Агрегат электронасосный предназначен для перекачивания жидкостей в технологических системах атомных энергетических установок. Рассчитываемый насос центробежный, одноступенчатый, горизонтальный, с приводом от электродвигателя. Соединение валов насоса и электродвигателя осуществляется муфтой. Агрегат поставляется на раме в собранном виде. Соединение патрубка насоса с трубопроводами осуществляется приваркой к ответным фланцам.

Агрегат относится к оборудованию класса безопасности 3Н по НП-001-97 (ОПБ88/97) (ПНА ЭГ-01-011-97), к группе С по ПНАЭ Г-7-008-89 и к II категории сейсмостойкости по НП-031-01.

Агрегат электронасосный должен сохранять работоспособность при нормальных условиях работы с учетом нагрузок от присоединяемых трубопроводов, во время и после прохождения сейсмического воздействия интенсивностью до проектного землетрясения (ПЗ), 5 баллов по шкале МSК-64 , включительно. Нагрузки от присоединяемых трубопроводов принимались согласно НП-068-05 «Трубопроводная арматура для атомных станций. Общие технические требования».

Одним из важнейших этапов предшествующих выполнению расчета является анализ конструкции насосного агрегата и составление плана выполнения расчета по этапам. Согласно требованиям ПНАЭ Г-7002-86 был определен перечень выполняемых расчетов, включающий в себя расчет по выбору основных размеров и поверочный расчет. В свою очередь поверочный расчет на прочность состоит из следующих разделов: расчет на статическую прочность, расчет на сопротивление хрупкому разрушению, расчет на сейсмические воздействия и расчет на циклическую прочность. Обоснование вибропрочности проводилось экспериментальным методом и в настоящем расчете не рассматривалось.

Допускаемые напряжения материалов, из которых изготавливается насос, определялись по кратковременным характеристикам материала: по пределу текучести и пределу прочности согласно ПНАЭ Г-7-002-86. Значение коэффициента запаса по пределу текучести - 1,5, по пределу прочности 2,6. Коэффициент запаса для определения допускаемых напряжений в болтах и шпильках - 2,0. Механические характеристики материала принимались по данным государственных и отраслевых стандартов. Недостающие кратковременные механические характеристики материалов насоса принимались по данным ПНАЭ Г-7-002-86.

Расчет по выбору основных размеров

На стадии проведения расчета по выбору основных размеров определены значения расчетных толщин стенок элементов корпуса насоса, нагруженных внутренним давлением, проведено сравнение полученных результатов со значениями номинальных толщин стенок. Расчет показал, что расчетные толщины стенок с учетом прибавок не превышают значений номинальных толщин элементов корпуса насоса, что подтверждает прочность элементов агрегата электронасосного на данном этапе.

Расчет фланцевых соединений

Фланцевые соединения нагружены усилием затяга шпилек и внутренним давлением в режиме нормальных условий эксплуатации и в режиме гидравлических испытаний. Усилие затяжки шпилек должно обеспечивать необходимое обжатие прокладки с целью сохранения герметичности фланцевого разъема. Помимо давления, фланцевые соединения напорного и всасывающего патрубков должны воспринимать нагрузки от присоединяемых трубопроводов без потери герметичности. Усилие затяжки шпилек было выбрано таким образом, чтобы при прохождении сейсмического воздействия фланцевое соединение сохраняло герметичность от действия внутреннего давления и нагрузок от трубопроводов в режиме проектного землетрясения. Учитывая, что затяжка шпилек будет проводиться при нормальных условиях эксплуатации, оценка напряжений возникающих во фланцевом соединении проведена по расчетным группам категорий напряжений статической прочности.

Расчет на статическую прочность

Расчет агрегата электронасосного проведен методом конечных элементов. Для создания конечно-элементной расчетной схемы в среде SolidWorks была создана трехмерная модель корпуса насоса. Расчетная модель строилась с учетом всех основных геометрических особенностей, отражающих реальную геометрию элементов насосного агрегата. В зонах концентрации напряжений было проведено измельчение сетки с целью проверки сходимости решения задачи. Расчетная схема нагружалась внутренним давлением, усилием затяга шпилек на фланцевых соединениях и нагрузками на патрубки в режиме нормальных условий эксплуатации. Расчетная схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1

Согласно ПНАЭ Г-7-002-86 оценка напряженного состояния должна проводиться путем сравнения полученных результатов с соответствующими группами категорий напряжений. В наиболее опасных местах корпуса методом линеаризации было проведено разделение напряжений по толщине стенки на соответствующие категории. Полученные по линиям приведения мембранные и суммарные мембранные и изгибные напряжения использовались при оценке статической прочности. Напряженное состояние в корпусе агрегата электронасосного приведено на рисунке 2.

Рисунок 2

При пусках и остановах в корпусе насоса возникают температурные напряжения, связанные с неравномерностью прогрева металла. Целью данной части расчета являлось определение напряженного состояния корпуса при пуске насоса с заранее заданной скоростью изменения температуры перекачиваемой среды. Полученные максимальные напряжения использовались при оценке циклической прочности.

Расчет на сейсмические воздействия

Расчет на сейсмические воздействия проведен линейно-спектральным методом согласно Нормам расчета на прочность ПНАЭ Г-7-002-86 и Нормам проектирования сейсмостойких атомных станций НП-031-01. Сейсмическое воздействие задавалось в виде обобщенных спектров ответа. Первая собственная форма колебаний корпуса насоса показана на рисунке 3.

Рисунок 3

Помимо сейсмического воздействия, задаваемого спектрами ответа, к патрубкам корпуса насоса прикладывались нагрузки от воздействия трубопроводов в режиме проектного землетрясения. Оценка напряженного состояния элементов корпуса агрегата электронасосного проводилась сравнением полученных результатов с допускаемыми напряжениями соответствующих категорий.

Для выбора усилия затяжки крепления насоса к раме был проведен расчет по определению реакций в координатах корпуса, соответствующих болтам. Усилие затяжки выбиралось из условия обеспечения монолитности соединения насоса и рамы при прохождении сейсмического воздействия.

Для определения напряжений в раме и расчета нагрузок на фундаментные болты была разработана расчетная модель, включающая в себя раму, насос и электродвигатель. Насос и электродвигатель жестко связывались с рамой, т.к. усилия затяжки болтов насоса и электродвигателя выбраны из условия обеспечение монолитности соединения. Расчётная модель агрегата электронасосного в сборе приведена на рисунке 4.

Рисунок 4

Расчет на циклическую прочность

Для наиболее нагруженных элементов конструкции упругим расчетом определены значения шести составляющих напряжений с учетом концентрации в режимах гидроиспытания, нормальной эксплуатации, пуска и останова. По шести составляющим напряженного состояния определены значения главных напряжений. По наибольшим главным напряжениям фиксировались главные площадки с целью определения знака напряжений в других режимах. Составлены графики изменения местных условных упругих приведенных напряжений и определены амплитуды напряжений. Значение полученного по результатам расчета циклической прочности суммарного повреждения не превышает единицы, следовательно условие циклической прочности агрегата электронасосного выполнено.

Заключение

На основании проведенного расчета было сделано заключение, что условия прочности и сейсмостойкости агрегата электронасосного выполняются в соответствии с требованиями ПНАЭ Г-7-002-86 и НП-031-01. Даны рекомендации по усилиям затяжки несущих болтов элементов агрегата и шпилек фланцевых соединений.