Способ динамических испытаний сосудов высокого давления

 

Использование: исследование прочности моделей корпусов и защитных оболочек реакторов. Сущность изобретения: сосуд нагружают импульсом внутреннего давления, создаваемым сжатием жидкой среды в сосуде путем инициирования импульсного энерговыделения в размещенном в нем сосуде с газообразной средой (ГС), имеющем деформируемую стенку. Для поддержания максимального давления в течение заданного времени, обеспечивают пластическое деформирование боковой стенки сосуда с ГС во время нарастания в ней давления, а материал, толщину и радиус этой стенки выбирают из условия обеспечения потери ею устойчивости после достижения максимального давления в жидкости через время, соответствующее времени поддержания максимального давления при аварийном энерговыделении. Приведено соотношение, которому должны удовлетворять параметры источника импульсного энерговыделения и сосуда с ГС. Время потери устойчивости можно регулировать отбором энергии от ГС телами из металла с температурой плавления ≥ 930 К. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к испытаниям динамической прочности масштабных моделей корпусов и защитных оболочек ядерно-энергетических или химических реакторов в аварийных режимах работы.

Ценность крупномасштабных, часто уникальных объектов повышенной ответственности, таких как корпуса и защитные оболочки ядерных реакторов, исключает возможность проведения их разрушающих испытаний для выяснения физического запаса прочности при динамическом нагружении, отвечающем аварийному энерговыделению. Поэтому параллельно с совершенствованием подобных конструкций развиваются методы экспериментальных исследований по прогнозированию динамической реакции крупномасштабной конструкции на основании результатов модельных испытаний ее уменьшенной модели.

Выполненными к настоящему времени исследованиями установлено, что повышение достоверности прочностных прогнозов натурной конструкции по результатам модельных экспериментов может быть достигнуто путем воспроизведения, с учетом выбранного масштаба моделирования, предсказываемой теорией динамики аварийного энерговыделения (характера изменения давления внутри испытываемого сосуда) (Минеев В.Н. и др. ФГВ, т.23, N 4, 1987, с. 106-108). При этом в модельных экспериментах необходимо воспроизведение и времени нарастания давления, и характера его изменения после достижения максимального значения, так как эти параметры определяют динамическую прочность и долговечность сосудов высокого давления при хрупком или усталостном разрушении (Золоторевский В.С. Механические испытания и свойства металлов. М. Металлургия, 1974, с. 202-207; Карзов Г.П. и др. Сварные сосуды высокого давления. Л. Машиностроение, 1982, с. 13 22).

Диапазон изменения параметров энерговыделения при возможных авариях в ядерной энергетике и в химической промышленности, включая гипотетические, довольно широк как по времени, так и по амплитуде. При этом после завершения энерговыделения, давление внутри сосуда может либо спадать, либо поддерживаться постоянным в течение времени, определяемого аварийным процессом (У. Бейкер и др. Взрывные явления. Оценка и последствие. М. Мир, 1986, т.1, с. 220-226).

Известен способ динамических испытаний моделей корпусов ядерных реакторов (сосудов высокого давления), по которому испытываемый сосуд нагружают импульсом внутреннего давления, создаваемым сжатием жидкой среды в этом сосуде путем детонации размещенного в ней заряда конденсированного взрывчатого вещества (ВВ).

Недостатком данного способа является невозможность вариации в широких пределах времени нарастания давления и поддержания амплитуды давления после достижения максимального значения на постоянном уровне. Обусловлено это тем, что время нарастания давления на стенке испытуемого сосуда при использовании данного способа определяется скоростью детонации, которая для конденсированных ВВ может изменяться в диапазоне от 9·10³ до 1·10³ м/с (Баум Ф.А. и др. Физика взрыва. М. Наука, 1975, с. 214). Кроме того, размещение заряда ВВ в жидкой среде приводит к эффективному охлаждению продуктов детонации и, следовательно, к спаду давления сразу после достижения максимального значения, зависящего как от конструктивных особенностей заряда, так и от свойств используемого ВВ.

Известен способ динамических испытаний сосудов высокого давления, по которому испытываемый сосуд нагружают импульсом внутреннего давления, создаваемым сжатием жидкой среды в этом сосуде путем инициирования горения размещенного в ней заряда ВВ (перхлората аммония) [1] По сравнению с рассмотренным выше данный способ позволяет увеличить время нарастания давления на стенке сосуда за счет уменьшения скорости взрывчатого превращения до 0,25·10³ м/с. Охлаждение продуктов горения окружающей жидкой средой не позволяет поддерживать максимально достигнутое значение давления на постоянном уровне.

Известен способ динамических испытаний сосудов высокого давления, по которому испытываемый сосуд нагружают импульсом внутреннего давления, создаваемым сжатием жидкой среды в этом сосуде путем инициирования импульсного энерговыделения в размещенном в нем сосуде с газообразной средой, имеющем на торце эластичную, гибкую диафрагму (G.R.Abrahamson, D.J.Caglisfro, A.L.Florence. Nuclear Engineering and Design", т. 42, 1977, с. 89-104, рис. 8). Этот способ, как наиболее близкий по технической сущности, выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является то, что он не позволяет осуществить испытания импульсом давления, моделирующим аварийное энерговыделение. Это происходит из-за невозможности поддержания на постоянном уровне амплитуды максимального давления. Эластичные материалы, представителем которых является резина, практически до момента разрушения деформируются в упругой области. Поэтому диафрагма из такого материала в процессе всего испытания передает нагрузку от сосуда с газообразной средой на стенку испытываемого сосуда без заметных временных и амплитудных искажений. Известных химические источники энерговыделения основаны либо на генерировании волн сжатия в процессе расширения продуктов детонации взрывчатых веществ с определенной долей инертных добавок в системе перфорирования камер (как в прототипе), либо на генерировании волн сжатия в процессе горения заряда ВВ по всей боковой поверхности (Выскубенко Б.А. и др. Способ получения импульса давления. Заявка N 4814701 от 16.04.90). Следовательно, в момент завершения энерговыделения (в момент достижения максимального значения давления) температура газообразной среды (продуктов детонации, либо продуктов сгорания) внутри сосуда значительно превышает температуру окружающей среды и составляет 2000 3000 К. Вследствие теплообмена излучением и конвективного теплообмена с внутренней поверхностью сосуда температура газообразной среды и, соответственно, давление понижается. Выше отмечалось, что сосуд с эластичной (гибкой) диафрагмой передает нагрузку на стенку испытываемого сосуда практически без искажения. Таким образом, при использовании сосуда с газообразной средой с деформируемой упруго поверхностью давление на стенке испытываемого сосуда сразу после достижения максимального значения, как и внутри сосуда с газообразной средой, будет падать и не позволит проводить испытания сосудов импульсом давления, моделирующим аварийное энерговыделение.

Целью изобретения является приближение условий испытаний к условиям нагружения сосуда при аварийном энерговыделении.

Цель достигается тем, что по отношению к известному способу динамических испытаний сосудов высокого давления, по которому испытываемый сосуд нагружают импульсом внутреннего давления, создаваемым сжатием жидкой среды в этом сосуде путем инициирования импульсного энерговыделения в размещенном в нем сосуде с газообразной средой, имеющем деформируемую в процессе энерговыделения боковую стенку, новым является то, что в течение времени нарастания давления обеспечивают пластическое деформирование боковой стенки сосуда с газообразной средой, материал, толщину и радиус боковой стенки выбирают из условия обеспечения потери ею устойчивости после достижения максимального давления в жидкости через время, соответствующее времени поддержания максимального давления при аварийном энероговыделении, при этом параметры источника импульсного энерговыделения и сосуда с газообразной средой удовлетворяют соотношению: где P_к заданное максимальное давление в жидкой среде; γ показатель адиабаты газообразной среды в сосуде в момент завершения энерговыделения; c сжимаемость жидкой среды в диапазоне испытательных давлений; V_oo внутренний объем испытуемого сосуда; V_o исходный внутренний объем сосуда с газообразной средой; K коэффициент формы сосуда с газообразной средой; (для цилиндра), К 2 ( для сферы); σ_в предел прочности материала деформируемой боковой стенки сосуда;
h, R соответственно, толщина и радиус упомянутой боковой стенки;
P^*_k давление газообразной среды в момент завершения энерговыделения в абсолютно жестком сосуде объемом V_o.

Время потери устойчивости боковой стенки регулируют отбором энергии от газообразной среды телами из металла, имеющего температуру плавления T_пл. ≥ 930 К.

Положительный эффект приближение условий испытаний к условиям нагружения сосуда при аварийном энерговыделении достигается тем, что импульс внутреннего давления на стенке испытываемого сосуда создается сжатием жидкой среды не упруго деформируемом в процессе всего энерговыделения диафрагмой, а путем обеспечения в течение времени нарастания давления пластического деформирования боковой стенки сосуда с газообразной средой, материал, толщину и радиус которой выбирают из условия обеспечения потери ею устойчивости после достижения максимального давления в жидкости через время, соответствующее времени поддержания максимального давления при аварийном энерговыделении.

При пластическом деформировании боковой стенки сосуда с газообразной средой, в отличие от упругого, давление на испытываемый сосуд следит за изменением давления внутри сосуда с газообразной средой лишь на стадии его роста до момента завершения энерговыделения среды внутри сосуда. Пластическое деформирование боковой стенки сосуда с газообразной средой начинается в процессе энерговыделения после достижения на стенке перепада давления ΔP_д между давлением энерговыделяющей среды внутри сосуда и давлением жидкой среды на испытываемый сосуд, вызывающего напряжение текучести материала σ_0,2.. В процессе пластического деформирования боковой стенки сосуда с газообразной средой и повышения давления на стенке испытываемого сосуда перепад давления ΔP_д из-за эффекта упрочнения материала стенки в неупругой области деформирования может увеличиваться, достигая максимальной величины ΔP^m_д^ax в момент завершения энерговыделения или, иными словами, в момент достижения на стенке испытываемого сосуда максимального давления. После завершения энерговыделения температура, а следовательно, и давление газовой среды внутри герметичного сосуда вследствие конвективного теплообмена и теплообмена излучением падает. При этом давление жидкой среды на стенку испытываемого сосуда из-за жесткости сдеформированного сосуда с газообразной средой перестает, в отличие от упруго деформируемой стенки, следить за изменением давления внутри сосуда с газообразной средой и остается равным максимальному значению Р_к. При таком характере изменения давлений наступает момент времени, когда давление жидкой среды Р_к превышает давление газообразной среды внутри сосуда на величину близкую к ΔP^m_д^ax. В этот момент времени под действием направленного внутрь сосуда с газообразной средой перепада давления его боковая стенка теряет устойчивость, происходит ее схлопывание и понижение давления жидкой среды до давления охлажденной газовой среды внутри сосуда. Схлопывание боковой стенки происходит при перепаде давления, пропорционального ΔP_д.. Поэтому время потери устойчивости боковой стенки, которое отвечает времени поддержания максимального давления на стенке испытываемого сосуда, определяется материалом, толщиной и габаритными размерами боковой стенки сосуда с газообразной средой, а также интенсивностью охлаждения газообразной среды источника энерговыделения. Это позволяет производить предварительный выбор времени потери устойчивости боковой стенки сосуда с газообразной средой в соответствии с заданным временем поддержания максимального давления.

Изобретение поясняется чертежом, на котором 1 испытываемый сосуд высокого давления; 2 сосуд с газообразной средой, 3 источник энерговыделения (заряд конденсированного ВВ); 4 источник инициирования взрывчатого превращения ВВ; 5 крышка сосуда высокого давления; 6 жидкая среда; 7 тела из металла для отбора энергии; 8 трубопровод сброса газообразных продуктов сгорания ВВ после испытания; 9 датчики давления; 10 - тензодатчики на стенке испытываемого сосуда высокого давления.

Предлагаемый способ динамических испытаний реализуется следующим образом.

В испытываемом сосуде высокого давления, наполненном жидкой средой, размещают сосуд с газообразной средой и с источником энерговыделения (зарядом взрывчатого вещества). Нагружают испытываемый сосуд импульсом внутреннего давления, создаваемым сжатием жидкой среды в этом сосуде путем инициирования импульсного энерговыделения в сосуде с газообразной средой. В течение времени нарастания давления обеспечивают пластическое деформирование боковой стенки сосуда с газообразной средой. Материал, толщину и радиус боковой стенки выбирают из условия обеспечения потери ею устойчивости после достижения максимального давления в жидкости через время, соответствующее времени поддержания максимального давления при аварийном энерговыделении. При этом параметры источника импульсного энерговыделения и сосуда с газообразной средой удовлетворяют соотношению:

в котором принятые обозначения, введенные выше.

Для вариации времени поддержания максимального давления время потери устойчивости боковой стенки сосуда с газообразной средой регулируют отбором энергии от газообразной среды телами из металла, имеющего Т_пл ≥ 930 К.

Способ реализуется на устройстве, показанном на чертеже.

В испытываемый сосуд высокого давления 1 помещают сосуд с газообразной средой 2 с размещенными в нем источником импульсного энерговыделения 3, источником инициирования взрывного превращения 4, а также телами из металла 7 с температурой плавления Т_пл ≥ 930 К; заполняют свободный объем испытываемого сосуда жидкой средой (водой) 6 и герметизируют крышкой 5. С помощью источника 4 инициируют импульсное энерговыделение внутри сосуда с газообразной средой. В течение времени нарастания давления обеспечивают пластическое деформирование боковой стенки сосуда 2. Материал, толщину и радиус боковой стенки выбирают из условия обеспечения потери ею устойчивости после достижения максимального давления в жидкости через время, соответствующее времени поддержания максимального давления при аварийном энерговыделении. Форму импульса давления регистрируют датчиками давления 9, тензодатчиками 10 деформации испытываемого сосуда. После окончания регистрации параметров через систему 8 сбрасывают газообразные продукты энерговыделения и остаточное давление жидкой среды. В качестве сосуда с газообразной средой служит металлическая герметичная емкость цилиндрической или сферической формы. В зависимости от того, какая длительность нарастания импульса внутреннего давления требуется в испытании в качестве источника импульсного энерговыделения используется либо детонация или горение ВВ, либо горение ВВ совместно с газообразными смесями. При этом параметры источника импульсного энерговыделения и сосуда с газообразной средой удовлетворяют соотношению (1).

Таким образом, обнаруженная возможность создания импульса внутреннего давления с регулируемым временем поддержания максимального давления в широком диапазоне времени нарастания импульса давления позволяет проводить динамические испытания сосудов высокого давления, моделирующим аварийное энерговыделение и повышает достоверность прочностных прогнозов натурной конструкции по результатам данных испытаний.

Предпочтительная область применения предлагаемого способа динамических испытаний испытание на динамическую прочность масштабных моделей корпусов и защитных оболочек ядерно-энергетических, химических реакторов в аварийных режимах работы.

Формула изобретения

1. Способ динамических испытаний сосудов высокого давления, по которому испытуемый сосуд нагружают импульсом внутреннего давления, создаваемым сжатием жидкой среды в этом сосуде путем инициирования импульсного энерговыделения в размещенном в нем сосуде с газообразной средой, имеющем деформируемую в процессе энерговыделения боковую стенку, отличающийся тем, что, с целью приближения условий испытаний к условиям нагружения сосуда при аварийном энерговыделении, в течение времени нарастания давления обеспечивают пластическое деформирование боковой стенки сосуда с газообразной средой, материал, толщину и радиус боковой стенки выбирают из условия обеспечения потери ею устойчивости по достижении максимального давления в жидкости, через время, соответствующее времени поддержания максимального давления при аварийном энерговыделении, при этом параметры источника импульсного энерговыделения и сосуда с газообразной средой удовлетворяют соотношению

где P_k заданное максимальное давление в жидкой среде;
γ показатель адиабаты газообразной среды в сосуде в момент завершения энерговыделения;
c сжимаемость жидкой среды в диапазоне испытательных давлений;
V₀₀ внутренний объем испытуемого сосуда;
V₀ исходный внутренний объем сосуда с газообразной средой;
K коэффициент формы сосуда с газообразной средой, K ( для цилиндра, K 2 для сферы);
σ_в предел прочности материала деформируемой боковой стенки сосуда;
h, R соответственно толщина и радиус упомянутой боковой стенки;
P^*_k давление газообразной среды в момент завершения энерговыделения в абсолютно жестком сосуде объемом V₀.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что время потери устойчивости боковой стенки регулируют отбором энергии от газообразной среды в сосуде телами из металла, имеющего температуру плавления Т_пл.≥930К.

РИСУНКИ

Рисунок 1