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).

Рисунок 1 ­– УПВК в закрытом положении

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).

Рисунок 2 ­– Пример конструкции УПВК с указанием элементов в открытом положение

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.

Рисунок 3 – Треугольный импульс ударной волны по НП-064-17

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).

Рисунок 6 – Изменение давление перед УПВК

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