Ydinvoimalaitoksen painelaitestandardien lujuusanalyysimenetelmien vertailu

Abstract

Työn aiheena on vertailla kolmea eri ydinteknistä painelaitestandardia: yhdysvaltalaista ASME-standardia, ranskalaista RCC-M-standardia ja venäläistä PNAE-standardia. Tavoitteena on määrittää kaavalaskentaan perustuvien standardien ja FEM-analyysiin perustuvien standardien eroja jännitysanalyysissä ja väsymisanalyysissä käyttöastekertoimien ja vauriosumman avulla. Lisätavoitteena on erityisesti selvittää PNAE-standardin eroa länsimaisiin standardeihin, kuten ASME:en ja RCC-M:ään.

Työn alussa tutustutaan hieman Suomen säännöstöön liittyen ydinteknisiin painelaitteisiin ja esitetään tiivistetysti työn aiheeseen liittyviä YVL-ohjeita eli ydinvoimalaitosohjeita. Seuraavaksi työssä käydään läpi standardien teoriaosuutta liittyen standardien mukaiseen kaavalaskentaan ja FEM-analyysien muodostamiseen ja niiden asianmukaiseen käsittelyyn.

Seuraavissa osioissa esitetään FEM-mallin muodostaminen ja siihen liittyvät kuormitukset. FEM-mallin geometria on mallinnettu CATIA V5R21 -ohjelmalla, kun taas FEM-analyysit suoritettiin ANSYS R17.1 -laskentaohjelmalla. FEM-analyysejä suoritettiin kolmea erilaista: yksikköpaineanalyysi, lämpöanalyysi ja lämpöjännitysanalyysi. Standardi-käsiteltyjä FEM-tuloksia vertailtiin kaavalaskennasta saataviin eri standardien välillä.

Tulokset olivat suurimmaksi osaksi odotettuja. Kaavalaskentaan perustuvat standardien menetelmät olivat konservatiivisempia kuin FEM-analyysiin perustuvat standardimenetelmät väsymisanalyysissä. Jännitysanalyysissä tulokset olivat likimain samansuuruisia, mutta FEM-analyysillä saadut tulokset olivat hieman konservatiivisempia. PNAE G-7-002-86 -standardi osoittautui kaikista FEM-analyysiin pohjautuvista standardimenetelmistä kaikista konservatiivisimmaksi.

The objective of this Master’s thesis is to compare three different nuclear pressure vessel standards such as the American ASME, the French RCC-M and the Russian PNAE. The main objective is to determine the differences between design by rule -methods and design by analysis -methods in stress analysis and fatigue analysis. The results of these analysis are compared by the degree of utilization and the damage accumulation. Additional objective of this thesis is to find the differences of PNAE to western standards like ASME and RCC-M.

In the beginning of this thesis, the Finnish regulations of the nuclear pressure vessels are briefly presented as well as the regulatory guides on nuclear safety (YVL) concerning this thesis. In the following part the theories of standards concerning the design by rule equations and design by analysis rules of FEM-analyzing are presented.

Producing of the FEM-model and the applying the proper loads are presented in the next part of this thesis. Geometry is produced by CATIA V5R21 -software and the FEM-analyses are produced by ANSYS R17.1. Three kinds of FEM-analyses are performed: unitary pressure analyze, thermal analyze and thermal stress analyze. Standard processed FEM-results are then compared to design by rule equation results between different standards.

Results were expected in the most part. Design by rule -methods give more conservative results than design by analysis -methods (FEM-analyzes) in evaluation of fatigue. Stress analysis results were approximately similar but the results from FEM-analyzes proved to be more conservative. Evaluating design by analysis -methods, PNAE G-7-002-86 proved to be most conservative of them all.