3.4.4. Испытания для проверки способности упаковок выдерживать аварийные условия перевозки

3.4.4. Испытания для проверки способности упаковок

выдерживать аварийные условия перевозки

3.4.4.1-С1. Испытания для проверки способности упаковки выдерживать аварийные условия перевозки направлены на выполнение следующих двух основных задач:

имитация воздействий на упаковку, которые будут не меньше чем она может испытать в самых серьезных транспортных авариях;

обеспечение универсальности испытаний для различных конструкций упаковок, аварийных условий на различных видах транспорта, обеспечение повторяемости результатов испытаний и их математического моделирования, что необходимо для разработки конструкций упаковок.

3.4.4.1-С2. Аварийные испытания, определенные в Правилах, первоначально разрабатывались для достижения двух целей. Во-первых, они были задуманы как производящие повреждение упаковки, эквивалентное тому, которое может возникать при очень тяжелой аварии (но не обязательно всех мыслимых аварий). Во-вторых, испытания формулировались в таком виде, чтобы обеспечивать инженерную базу для проектирования. Поскольку анализ служит приемлемым методом квалификации конструкции, испытания были предписаны в технических показателях, которые могут служить недвусмысленными количественными исходными данными для таких расчетов. При разработке требований к испытаниям внимание уделялось также тому, как хорошо эти испытания могут быть воспроизведены (см. например, п. 717.1 TS-G-1.1 (2-й абзац данной справки) (п. 726.1 TS-G-1.1).

Мишень для испытаний на падение определена как практически недеформируемая поверхность, предназначенная для того, чтобы вызвать повреждения упаковки, которые были бы эквивалентными или большими, чем ожидаемые от ударов о реальные поверхности или конструкции, которые могут происходить при перевозке. Данная мишень служит также средством, обеспечивающим возможности сравнивать результаты испытаний и аналитических методов и в случае необходимости воспроизводить испытания. Недеформируемая мишень, даже описанная в общих чертах, может многократно сооружаться таким образом, чтобы обеспечивались относительно большие масса и жесткость по отношению к испытываемой упаковке. Так называемые естественные мишени, такие как грунт, мягкие скальные породы и некоторые бетонные конструкции имеют меньшую жесткость и могут вызывать меньшие повреждения упаковки при заданной скорости удара [89]. Значительно труднее сооружать податливые поверхности, дающие воспроизводимые результаты экспериментов, при этом форма объекта, упавшего на такую мишень, может повлиять на характер податливости поверхности. Следовательно, при использовании податливых мишеней, неопределенность результатов испытаний будет возрастать и сравнение результатов расчетов и экспериментов будет значительно более трудной задачей (п. 717.1 TS-G-1.1).

3.4.4.1-С3. Правила МАГАТЭ издания 1961 г. были основаны на принципе защиты содержимого упаковки и, таким образом, здоровья населения от последствий "максимальной возможной аварии". Эта фраза была позже опущена, потому что она не дает единого уровня или стандарта, с которым нужно работать, и который необходим для обеспечения международной приемлемости односторонне утвержденных конструкций. Статистическая природа аварий в настоящее время в неявном виде содержится в требованиях. Главная цель испытаний упаковки - международная приемлемость, единообразие и повторяемость; испытания предусмотрены таким образом, что условия могут быть легко воспроизведены в любой стране. Условия испытаний ориентированы на воспроизведение тяжелых аварий в показателях повреждающих воздействий на упаковку. Эти условия создают повреждения, превышающие те, которые возникают в подавляющем большинстве зарегистрированных инцидентов, независимо от того, были вовлечены в них упаковки с РМ или нет (п. 726.2 TS-G-1.1).

3.4.4.1-С4. Последовательность испытаний для каждой упаковки, состоящих из механических воздействий с последующим тепловым воздействием, соответствует сценариям наиболее серьезных аварий на транспорте, хотя и не наиболее частых. Например, на железных дорогах 90% всех пожаров не имеют механических воздействий, а при столкновениях, сходах и т.п. пожары имеют место только в 1 - 3% таких аварий. Испытания на погружение в воду может проводиться на отдельных упаковках, не подвергнутых механическому и тепловому испытанию, поскольку вероятность аварии с погружением на глубину после серьезной механической и тепловой аварии крайне мала.

3.4.4.1-С5. Цель механических испытаний (п. 3.4.4.2 НП-053-04 или 727 Правил МАГАТЭ-96) и последующих тепловых испытаний (п. 3.4.4.3 НП-053-04 или 728 Правил МАГАТЭ-96) - воспроизведение повреждения упаковки, эквивалентного тому, которое могло наблюдаться в случае попадания упаковки в тяжелую аварию. Считается, что порядок и тип испытаний соответствуют порядку внешних воздействий на упаковку в условиях реальной аварии при перевозке, т.е. механические воздействия сопровождаются затем тепловым. Последовательность испытания также обеспечивает механические повреждения упаковки перед воздействием теплового испытания: таким образом, упаковка наиболее подвержена получению максимальных тепловых повреждений. Механические и тепловые испытания применяются к одному и тому же образцу последовательно. Испытание погружением в воду (п. 3.4.4.4 НП-053-04 или 729 Правил МАГАТЭ-96) может проводиться на отдельном образце, потому что вероятность погружения, возникающая в связи с тепловой (механической) аварией, крайне мала (п. 726.3 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С1. Испытания на механическое повреждение имитируют возможные аварийные механические воздействия (падение упаковки, динамическое раздавливание и пробой твердым узким предметом). Большинство упаковок должны испытываться на падение и пробой. Легкие же упаковки с малой плотностью и большой активностью должны подвергаться испытанию на раздавливание и пробой, так как для них испытание на раздавливание является более жестким, чем испытание на падение.

3.4.4.2-С2. Требования о проведении механических испытаний для упаковок типа B были внесены в Правила МАГАТЭ издания 1964 г. вместо требования выдерживать "максимально возможную аварию", которое не было регламентировано специальными требованиями к испытаниям, а было оставлено на усмотрение компетентного органа заинтересованной страны. Поскольку упаковки типа B(U) и типа B(M) могут перевозиться любыми видами транспорта, то требования к испытаниям для этих типов упаковок направлены на учет большого диапазона аварий, которые могут приводить к серьезным динамическим воздействиям на упаковки. Механические эффекты аварий могут быть сгруппированы в три категории: ударные, раздавливающие и проникающие нагрузки. Хотя численные значения для требований к испытаниям не определялись в то время непосредственно из анализов аварий, последующие анализы аварий и риска показали, что испытания представляют очень серьезные аварии на транспорте [90 - 95] (п. 727.1 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С3. При падении упаковки с высоты 9 м сочетание высоты падения 9 м, недеформируемой мишени и наиболее уязвимого для повреждения положения создает условия, в которых большая часть энергии падения поглощается структурой упаковки. В условиях реальных транспортных аварий такие мишени, как грунт или транспортное средство, являются деформируемыми, адсорбирующими часть энергии удара, и только более высокая скорость удара может вызывать эквивалентное повреждение [93 - 95] (п. 727.2 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С4. Конструкции тонкостенных упаковочных комплектов или конструкции с многослойными стенками (типа сэндвич) могут быть достаточно чувствительны к пробивающим нагрузкам в отношении потери целостности системы герметизации, потери тепловой изоляции или повреждения системы локализации. Даже толстостенные конструкции могут иметь слабые места, такие как крышки, дренажные отверстия, клапаны и т.д. Пробивающие нагрузки могут быть вероятными в авариях, поскольку ударяемые поверхности часто не плоски. Чтобы обеспечивать безопасность при таких нагрузках, были введены испытания на свободное падение с высоты 1 м на жесткий штырь. Высота падения и геометрические параметры пробоя в большей степени - результат инженерных оценок, чем вывод из анализа аварий (п. 727.3 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С5. Степень безопасности, обеспечиваемая испытанием на свободное падение с высоты 9 м, меньше для легких упаковок с малой плотностью, чем для тяжелых упаковок высокой плотности вследствие пониженной энергии удара и повышенной вероятности удара об относительно недеформируемую мишень [93 - 99]. Такие упаковки могут быть также уязвимыми к раздавливающим нагрузкам. Анализ аварий показывает, что вероятность динамических раздавливающих нагрузок в авариях на наземном транспорте выше, чем ударных нагрузок, потому что легкие упаковки перевозятся в больших количествах или вместе с другими упаковками [90 - 92]. Ошибки при обращении и складировании могут приводить к непомерным динамическим или статическим раздавливающим нагрузкам. Конечным результатом этого было включение испытаний на раздавливание (падение плиты массой 500 кг с высоты 9 м на упаковку) в Правила МАГАТЭ издания 1985 г. Упаковки, содержащие большое количество альфа-источников, в основном легкие, низкой плотности, вследствие их ограниченной защиты, и могут быть отнесены к этой категории. Они содержат, например, порошки оксида плутония и растворы нитрата плутония, которые являются РМ с высокой потенциальной опасностью. Вследствие их физических характеристик большинство упаковок будут предметом испытаний на свободное падение с высоты 9 м, а не испытаний на раздавливание (п. 727.4 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С6. Правила требуют, чтобы положения упаковки в испытаниях на удар (падении упаковки с высоты 9 м - падение I), раздавливание (падение плиты массой 500 кг с высоты 9 м на упаковку - падение III) или пробой (падение упаковки с высоты 1 м на штырь - падение II) были такими, чтобы произвести максимальное повреждение, принимая во внимание тепловое испытание. Порядок проведения испытаний должен быть наиболее разрушительным. Оценку максимального повреждения следует проводить относительно удержания РМ внутри упаковки, сохранения защиты, чтобы внешнее излучение оставалось в допустимых пределах, и в случае наличия делящихся материалов - относительно сохранения подкритичности. Следует учитывать любое повреждение, приводящее к повышению излучения, или потере герметичности, или к повреждению системы локализации после тепловых испытаний. Повреждение, которое может приводить упаковку в состояние, не пригодное для ее повторного использования, но не влияющее на ее способность соответствовать требованиям безопасности, не следует считать причиной для классификации образца, как не выдержавшего испытания (п. 727.5 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С7. В результате механических испытаний могут быть получены различные типы повреждений. Следует учитывать результаты таких повреждений при проведении любых аналитических оценок для демонстрации выполнения соответствующих требований. Нарушение критического компонента или пробой системы герметизации могут приводить к выходу РМ. Деформация может нарушать функцию радиационной или тепловой защиты, изменять конфигурацию делящихся материалов, и это следует отражать в допущениях и прогнозах при оценке критичности. Локальное повреждение защиты может, как результат последующих тепловых испытаний, приводить к увеличению нарушений как тепловой, так и радиационной защиты. Следовательно, при проведении исследований следует включать в рассмотрение нагрузки, напряжения, нестабильность и локальные эффекты для всех положений свободного падения, если не преобладает симметрия (п. 727.6 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С8. Выполнение многократных падений образца при одном и том же испытании может быть неосуществимым вследствие его повреждения на предыдущем этапе. Может возникать необходимость использования более чем одного образца либо применять анализ и аргументированные доказательства, основанные на технических данных, а с целью предсказания наиболее опасных положений для повреждения образца, чтобы исключать из испытаний те положения, которые не приводят к нарушению безопасности (п. 727.7 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С9. Наиболее опасные пространственные положения для упаковок цилиндрической или кубической формы могут быть определены на основе [87, 100]. Несимметричные элементы, особенно выступающие части, могут быть весьма чувствительны к повреждениям, особенно если используются как точка приложения воздействия. Подъемные и вспомогательные устройства, такие как салазки или узлы крепления, часто имеют отличную от смежных частей упаковки прочность или жесткость, и их следует рассматривать как возможные точки воздействия (п. 727.8 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С10. Неоднородности, такие как крышка и другие проникающие детали, могут образовывать локальный жесткий элемент или структуру с ограниченной прочностью, которые могут быть повреждены вследствие деформации соседних конструкций или высоких нагрузок (при торможении), действующих на удерживаемые ими массы (п. 727.9 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С11. Тонкостенные упаковки, такие как бочки, следует анализировать в отношении пластической деформации, вызывающей либо потерю уплотнения системы герметизации, либо нарушения в креплении крышки, достаточные для ее потери (п. 727.10 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С12. Пункт 2.12.3 НП-053-04 (п. 671 Правил МАГАТЭ-96) содержит требование о выполнении для делящихся материалов анализов критичности с учетом суммарных повреждений, полученных в результате механических и тепловых испытаний. Следует рассматривать такие аспекты, как эффективность замедлителя, потеря поглотителей нейтронов, перегруппировка содержимого упаковки, геометрические изменения и температурные эффекты. Предположения, сделанные при выполнении анализа критичности, следует согласовывать с последствиями механических и тепловых испытаний. Кроме того, при проведении анализа следует учитывать все положения упаковки (п. 727.11 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С13. Подразумевается, что падение упаковки (падения I и II) или тела массой 500 кг (падение III) должно быть свободным падением под действием силы тяжести. Если, однако, используются некие направляющие (салазки), важно, чтобы скорость удара была, по крайней мере, равна скорости удара, когда упаковка или тело находились в свободном падении (приблизительно 13,3 м/с для падений I и III) (п. 727.12 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С14. Для падения II требуемая длина проникающего штыря равна 20 см. Следует использовать большую длину стержня, когда расстояние между внешней поверхностью упаковки и любым внутренним компонентом, важным для ее безопасности, больше чем 20 см или, когда это требуется, исходя из ориентации модели. Указанное отчасти справедливо для образцов с большими устройствами для ограничения ударов, если для них рассматривается проникающее воздействие. В качестве материала для конструкции штыря выбирается мягкая сталь. Следует обеспечивать минимальное значение предела текучести для таких материалов (не менее 150 МПа и не более 280 МПа). Отношение предела текучести к пределу прочности должно быть не более 0,6. Проведение испытаний может быть сопряжено с трудностями, если возможен прогиб стержня. В этом случае следует обосновать необходимую длину стержня, обеспечивающую максимальное повреждение образца (п. 727.13 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С15. Для падения II положением, приводящим к наибольшему повреждению, не обязательно служит прямое воздействие на верхнюю поверхность стержня. Для некоторых конструкций упаковки было показано, что максимальные повреждения вызывают наклонные положения с углами наклона в диапазоне 20 - 30° вследствие начального проникновения угла штыря во внешнюю оболочку упаковки (п. 727.14 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С16. Только для предварительного конструирования и только для внешних оболочек типа сталь-свинец-сталь может быть использовано следующее уравнение для оценки толщины внешней оболочки, необходимой для сопротивления повреждению при испытаниях на пробой:

где:

t - толщина внешней оболочки, см;

w - масса упаковки, кг;

s - растягивающие напряжения материала внешней оболочки.

Уравнение основано на результатах испытаний, использующих отпущенную мягкую сталь с подложкой из химически чистого свинца [100]. Для упаковок, использующих материалы с другими физическими свойствами, может потребоваться иная толщина внешней стальной оболочки, чтобы соответствовать требованиям. Для упаковок небольшого диаметра (менее 0,75 м), или использующих материалы с другими физическими свойствами, или в случае ударов вблизи мест изменения геометрии, или при наклонном положении предварительная оценка может быть неконсервативной [100] (п. 727.15 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С17. При испытаниях на раздавливание (падение III) упаковку следует оставлять на мишени в устойчивом положении. Для достижения этого может потребоваться опора, присутствие которой не должно влиять на повреждение упаковки [101] (п. 727.16 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С18. Измерения испытываемых образцов и даже измерение реакции мишени на воздействие следует проводить по следующим причинам:

для проверки правильности допущений, сделанных при проведении анализа безопасности;

как основу для изменений конструкции;

как основу для конструирования упаковок, сравнимых с испытуемой;

как контрольное испытание для компьютерных программ (п. 727.17 TS-G-1.1).

3.4.4.2-С19. Примерами измеряемых функций в условиях удара (раздавливания) могут быть временная функция торможения и временная функция деформаций. Там, где для сбора, регистрации и накопления данных используются электронные устройства, следует проводить проверку возможной фильтрации, усечения или искажения масштаба сигнала, чтобы не потерять важные пиковые значения данных. Для большинства измерений потребуются кабельные соединения с внешними устройствами. Эти соединения следует выполнять таким образом, чтобы они не ограничивали свободное падение упаковки и не удерживали ее после удара (см. п. 701.9 (справка 3.1.1-С11 настоящего Руководства)) (п. 727.18 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С1. Как и обоснования адекватности механических испытаний реальным аварийным условиям, приведенные выше обоснования адекватности условий испытаний на пожар реальным пожарам на транспорте используют данные TS-G-1.1 по результатам зарубежных исследований. В отношении максимальных и усредненных температур пламени, их геометрического распределения в очаге реального пожара и других аналогичных условий, очевидно, трудно находить различие для пожаров на транспорте в России по сравнению с условиями в зарубежных странах.

Единственным отличающимся условием, на первый взгляд, может быть продолжительность пожаров с учетом протяженности маршрутов в России вследствие масштабов территории. Однако сравнение статистических данных продолжительности пожаров на железных дорогах Франции и СССР показало, что это различие незначительно (3 - 5%). Таким образом, имеются основания использовать результаты зарубежных исследований и для обоснования испытаний на пожар при перевозках в России.

3.4.4.3-С2. Работы, проведенные в США [90 - 92, 102 - 105], показывают, что тепловые испытания, определенные в п. 728 Правил МАГАТЭ-96 (п. 3.4.4.3 НП-053-04), охватывают внешние воздействия, сопровождающие большинство аварий на транспорте, связанных с пожарами. Правила определяют условия испытаний на основе горения жидкого углеводородного топлива на воздухе в течение 30 мин. Другие параметры, относящиеся к геометрии пламени и характеристикам теплопередачи, даны для определения поступления тепла к упаковке (п. 728.1 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С3. Тепловое испытание предполагает горение бассейна с жидким углеводородным топливом, которое призвано воспроизводить повреждающие воздействия от пожаров, включая горение твердых, жидких и газообразных горючих материалов. Такие жидкости, как нефтяной сжиженный газ, жидкий природный газ и жидкий водород, охватываются испытанием, потому что горение бассейна с подобными видами топлива будет не более 30 мин. Жидкие нефтяные продукты часто транспортируются по автомобильным и железным дорогам, по морю, и предполагается, что они могут стать причиной пожара, сопровождающего аварию. Жидкости, которые могут обтекать упаковки и создавать упомянутые выше условия, имеют ограниченный диапазон значений теплотворной способности, поэтому серьезный пожар довольно хорошо определен (п. 728.2 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С4. Температура и коэффициент черноты пламени (800 °C и 0,9) определяют временные и пространственно усредненные условия для горения топлива в бассейне. Локально, внутри пламени, температуры и потоки тепла могут превышать эти значения. Однако неидеальное расположение упаковки внутри пожара, перемещение со временем источника пожара относительно упаковки, экранированной другими негорючими упаковками или транспортными средствами, влияние ветра и массивные конструкции многих упаковок типа B(U) и типа B(M) будут усреднять реальные условия пожаров до условий, соответствующих испытанию, или до менее серьезных условий, чем при испытании [104, 105]. Присутствие упаковки и удаленность от источника кислорода (воздух проходит в глубь пламени примерно на 1 м) могут приводить к снижению температуры пламени, примыкающего к упаковке. Естественный ветер может приносить дополнительный кислород, но может и удалять пламя с отдельных частей упаковки, отсюда требование о постоянстве условий внешней среды. Использование вертикальных направляющих для пламени ниже упаковки будет снижать эффект ветра и увеличивать охват пламенем [106]. Оценивать значение коэффициента черноты трудно, потому что прямые измерения отсутствуют, но данные практических испытаний говорят, что значение 0,9 может быть оценено как преувеличенное. Маловероятно, чтобы условия аварии превышали комбинацию параметров серьезного пожара, имеющуюся в условиях испытаний (п. 728.3 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С5. Продолжительность большого нефтяного пожара зависит от количества вовлеченного в пожар топлива и от доступности средств борьбы с пожаром. Жидкое топливо перевозится в больших количествах, но для того, чтобы сформировать бассейн, необходимо поступление протечки в хорошо огороженную площадь вокруг упаковки с соответствующими потерями за счет дренажа. Не все содержимое отдельной цистерны будет вовлечено в такой сценарий, поскольку достаточно много топлива либо останется в самой цистерне, либо перетечет к другой упаковке. Наиболее вероятно, что содержимое других цистерн будет гореть на некотором расстоянии, так как пожар перемещается от цистерны к цистерне. Должен быть осознан тот факт, что при отсутствии прямой угрозы жизни пожару часто позволяют догореть до затухания естественным образом. Соответственно обзор имеющихся данных о продолжительности пожаров должен быть критическим. Таким образом, длительность пожара 30 мин. была выбрана из рассмотрения этих факторов и учитывает низкую вероятность для упаковки быть вовлеченной в пожар с большим объемом топлива и "наихудшим случаем" в отношении геометрии. Маловероятный пожар значительной продолжительности наиболее правдоподобен в сочетании с геометрическими условиями, которые обеспечивают эффективное снижение подвода тепла к упаковке, остающейся на грунте и (или) защищенной конструкциями перевозочного средства. Подвод тепла при проведении тепловых испытаний соответствует реалистическим условиям тяжелой аварии (п. 728.4 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С6. Следующая конфигурация геометрии пожара минимизирует эффекты потерь за счет излучения и увеличивает приток тепла к упаковке. Поднятие упаковки на отметку 0,6 - 1 м обеспечивает хорошее развитие пламени в месте расположения упаковки с достаточным пространством для бокового подвода воздуха. Это улучшает равномерность пламени без изменения тепловых потоков. Размещение источника топлива за границы упаковки гарантирует минимальную толщину пламени около 1 м, обеспечивая его разумно высокую излучательную способность. Размер бассейна должен на 1 - 3 м выходить за внешнюю поверхность испытываемого образца, для улучшения охвата пламенем. Большие размеры бассейна могут приводить к кислородному голоданию в центре и соответственно к низким температурам около упаковки [107] (п. 728.5 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С7. Предыдущие издания Правил содержали требование отсутствия искусственного охлаждения до истечения 3 ч после окончания горения. В издании 1985 г. ссылка на трехчасовой период была исключена. Подразумевалось, что оценка температур и давлений будет продолжаться до тех пор, пока внутренние и внешние температуры не снизятся и естественное горение компонентов упаковки будет продолжаться без вмешательства. Потери тепла с поверхности упаковки после окончания пожара будут определяться только естественной конвекцией и излучением (п. 728.6 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С8. Правила допускают другие значения поглощающей способности поверхности, если они могут быть обоснованы как альтернатива стандартному значению 0,8. На практике при горении бассейна образуется столько дыма, что сажа будет осаждаться на холодных поверхностях, изменяя условия теплообмена. Это благоприятно для повышения поглощающей способности, но создает барьер для теплопроводности. Значение 0,8 соответствует поглощающей способности красок и может рассматриваться как аппроксимация эффекта осаждения сажи на поверхности. Поскольку поверхность нагревается, сажа может не сохраниться, что может приводить к снижению поглощающей способности поверхности (п. 728.7 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С9. В Правилах МАГАТЭ издания 1985 г. устранена существовавшая ранее неопределенность "конвективного поступления тепла в условиях неподвижного окружающего воздуха при температуре 800 °C", но не сделано указания о значении коэффициента, необходимого конструктору для обоснования допущений. Существенная доля поступления тепла может быть получена за счет конвекции, особенно когда внешняя поверхность оребрена, и в начале испытания, когда поверхность относительно холодная. Подводимое конвективное тепло должно быть, по крайней мере, эквивалентно теплу при горении углеводородного топлива в воздухе при указанных условиях (п. 728.8 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С10. Преобладающие последствия тепловых испытаний - увеличение температур упаковки и последующие эффекты (например, высокое внутреннее давление). Пик температуры до некоторой степени зависит от начальной температуры, которую следует определять, используя соответствующие (максимальные) начальные условия для внутреннего тепловыделения, солнечного тепла и температуры окружающей среды. Для практических испытаний не все из этих условий достижимы, поэтому следует выполнять соответствующие измерения (например, температуры окружающей среды) и соответствующим образом корректировать температуру упаковки после испытания (п. 728.9 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С11. Условия пожара, определенные в Правилах, и требование о полном охвате пламенем в течение всего испытания представляют собой очень серьезное испытание для упаковки. Не ставится задача определения наихудшего потенциального пожара. На практике некоторые параметры могут быть более тяжелыми, чем указанные в Правилах, однако другие могут быть менее тяжелыми. Например, трудно представить такую практическую ситуацию, когда все поверхности упаковки испытывают на себе все воздействие пламени, так как можно предполагать, что существенная часть площади поверхности защищена либо грунтом, либо обломками и осколками, образующимися при аварии. Упор был сделан в большей степени на тепловой поток, чем на выбор отдельных параметров, и определенные таким образом условия представляют собой очень тяжелое испытание для любой упаковки [105]. Тепловое испытание является только одним из кумулятивной серии испытаний, которым необходимо подвергнуть упаковку для приведения к максимальному ее повреждению. Это повреждение должно оставаться очевидно малым в свете строгих критериев для целостности системы герметизации, уровня внешнего излучения и безопасности по критичности (п. 728.10 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С12. Ниже приводятся примеры, которые могут быть рекомендованы. Могут использоваться и другие подходы и методы, но они предполагают больший объем обоснований для своей поддержки. Важно отметить, что требования теплового испытания могут быть удовлетворены проведением практических испытаний, расчетными оценками или их комбинацией. Последний подход может потребоваться, если, например, начальные условия, необходимые для испытания, не были достигнуты или если элементы конструкции упаковки не были полностью представлены в эксперименте. Во многих случаях последствия теплового испытания необходимо определять расчетным путем и, таким образом, они становятся неотъемлемой частью планирования и проведения практических испытаний. Правила устанавливают определенные параметры горения, которые представляют собой важные исходные данные для расчетов, но в целом при проведении практических испытаний не контролируемы. Стандартизация практического испытания достигается регламентацией топлива и геометрии бассейна для горения и требованием других практических методов для обеспечения такого же или большего подвода тепла (п. 728.11 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С13. Что касается конструкции упаковки, то некоторые защитные материалы имеют эвтектику с температурой плавления ниже окружающей температуры теплового испытания 800 °C. Поэтому следует проанализировать способность конструкционных материалов сохраняться. Такие материалы локальной защиты, как пластик, твердый парафин или вода, могут испаряться, создавая давление, которое может разорвать оболочку, которая, в свою очередь, могла быть ослаблена повреждениями, полученными в ходе механических испытаний. Может потребоваться термодинамический анализ для определения, действительно ли такое давление может быть достигнуто (п. 728.12 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С14. Нижнюю часть испытываемой упаковки следует располагать на 0,6 - 1,0 м выше, чем поверхность жидкого топлива. Если топливо не восполнять или не заменять другой жидкостью, его уровень во время испытания будет снижаться, вероятно, на 100 - 200 мм. Образец упаковки должен поддерживаться таким образом, чтобы поток тепла и пламя получали минимальные возмущения за счет опор, поддерживающих образец. Например, большое количество малых опор предпочтительнее одной опоры, закрывающей большую площадь упаковки. Транспортное средство и некоторое вспомогательное оборудование, которое может защищать упаковку на практике, следует изъять из испытания, поскольку такая защита была учтена при определении условий испытания (п. 728.13 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С15. Следует обеспечивать вылет размера топливного бассейна на 1 - 3 м за пределы всех сторон упаковки так, чтобы все стороны были охвачены ярким пламенем толщиной не менее 0,7 м и не более 3 м, принимая во внимание снижение толщины пламени при увеличении высоты над бассейном. Упаковки больших размеров потребуют большего вылета, так как толщина пламени будет меняться тем больше, чем больше охваченные им расстояния. Требование о полном охвате пламенем может быть интерпретировано как необходимость для всех частей упаковки оставаться невидимыми в течение 30 мин. испытаний или, по крайней мере, в течение большей части этого времени. Это может быть достигнуто наилучшим образом путем охвата пламенем большой толщины, которое может естественным образом менять свою толщину, не становясь при этом прозрачным. Требуется низкая скорость ветра (постоянные спокойные условия внешней среды) для обеспечения устойчивого охвата пламенем, хотя большие пожары сами могут инициировать значительные локальные скорости ветра. Стабилизировать пламя могут помочь защитные ширмы или экраны, однако следует следить за тем, чтобы не допускать изменения характера пламени и избегать отражения или прямого излучения с поверхности. Это увеличило бы приток тепла к упаковке, и, таким образом, не сделав испытание недействительным, ужесточило бы его условия больше, чем это необходимо (п. 728.14 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С16. Не следует откладывать проведение испытания при скоростях ветра менее 2 м/с. Короткие порывы ветра высокой интенсивности также не могут существенно повлиять на упаковки с высокой теплоемкостью, особенно если охват пламенем устойчиво поддерживается. Испытания на открытом воздухе следует проводить только в том случае, если дождь, град или снег не возникнут до окончания охлаждения образца после теплового воздействия. Упаковку следует располагать наименьшими размерами по вертикали для обеспечения лучшего охвата пламенем, если другая ее ориентация не приводит к большему притоку тепла или большему повреждению; в этом случае следует выбрать именно это положение (п. 728.15 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С17. Топливо для испытания должно содержать дистиллят нефти с конечной точкой дистилляции максимум 330 °C и температурой вспышки в открытой чашке минимум 46 °C, с высокой теплотворной способностью между 46 и 49 МДж/кг. Эти условия в основном соответствуют углеводороду, полученному из нефти с плотностью менее чем 820 кг/куб. м, т.е. керосину и топливу типа JP4. Малые количества более летучего топлива могут быть использованы для поджога бассейна, так как это будет иметь незначительное влияние на общий подвод тепла (п. 728.16 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С18. Выбор измерительной техники будет диктоваться тем, как будут использоваться данные практического теплового испытания. Некоторые измерения очень важны, если испытание обеспечивает данные для расчетов с целью демонстрации соответствия Правилам. Тип и расположение измерительных приборов зависят от необходимых данных, например, могут понадобиться измерения внутреннего давления и температуры, и, если предполагается возникновение значительных напряжений, следует устанавливать датчики напряжений. Во всех случаях следует обеспечивать защиту кабелей, передающих сигналы через пламя во избежание посторонних электрических напряжений, создаваемых при высоких температурах. В качестве альтернативы непрерывным измерениям упаковка может быть оборудована таким образом, чтобы приборы могли быть подсоединены вскоре после окончания горения, но достаточно рано для фиксирования максимальных значений давления и температуры. Измерить утечку можно путем предварительной опрессовки и повторных измерений после теплового испытания с обеспечением (при необходимости) соответствующих поправок на температуру (см. пп. 656.5 - 656.24 TS-G-1.1) (справки 2.9.2-С3 - 2.9.2-С8 и 2.9.5-С5 - 2.9.5-С18 настоящего Руководства) (п. 728.17 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С19. Продолжительность испытания может регулироваться путем измеряемой подачи топлива, рассчитанной таким образом, чтобы обеспечивать требуемые 30 мин., отключением подачи топлива в определенное заранее время, путем откачивания топлива из бассейна в конце испытания или путем осторожного гашения пламени без воздействия реагентами на поверхность упаковки. Продолжительность испытания - это время между достижением хорошего охвата пламенем и требуемой температуры пламени и временем, когда эти условия перестают выполняться (п. 728.18 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С20. Измерения следует продолжать после горения, по крайней мере, до тех пор, пока внутренние температуры и давления не начнут падать. В случае возникновения в этот период дождя или других осадков следует использовать временное укрытие для защиты упаковки и для предотвращения нежелательного угасания горения материалов упаковки, однако следует следить за тем, чтобы не ограничивать теплоотдачу от упаковки (п. 728.19 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С21. Когда испытания обеспечивают данными для аналитических оценок упаковки, измерения, полученные в ходе испытания, следует корректировать для нестандартных начальных условий температуры окружающей среды, инсоляции, внутреннего тепловыделения, давления и т.д. Следует оценивать влияние частичной загрузки, т.е. неполного количества содержимого в упаковке на изменение теплоемкости и теплопередачи (п. 728.20 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С22. Испытания с нагревом в печи часто более удобны, чем открытые испытания при горении бассейна. Другими возможными внешними условиями испытаний могут быть горение в колодезном горне и использование системы горелок на открытом воздухе, работающих на сжиженном нефтяном газе [108]. Любое из этих испытаний является приемлемым, при условии, что оно удовлетворяет требованиям п. 728 Правил МАГАТЭ-96. Методы проверки требуемого подвода тепла и обоснования тепловых условий окружающей среды можно найти в [109 - 111] (п. 728.21 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С23. Требование о том, чтобы увеличение внутренней температуры было не менее чем предсказанное увеличение при пламени с температурой 800 °C, гарантирует удовлетворительный подвод тепла. Однако испытание следует продолжать, по крайней мере, 30 мин., в течение которых усредненная по времени температура должна быть, по крайней мере, 800 °C. Следует обеспечивать источник с высокой излучательной способностью, выбирая печь либо с внутренней поверхностью, значительно превышающей огибающую поверхность упаковки, либо с высокой излучающей способностью внутренней поверхности (0,9 или выше). Многие печи не способны воспроизводить или требуемую излучательную способность, или поступление конвективного тепла, соответствующие горению бассейна; для компенсации этого может потребоваться увеличение продолжительности испытаний. В качестве альтернативы может быть использована более высокая температура печи, но продолжительность испытания следует обеспечивать, как минимум, 30 мин. Следует измерять температуру стен печи в нескольких местах, чтобы показывать, что средняя температура не менее 800 °C. Печь может быть предварительно прогрета в течение достаточного времени для достижения теплового равновесия, тем самым предотвращается значительное падение температуры при внесении упаковки (п. 728.22 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С24. Расчет теплопередачи или определение физических и химических изменений полномасштабной упаковки, основанные на экстраполяции результатов теплового испытания масштабной модели, могут быть невозможными без большого количества других испытаний. Программа моделирования каждого процесса отдельно в широком диапазоне требует всестороннего исследования с помощью теоретической модели. Таким образом, метод, по существу, имеет небольшие преимущества перед обычным аналитическим методом. Любое масштабное испытание и интерпретация полученных результатов требуют демонстрации технической достоверности. Однако может быть полезно использование полномасштабных моделей частей упаковки, если расчет для элемента (такого, как оребренная поверхность) оказывается затруднен. Например, эффективность тепловой защиты или амортизатора, выполняющего эту роль, может быть легко продемонстрирована путем испытания этого компонента с относительно простым телом под ним. Моделирование элементов весьма важно для валидации компьютерных моделей. Но измерять температуру пламени и излучательную способность пламени и поверхности очень трудно и могут быть не обеспечены достаточно точные данные для расчетов с целью валидации. Выбор размера элемента и соответствующей изоляции следует проводить таким образом, чтобы входящий тепловой поток от искусственных границ (т.е. границ, представляющих остальную часть упаковки) был незначительным (п. 728.23 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С25. Тепловое испытание уменьшенных моделей, удовлетворяющее определенным условиям теплового испытания, может проводиться и давать консервативные результаты для температур при условии, если отсутствуют фундаментальные изменения в тепловом поведении компонентов (п. 728.24 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С26. Наиболее общий метод оценки упаковок для тепловых испытаний - расчет. Универсальные компьютерные программы для расчета теплопередачи для такого моделирования упаковок доступны, однако следует удостовериться в том, что средства, которыми располагает программа, в частности для моделирования теплопередачи излучением от окружающей среды к внешней поверхности, адекватным геометрии упаковки. В конечном счете, для валидации могут потребоваться практические испытания, но часто используются доводы, демонстрирующие, что аппроксимации или принятые допущения создают более серьезные испытания, чем необходимо. В общем случае валидация программы дополняется сравнением с аналитическими решениями и с результатами расчетов по другим программам (п. 728.25 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С27. В общем случае нормальные условия перевозки должны будут оцениваться с помощью расчета, поэтому детальное распределение температур и давлений должно стать известным. В качестве альтернативы температуры упаковки могут быть измерены экспериментально, чтобы после корректировки, в соответствии с температурой окружающей среды, влиянием инсоляции и тепловыделения содержимого, они обеспечивали начальные условия для рассчитанных условий теплового испытания. Корректировки на температуры окружающей среды могут быть проведены в соответствии с п. 651.4 TS-G-1.1 (см. справку 2.9.3-С7 настоящего Руководства) (п. 728.26 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С28. Внешние граничные условия горения следует представлять через излучение, отражение и конвекцию. Температура определена в Правилах как среднее значение 800 °C, поэтому в общем случае для источника излучения и для конвективной теплопередачи следует использовать равномерную среднюю температуру 800 °C (п. 728.27 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С29. Предписанное значение излучательной способности (коэффициента черноты) пламени равно 0,9. Для ровной поверхности эта величина может быль использована уверенно, но для оребренных поверхностей тонкие языки пламени между ребрами будут иметь излучательную способность, которая намного ниже этого значения. Доминирующим источником излучения на оребренные поверхности будет поэтому пламя вне ребер; излучением от пламени во впадинах между ребрами можно пренебречь. Для всех случаев с развитой оребренной поверхностью следует использовать угловой коэффициент излучения, соответствующий геометрии, а также принимать во внимание отраженное излучение. Следует избегать учета излучения, "отраженного" от поверхности, представляющей пламя, так как это нетипичная ситуация (п. 728.28 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С30. Предписанная поглощающая способность (коэффициент черноты) поверхности равна 0,8, если не установлено альтернативное значение. Практически весьма трудно доказать альтернативное значение, поскольку условия на поверхности меняются при горении, особенно за счет осаждения сажи, и данные, полученные после горения, могут быть неприемлемыми. Таким образом, для аналитических оценок наиболее приемлемым значением является 0,8. Важно принимать во внимание отраженное излучение, особенно для сложных оребренных поверхностей, так как многократное отражение повышает эффективную поглощающую способность до величины, близкой к единице. Этой трудности можно избежать, предположив поглощающую способность поверхности, равную единице, но даже в этом случае не следует пренебрегать излучением от поверхности к поверхности, в частности в период охлаждения (п. 728.29 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С32. Коэффициенты конвективного теплообмена для периода охлаждения после испытания могут быть получены из литературы по стандартной естественной конвекции, например, [113]. В этом случае могут легко применяться значения коэффициентов, подходящих для каждой поверхности. Для вертикальных плоскостей уравнение турбулентной естественной конвекции определяется как:

3.4.4.3-С33. Следует анализировать правильность моделирования любой тепловой защиты, такой как ограничители ударов, испытавших воздействие в результате механических испытаний, установленных в п. 3.4.4.2 НП-053-04 (п. 727 Правил МАГАТЭ-96). Например, изменение размеров (формы), изменение плотности материалов вследствие сжатия, отделение тепловой защиты (п. 728.32 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С34. Для расчетов, выполняемых с использованием моделей конечных разностей или конечных элементов, следует использовать достаточно густую сетку или распределение элементов, чтобы правильно представлять внутреннюю теплопроводность, а также внешние и внутренние граничные условия. Следует уделять внимание внешним элементам, таким как оребрение, поскольку температурные градиенты могут быть очень велики и возможно потребуется выполнять отдельные детальные расчеты для определения потока тепла к основному телу. Следует рассматривать выбор одно-, двух- или трехмерных моделей и принимать решение относительно того, всю упаковку или отдельные ее части следует оценивать (п. 728.33 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С35. Внешние поверхности с низкой теплопроводностью могут вызывать колебание рассчитываемых температур. Чтобы справиться с этим, могут потребоваться специальные методики (например, упрощение граничных условий) или допущения (например, о том, что усредненные во времени температуры достаточно точны) (п. 728.34 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С36. Теплопроводность и излучение могут моделироваться явно, а внешняя конвекция привносит с собой несколько проблем для универсальных компьютерных программ, и могут потребоваться экспериментальные свидетельства для поддержания допущений по моделированию и основные данные, использованные для представления внутренней конвекции и излучения. Отражение излучения будет важно для упаковок, заполненных газом, и недостаточные знания относительно термоэмиссионной способности могут ограничивать конечную точность расчетов. Чтобы продемонстрировать адекватность принятых допущений и обеспечивать консервативные (т.е. максимальные) пределы рассчитываемых температур, может быть использован анализ чувствительности с применением различных значений термоэмиссионной способности (п. 728.35 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С37. Внутренняя конвекция будет важной для упаковок, заполненных водой, и может быть значительной для упаковок, заполненных газом. Этот процесс трудно поддается предсказанию, если нет экспериментальных данных для обоснования допущений, сделанных при моделировании. Там, где для воды обеспечены пути циркуляции, внутреннее рассеяние тепла будет быстрым по сравнению с другими постоянными времени, и могут быть сделаны упрощающие допущения (например, вода может моделироваться искусственными материалами с высокой теплопроводностью). Следует обращать внимание на те области, где отсутствует циркуляция воды (области застоя), так как из-за реально низкой теплопроводности воды в этих местах могут быть высокие температуры (п. 728.36 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С38. Газовые зазоры и контактные сопротивления могут меняться в зависимости от меняющегося расширения элементов, и не всегда ясно, приведет ли данное допущение к высоким или к низким температурам. Например, высокое сопротивление газового зазора будет препятствовать потоку тепла, снижая температуры внутри, но увеличивая другие температуры вследствие уменьшения эффективной теплоемкости. В таких случаях расчеты, основанные на двух крайних допущениях, могут приводить к доказательству, что оба условия приемлемы, откуда косвенно следует, что все вариации между ними также приемлемы. Зазоры и контактные сопротивления в испытываемом образце должны соответствовать будущей продукции. Уплотнения редко представляются в явном виде, но локальные температуры могут быть использованы как близкая аппроксимация температуры уплотнения (п. 728.37 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С39. Расчет переходного процесса теплового испытания должен включать начальные условия - 30 мин. под воздействием внешних условий горения - и период охлаждения, продолжающийся до тех пор, пока все температуры продолжают снижаться во времени. Следует дополнительно выполнять расчеты, возможно, с другим распределением расчетной сетки для проверки правильности расчетной модели и оценки неопределенностей, связанных с принятыми при моделировании допущениями (п. 728.38 TS-G-1.1).

3.4.4.3-С41. На температуры и давления в установившемся состоянии после испытательного воздействия могут влиять необратимые изменения при тепловом испытании (возможно, вследствие защитных мер, таких как применение расширяющихся покрытий или вследствие плавления и последующего перемещения свинца внутри упаковки). Указанные эффекты следует оценивать (п. 728.40 TS-G-1.1).

3.4.4.4-С1. В результате транспортных аварий на реке, озере или в море либо вблизи них упаковка может быть подвергнута воздействию внешнего давления при погружении в воду. Для имитации эквивалентного повреждения от этого маловероятного события Правила требуют, чтобы упаковочный комплект мог противостоять внешнему давлению, эквивалентному погружению на разумную глубину. Инженерные оценки показывают, что глубина воды рядом с большинством крупных мостов, дорог или портов будет меньше 15 м. Соответственно глубина 15 м была принята в качестве глубины погружения для упаковок (упаковка, содержащая большие количества облученного ядерного топлива должна быть способна противостоять большим глубинам (см. п. 3.4.4.5 НП-053-04 или п. 730 Правил МАГАТЭ-96). Хотя возможно погружение упаковки на глубину большую, чем 15 м, эта величина была выбрана, чтобы охватывать эквивалентное повреждение при большинстве аварий на транспорте. К тому же потенциальные последствия от значительного выхода радиоактивности будут больше вблизи берега или на мелководье. Период, равный 8 ч, достаточен для установления стационарного состояния упаковки после воздействий, зависящих от скорости погружения (например, от затопления ее внешних компонентов) (п. 729.1 TS-G-1.1).

3.4.4.4-С2. Тест на погружение может быть проведен путем погружения упаковки под воду путем испытания внешним давлением не менее 150 кПа, путем испытания на давление критических элементов в сочетании с расчетами или путем расчетного анализа всей упаковки. Целая упаковка может не подвергаться испытанию давлением. Обоснование допущений модели относительно реакции критических элементов следует включать в оценку (п. 729.2 TS-G-1.1).

3.4.4.5-С1. См. пп. 657.1 - 657.7, 729.1 и 729.2 TS-G-1.1 (справки 2.9.2-С1 - 2.9.2-С7, 3.4.4.4-С1 и 3.4.4.4-С2 настоящего Руководства) (п. 730.1 TS-G-1.1).

3.4.4.5-С2. Испытание на погружение в воду может быть проведено путем погружения упаковки под воду, путем испытания на давление не менее 2 МПа, путем испытания на давление критических компонентов в сочетании с расчетами или путем расчетного анализа для всей упаковки (п. 730.2 TS-G-1.1).

3.4.4.5-С3. Если приняты расчетные методы, то следует иметь в виду, что используемые методы обычно направлены на определение материала, свойств и геометрии, которые в результате дадут конструкцию, способную противостоять требуемым нагрузкам от давления без какого-либо повреждения. В случае испытания с погружением на глубину 200 м в течение не менее 1 ч, допускается некоторая степень изгиба, потеря устойчивости или деформации, если конечные условия соответствуют п. 657 Правил МАГАТЭ-96 (п. 730.3 TS-G-1.1).

3.4.4.5-С4. Вся упаковка не обязана подвергаться испытанию давлением. Такие критические компоненты, как область крышки, могут быть подвергнуты испытанию внешним избыточным давлением не менее 2 МПа, а устойчивость конструкции может быть оценена путем расчета (п. 730.4 TS-G-1.1).