относительно влияния давления
на возникновение ГУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 Выполненный анализ показал, что при нормальной эксплуатации, когда
параметры теплоносителя первого контура не выходят за проектные пределы, в первом
контуре нет условий для возникновения конденсационного ГУ.
2 Рассмотренные случаи нарушения нормальной эксплуатации и аварий со
снижением давления показали, что возможность появления конденсационных ГУ в
проектах РУ с ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 исключена. Возможен лишь классический ГУ с
небольшой интенсивностью при мгновенном заклинивании ГЦН.
ЛИТЕРАТУРА
1 Hemmat H. Safwat, Asif H. Arustu and Syed M. Husaini Systematic methodology
for diagnosis of water hammer in LWR power plants. Nucl. Eng. and Design 122, 1990, p.p.
365 –376.
2 Screening
Reactor Steam/Water Piping Systems for Water Hammer.
NUREG/CR-6519, 1997.
3 R.W. Bjorge, P. Griffith. Возникновение гидравлического удара в
горизонтальных и практически горизонтальных трубах с паром и недогретой водой.
Теплопередача, 1984, т. 106, №4, издательство «Мир»
4 S.C. Lee, S.G. Bankoff. Устойчивость пароводяного потока в наклонном канале.
Часть II. Конденсационный гидравлический удар. Теплопередача, 1984, т. 106, №4,
издательство «Мир».
5 H.-M. Prasser, A. Bottger, J. Zschau, G. Baranyai and Gy Ezsol. Thermal effects
during condensation induced water hammer behind fast acting valves in pipelines. 11th
International conference on Nuclear Engineering, Tokyo, JAPAN, April 20-23, 2003,
ICONE11-36310.
6 Van Duyne D.A., W. Yow, J.W. Sabin, Water Hammer Prevention, Mitigation and
Accommodation. Volume 1: Plant Water Hammer Experience. EPRI Report NP-6766, July
1992.
7 J.A. Block. Condensation-driven fluid motions. Int. Journal on Multiphase Flow, vol.
6, 1980, pp. 113-129.
8 Дж. Делайе, М. Гио, М. Ратмюллер. Теплообмен и гидродинамика двухфазных
потоков в атомной и тепловой энергетике. Москва, Энергоатомиздат, 1984.
9 S. Savolainen, S. Katajala, B. Elsing, P. Nurkkala, J. Hoikkanen, J. Pullinen,
S.A. Logvinov, N.B. Trunov, Yu.K. Sitnik. Condensation driven water hammer studies for
feed water distribution pipe. Fourth International Seminar on Horizontal Steam Generators,
11-13 March 1997, Lappeenranta, Finland.