鄭 斌

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)試驗(yàn)室 成都 610041）

反應(yīng)堆壓力容器缺陷的斷裂評定

鄭 斌

（中國核動力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)試驗(yàn)室 成都 610041）

某反應(yīng)堆壓力容器在役UT檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)一處缺陷，為確保RPV在服役期限內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性，有必要進(jìn)行RPV缺陷的斷裂力學(xué)分析研究。根據(jù)ASME規(guī)范,將該缺陷假定為裂紋深度為10.1 mm的環(huán)向內(nèi)表面裂紋，并進(jìn)行了斷裂力學(xué)計(jì)算及評價(jià)。分析內(nèi)容主要包括計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展量、評價(jià)各種工況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，載荷為瞬態(tài)的溫度波動、壓力以及焊接殘余應(yīng)力。評價(jià)工況包括正常及擾動工況、緊急工況、事故工況。研究結(jié)果表明，正常及擾動工況瞬態(tài)載荷對RPV筒體淺層內(nèi)表面裂紋的疲勞擴(kuò)展作用不明顯，40年壽期末的疲勞裂紋擴(kuò)展量約為0.228 mm。各工況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子均滿足規(guī)范要求，含缺陷的反應(yīng)堆壓力容器可以繼續(xù)服役，無需修補(bǔ)。

應(yīng)力強(qiáng)度因子，壓力容器，斷裂，評定

某反應(yīng)堆壓力容器(RPV)在役UT檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)一處堆焊層缺陷，該缺陷位于過渡段和下部堆芯筒體環(huán)焊縫區(qū)域的堆焊層與母材結(jié)合面之間，距該焊縫中心線(0.8±1) mm。UT檢測的缺陷數(shù)據(jù)如下：環(huán)向：起點(diǎn)326.88°，末點(diǎn)333.10°，長度209.4 mm；徑向：上端點(diǎn)7.1 mm，下端點(diǎn)10.1 mm，高度3.0mm。RPV筒體及下封頭的材料為508Ⅲa，為確保RPV在服役期限內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性，有必要進(jìn)行RPV缺陷的斷裂力學(xué)分析研究。RPV結(jié)構(gòu)完整性研究的關(guān)鍵包括承壓熱沖擊(PTS)分析、疲勞裂紋擴(kuò)展分析。國內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在PTS分析[1–4]。疲勞裂紋擴(kuò)展分析則少有關(guān)注，相關(guān)的研究則主要僅在管道、筒體等的斷裂參量計(jì)算[5–8]。由于缺陷尺寸很小，可以被PTS分析時(shí)的假設(shè)裂紋尺寸[4]所包絡(luò)，因此，本文僅研究RPV的疲勞裂紋擴(kuò)展分析及評定。

根據(jù)ASME規(guī)范[9]XI，對于缺陷尺寸滿足IWB-3500要求的無需分析評定；對于超過IWB-3500要求的裂紋，則需進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算以滿足IWB-3610的要求，本文的缺陷尺寸可基本滿足IWB-3500的要求。鑒于核壓力容器結(jié)構(gòu)完整性的重要性，本文進(jìn)行了詳細(xì)的斷裂力學(xué)分析評定。其中，缺陷保守的假定為裂紋深度為10.1 mm的表面裂紋(將缺陷頂點(diǎn)位置到堆焊層內(nèi)表面的深度作為缺陷深度考慮，缺陷高度3.0 mm + 7.1 mm = 10.1 mm)。

1 評定規(guī)范及準(zhǔn)則

根據(jù)ASME規(guī)范XI卷A-3320(b)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子。計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展時(shí)考慮正常運(yùn)行及擾動工況瞬態(tài)、水壓試驗(yàn)瞬態(tài)。疲勞裂紋擴(kuò)展采用經(jīng)典的Paris公式，疲勞裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值以及應(yīng)力強(qiáng)度因子比值有關(guān)，可根據(jù)ASME規(guī)范XI卷A-4300確定。斷裂韌性(MPam)的計(jì)算如下：

其中，T(單位oC)為裂紋尖端的溫度，ART取壽期末的輻照轉(zhuǎn)變溫度(17oC)。

根據(jù)ASME規(guī)范IWB-3610，含缺陷結(jié)構(gòu)繼續(xù)服役的評定準(zhǔn)則為：(1) 滿足評定準(zhǔn)則IWB-3611或者IWB-3612；(2) 滿足NB-3000的一次應(yīng)力限制。

根據(jù)ASME規(guī)范Ⅺ卷IWB-3612：

其中，KI為施加的應(yīng)力強(qiáng)度因子，KIc為起裂的斷裂韌性表示正常運(yùn)行及擾動工況，表示緊急和事故工況。

2 分析工況、載荷及模型

疲勞裂紋擴(kuò)展分析需評價(jià)的工況包括：正常及擾動工況、緊急工況、事故工況。載荷為各工況下的壓力及溫度瞬態(tài)以及焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力的分布見圖1。

圖1 焊接殘余應(yīng)力分布Fig.1 Weld residual stress profile.

RPV的主要結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。采用ANSYS[10]程序建立二維軸對稱分析模型，有限元分析模型(見圖3)采用耦合場軸對稱單元。其中，在RPV筒體頂部施加軸向固定約束，在RPV堆焊層內(nèi)表面施加壓力及溫度瞬態(tài)載荷。

圖2 主要結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Main structure dimensions.

圖3 有限元模型圖Fig.3 FEM model.

3 疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算

疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算包括三部分內(nèi)容即：溫度場及應(yīng)力計(jì)算、應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算、裂紋擴(kuò)展量的計(jì)算。

采用ANSYS程序逐條計(jì)算所有瞬態(tài)在溫度及壓力瞬態(tài)載荷作用下的溫度場及應(yīng)力；提取缺陷處各瞬態(tài)每一載荷步下的薄膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，并根據(jù)第1節(jié)的方法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子；提取各瞬態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果中的最大值Kmax、最小值Kmin。根據(jù)第1節(jié)的方法，循環(huán)計(jì)算壽期(40年)末的疲勞裂紋擴(kuò)展量。疲勞裂紋擴(kuò)展的主要結(jié)果見表1。

表1 疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)果Table 1 Results of fatigue crack growth.

4 分析評定結(jié)果及結(jié)論

各類工況的分析評定結(jié)果見表2–4。表2中比值為各瞬態(tài)結(jié)果中KⅠ/(KⅠC/10)的最大值，表3和表4中比值為各瞬態(tài)結(jié)果中KⅠ/(KⅠC/2)的最大值。另外，與反應(yīng)堆壓力容器筒體的壁厚尺寸相比，該缺陷的徑向尺寸非常小，對壓力承載能力的影響非常有限，據(jù)此判斷應(yīng)力分析結(jié)果滿足ASME規(guī)范第Ⅲ卷NB-3000對于一次應(yīng)力的要求。計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，含缺陷的反應(yīng)堆壓力容器可以繼續(xù)服役。

研究結(jié)果表明，對于典型壓水堆壓力容器，初始表面裂紋深度為10.1 mm，承受40年壽期的正常及擾動工況瞬態(tài)加載以及考慮焊接殘余應(yīng)力的影響后，壽期末的裂紋深度為10.328 mm，疲勞裂紋擴(kuò)展量很小，僅為0.228 mm，常規(guī)的正常及擾動工況瞬態(tài)對RPV筒體的淺層內(nèi)表面裂紋的疲勞擴(kuò)展作用不明顯。

表2 正常及擾動工況的評定結(jié)果Table 2 Results of normal and upset conditions.

表3 緊急工況的評定結(jié)果Table 3 Results of emergency conditions.

表4 事故工況的評定結(jié)果Table 4 Results of faulted conditions.

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10 ANSYS, User’s Manual[S]. Revision 11.0

Fracture assessment for reactor pressure vessel flaw

ZHENG Bin
(Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

Background: A flaw is discovered by ultrasonic test at reactor pressure vessel during the service. Purpose: In order to insure the structural integrality of RPV, it is necessary to perform the fracture analysis for RPV flaw. Methods: According to ASME rule, fracture analysis is performed, which the flaw is assumed as a circumferential surface crack and crack depth is 10.1 mm. The analysis work contains the calculation of fatigue crack growth and the assessment of stress intensity factor under several category conditions. The loads are the temperature fluctuation, pressure and weld residual stress. The concerned category conditions include normal and upset conditions, emergency conditions, and faulted conditions. Results: The analysis results show that normal and upset conditions transient loading has little effect on the fatigue crack growth of low inner surface crack. The fatigue crack growth is about 0.228 mm at the end of 40 years service life. Conclusions: The stress intensity factor results of all conditions satisfy the requirement of ASME Rule. The RPV with flaw can continue service without repair.

Stress intensity factor, Pressure vessel, Fracture, Assessment

TL351+.6

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040626

鄭斌，男，1981年出生，2006年于中國核動力研究設(shè)計(jì)院獲碩士學(xué)位，工程師，從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、疲勞分析等工作

2012-10-31，

2013-03-21

CLC TL351+.6