沈 睿 曹 明 賀寅彪 陶宏新 陳 孟

（上海核工程研究設計院工程設備所 上海 200233）

LWR壓力容器接管考慮環(huán)境影響的疲勞計算

沈 睿 曹 明 賀寅彪 陶宏新 陳 孟

（上海核工程研究設計院工程設備所 上海 200233）

在設計階段考慮環(huán)境對疲勞的影響是第三代核電站一回路主設備設計的關鍵技術之一，本文介紹了ASME規(guī)范Code Case N-792對輕水堆(LWR)一級承壓設備考慮環(huán)境影響疲勞時的環(huán)境影響疲勞修正系數(shù)(Fen)和應變速率ε'的計算方法。建立反應堆壓力容器接管的軸對稱模型，并根據(jù)Code Case N-792的要求對一回路主設備反應堆壓力容器接管進行考慮環(huán)境影響的疲勞計算，計算時分別采用簡化法和詳細積分法。對不考慮環(huán)境影響的ASME第III卷的疲勞計算結(jié)果和Code Case N-792的疲勞計算結(jié)果進行對比和探討。當考慮環(huán)境影響后，SCL1截面的疲勞壽命縮短為空氣狀態(tài)下的1/3，SCL2截面的疲勞壽命減少了3/5。

環(huán)境影響疲勞，壓力容器，Code Case N-792，LWR

環(huán)境影響疲勞問題(EAF)在20世紀80年代初，首先由日本學者Higuchi博士提出[1]。NRC于2007年發(fā)布RG1.207導則對新建核電廠提出考慮LWR環(huán)境對疲勞影響的要求，并在NRC的研究報告NUREG/CR-6909中給出了實施細則[2]。ASME規(guī)范于2010年發(fā)布規(guī)范案例N-792，給出了核一級設備考慮環(huán)境影響疲勞的計算方法[3]。目前我國已建成的核電廠在疲勞分析中均未考慮LWR環(huán)境對設備的影響，在環(huán)境影響疲勞的分析領域還處于空白。本文根據(jù)ASME Code Case N-792給出的環(huán)境影響疲勞的計算方法，對一回路主設備壓力容器接管進行考慮環(huán)境影響的疲勞計算，并對計算結(jié)果進行探討。

1 ASME Code Case N-792對環(huán)境影響疲勞的分析方法

ASME Code Case N-792通過引入環(huán)境影響修正因子(Fen)來考慮LWR環(huán)境對部件疲勞壽命的影響，其具體計算流程可以歸納為以下幾個步驟：

(1) 確定應力差 采用ASME規(guī)范NB-3200給出的方法確定應力差和交變應力Sa。

(2) 確定系數(shù) 采用理論、試驗等方法確定的因結(jié)構(gòu)不連續(xù)而造成的應力集中系數(shù)。

(3) 選取設計疲勞曲線 疲勞分析計算時應采用Code Case N-792中給出的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼和Ni-Cr-Fe鋼的設計疲勞曲線。

(4) 采用ASME規(guī)范確定彈性模量的影響。

(5) 求各應力循環(huán)所造成的損傷因子U1、U2、U3、……、Un。

(6) 根據(jù)Code Case N-792確定環(huán)境影響修正因子(Fen)。

(7) 求解累計損傷?？紤]環(huán)境影響的疲勞累計損傷因子Uen=U1Fen,1+ U2Fen,2+ U3Fen,3+ …UnFen,n，式中Fen,i為第i種載荷配對時環(huán)境對疲勞的影響；Ui為不考慮環(huán)境影響時第i種載荷配對的疲勞使用系數(shù)；Uen為考慮環(huán)境影響后的累積疲勞使用系數(shù)。

2 壓力容器進口接管的環(huán)境影響疲勞計算

根據(jù)本文第2節(jié)對ASME Code Case N-792對環(huán)境影響疲勞計算的理解和歸納，本文選取受環(huán)境影響疲勞比較嚴重的反應堆壓力容器接管部位進行計算。首先利用ANSYS軟件對本文進口接管所承受的瞬態(tài)載荷進行應力分析并導出疲勞分析計算所需要的應力時程，然后根據(jù)ANSYS計算得到的應力時程結(jié)果進行環(huán)境影響疲勞的分析計算。

2.1計算模型

壓力容器接管材料為低合金鋼(SA-508, Gr.3 Cl.1)，壓力容器接管通過安全端與主管道對接，主管道為奧氏體不銹鋼 (SA-376 TP316)。為了簡化模型，忽略接管和主管道之間的焊縫，直接在異種金屬焊中心線兩側(cè)設置接管和安全端的的材料來考慮材料的不連續(xù)。此外，不考慮接管區(qū)域堆焊層的影響。有限元模型如圖1所示。分析時以20oC為參考溫度（零應力狀態(tài)），低合金鋼的硫含量假定為0.025wt%，這也是ASME規(guī)范所允許的最大值。

本文選取管道與安全端的焊接處的不銹鋼材料和接管過渡段的低合金鋼母材作為應力評定截面，應力評定截面如圖1所示。由于環(huán)境對疲勞的影響是本文的研究對象，所以每個評定截面內(nèi)壁節(jié)點的數(shù)據(jù)將用于疲勞計算。根據(jù)NB-3200的規(guī)定，SCL1和SCL2兩個評定截面均作為容器部件進行評定。

圖1 接管有限元模型Fig.1 Nozzle FEA model.

2.2載荷及邊界條件

本文計算模型的邊界條件為：接管有限元模型的右側(cè)（接管側(cè)）模型的邊界條件為簡支，即所有節(jié)點的軸向自由度為零。在模型的左側(cè)（管道側(cè)），將所有節(jié)點的軸向自由度耦合來模擬主管道對其的影響，即所有節(jié)點的軸向自由度應一致。

為了研究環(huán)境對疲勞的影響，本文共設計了5個瞬態(tài)載荷。瞬態(tài)1和2的變化速率不一樣并且非對稱以防止與自己配對。瞬態(tài)3的設計是為了使應力產(chǎn)生多個不同幅值水平的波峰和波谷。瞬態(tài)4是一個加熱瞬態(tài)，用來評估溶解氧含量的變化對疲勞的影響。瞬態(tài)5是一個典型OBE地震瞬態(tài)。此外，為了簡化分析，壓力和接管載荷與溫度同步變化，其幅值應該合理并具有代表性但不能為分析部位的主導應力。合成接管載荷施加在管道安全端的末端。所有載荷被認為是隨時間線性變化。瞬態(tài)1、2和3的一回路冷卻劑的含氧量為一恒定值，瞬態(tài)4的含氧量隨時間變化(圖2)。

圖2 溫度瞬態(tài)載荷(a)、壓力瞬態(tài)載荷(b)、合成接管載荷(c)和溶解氧含量(d)Fig.2 Temperature transients load(a), pressure transients load(b), resultant nozzle load(c) and dissolve oxygen content(d).

2.3基于NB-3200的疲勞計算

在進行環(huán)境對疲勞影響計算前，本文先根據(jù)ASME NB-3200的方法對上述計算模型的SCL1和SCL2評定截面進行疲勞分析計算，設計疲勞曲線取ASME第III卷附錄圖1-9.1“碳鋼、低合金鋼”和圖1-9.2.1“奧氏體不銹鋼”的設計疲勞曲線進行計算。評定截面SCL1的疲勞配對和計算結(jié)果如表1所示，評定截面SCL2的疲勞配對和計算結(jié)果如表2所示。

表1 基于ASME第III卷第一冊附錄圖I-9.2.1疲勞曲線的SCL1截面疲勞計算結(jié)果Table 1 SCL1 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME section III division 1 appendix Fig.I-9.2.1.

表2 基于ASME第III卷第一冊附錄I圖I-9.1的SCL2截面疲勞計算結(jié)果Table 2 SCL2 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME section III division 1 appendix 1 Fig.I-9.1.

2.4環(huán)境影響修正因子(Fen)計算

根據(jù)ASME Code Case N-792，在進行環(huán)境影響疲勞分析計算前需要先根據(jù)ASME NB-3200中給出的確定應力差和累計損傷的計算方法進行疲勞計算，但是與NB-3200的疲勞計算不同的是，在進行環(huán)境影響疲勞計算時設計疲勞曲線應取Code Case N-792中給出的各種不同材料的設計疲勞曲線。評定截面SCL1的疲勞配對和計算結(jié)果如表3所示，評定截面SCL2的疲勞配對和計算結(jié)果如表4所示。

表3 基于ASME Code Case N-792圖2100-3M疲勞曲線的SCL1截面疲勞計算結(jié)果Table 3 SCL1 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME Code Case N-792 Fig.2100-3M.

表4 基于ASME Code Case N-792圖2100-2M疲勞曲線的SCL2截面疲勞計算結(jié)果Table 4 SCL2 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME Code Case N-792 Fig.2100-2M.

ASME Code Case N-792主要從硫含量、冷卻劑溫度、溶解氧含量和應變速率四個方面來考慮對環(huán)境對疲勞影響。

對于碳鋼：環(huán)境影響修正因子Fen= [exp(0.632–0.101S*T*O*ε'*)]；對于低合金鋼：環(huán)境影響修正因子Fen= [exp(0.702–0.101S*T*O*ε'*)]；對于奧氏體不銹鋼：環(huán)境影響修正因子Fen= [exp(0.734–T*O*ε'*)]；對于Ni-Cr-Fe合金：環(huán)境影響修正因子Fen= [exp(–T*O*ε'*)]。

其中，S*、T*、O*和ε'*分別為當量硫含量、當量溫度、當量溶解氧含量和當量應變速率，ASME Code Case N-792給出了上述參量的計算方法，當上述參量小于所給定的門檻值時，該應力循環(huán)的環(huán)境影響疲勞修正因子Fen,i將等于1。此外，在應變速率計算時只計算應力循環(huán)中應變增加段的應變速率。

2.4.1 詳細積分計算方法

在一個瞬態(tài)過程中，由于每個時刻的環(huán)境影響疲勞參量都在變化，即每個時刻的環(huán)境影響疲勞修正因子都是變化的，需要對每個時刻的環(huán)境影響疲勞修正因子Fen,i都進行計算。采用詳細積分法對環(huán)境影響疲勞修正系數(shù)Fen計算時，需要先求出每個單位時刻的應變速率εA*=?st/?tA，并根據(jù)此時刻的其他參量值得到此時刻的瞬時環(huán)境影響疲勞修正因子Fen,i，進而可以累計求和得到該應力循環(huán)的總的環(huán)境影響疲勞修正因子是：

則對于每個疲勞配對的應力循環(huán)A和應力循環(huán)B，該配對的環(huán)境影響疲勞修正因子是：

本文用詳細積分法計算得到的評定截面SCL1和SCL2的環(huán)境影響疲勞修正因子和相應的修正后的疲勞使用因子計算結(jié)果如表5和6所示。

表5 基于詳細積分法的SCL1截面的環(huán)境影響疲勞計算結(jié)果Table 5 SCL1 section EAF calculation results based on detailed integral method.

表6 基于詳細積分法的SCL2截面的環(huán)境影響疲勞計算結(jié)果Table 6 SCL2 section EAF calculation results based on detailed integral method.

2.4.2 簡化計算方法

由于瞬時積分法對每個時刻的環(huán)境影響疲勞修正因子都進行計算，其工作量較大，在實際工程計算過程中可以采用簡化方法計算。簡化方法計算時，對于每個疲勞配對應力循環(huán)A和應力循環(huán)B，其對應的應變速率分別為：，應變速率的計算過程如圖3所示。對于每個疲勞配對，環(huán)境影響疲勞修正因子Fen的取法為：

本文用簡化法計算得到的評定截面SCL1和SCL2上的環(huán)境影響疲勞計算結(jié)果如表7和8所示。

圖3 應變速率計算示意圖Fig.3 Strain rate calculation.

表7 基于簡化法的SCL1截面的環(huán)境影響疲勞計算結(jié)果Table 7 SCL1 section EAF calculation results based on simplified method.

表8 基于簡化法的SCL2截面的環(huán)境影響疲勞計算結(jié)果Table 8 SCL2 section EAF calculation results based on simplified method.

2.5環(huán)境影響疲勞計算結(jié)果分析

通過本文3.4節(jié)對環(huán)境影響疲勞的修正因子Fen的計算，可以看出詳細積分法和簡化法計算所得的Fen值非常相近。此外，各個疲勞配對的簡化計算法所得Fen值均小于詳細積分法的數(shù)值，兩種計算方法所得到的疲勞評定路徑SCL1和SCL2的Fen計算結(jié)果比較如圖4a和4b所示。

考慮疲勞評定路徑SCL1和SCL2的環(huán)境影響疲勞使用因子的計算結(jié)果如圖4c和4d所示。從圖中可以看出對于SCL1評定截面，在考慮環(huán)境影響疲勞之前其疲勞累計使用因子為0.9041，滿足ASME規(guī)范NB3200對循環(huán)載荷的疲勞要求。但是在考慮了環(huán)境影響疲勞之后，其疲勞累計使用因子為2.6170，即在考慮一回路水環(huán)境因素的作用下，截面SCL1處的壽命縮短為其在空氣環(huán)境中的1/3并且不能滿足ASME規(guī)范對循環(huán)載荷的疲勞使用因子的要求。對于SCL2截面，在考慮環(huán)境影響疲勞之前其疲勞累計使用因子為0.0167，在考慮了環(huán)境影響疲勞使用因子之后其疲勞累計使用因子為0.0441，雖然在考慮環(huán)境影響疲勞前后SCL2截面均能滿足ASME規(guī)范對循環(huán)載荷的要求，但是考慮在一回路水環(huán)境作用下，SCL2截面處的壽命縮短為空氣中的2.5倍左右。

圖4 SCL1截面Fen環(huán)境影響修正系數(shù)(a)、SCL2截面Fen環(huán)境影響修正系數(shù)(b)、SCL1截面疲勞計算結(jié)果(c)和SCL2截面的疲勞計算結(jié)果(d)Fig.4 SCL1 section Fenfactor(a), SCL2 section Fenfactor(b), SCL1 section fatigue results(c) and SCL2 section fatigue results(d).

3 結(jié)論

本文選取疲勞分析較為嚴峻的壓力容器接管作為分析對象，分別根據(jù)ASME第III卷NB-3200空氣環(huán)境下和ASME Code Case N-792考慮環(huán)境影響下設備的疲勞使用因子進行計算。在進行環(huán)境影響疲勞計算時，分別采用詳細積分法和簡化法對一回路環(huán)境影響疲勞修正因子Fen進行計算，進而得出環(huán)境影響下設備的疲勞使用因子。根據(jù)本文的分析和計算結(jié)果可以得出：

(1) ASME第III卷附錄中給出的設計疲勞曲線要比ASME Code Case N-792中給出的設計疲勞曲線保守，雖然ASME第III卷未考慮環(huán)境對設備疲勞的影響，但是其設計疲勞曲線具有相當?shù)谋Ｊ匦浴?/p>

(2) 分別根據(jù)ASME第III卷NB-3200和ASME Code Case N-792對本文所取模型進行空氣環(huán)境下和考慮環(huán)境影響下的疲勞計算，計算結(jié)果表明在考慮了環(huán)境影響因素后本文所取評定截面上的疲勞使用因子大大高于空氣環(huán)境下該評定截面上的疲勞使用因子。這說明ASME規(guī)范第III卷附錄中的設計疲勞曲線的保守性不能將環(huán)境對疲勞的影響包絡。

(3) 環(huán)境影響疲勞修正因子的簡化法計算值與詳細積分法相近但均比詳細積分法略偏小，但可以作為工程計算時使用。

1 RG1.207. Guidelines for evaluating fatigue analyses incorporating the life reduction of metal components due to the effects of the light water reactor environment for new reactors[S]. U.S. Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC, 2007

2 ASME Code Case N-792. Fatigue evaluations including environment effects[S]. American Society of Mechanical Engineering, 2010

3 賀寅彪, 曹明, 姚偉達. 關于LWR設備設計中考慮環(huán)境對疲勞影響問題的探討[J]. 核動力工程, 2011, 32(Supplemet 1): 35?39 HE Yinbiao, CAO Ming, YAO Weida. An overview of LWR environment assisted fatigue issues for primary components and piping of NPPs[J]. Nuclear Power Engineering, 2011, 32(Supplement 1): 35?39

Environmentally assistant fatigue analysis for LWR reactor vessel nozzle

SHEN Rui CAO Ming HE Yinbiao TAO Hongxin CHEN Meng
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Considering the EAF(Environment Assistant Fatigue) effect during the design status is a key issue for generation III nuclear power plant. Purpose: The calculation methodology of Fen(Environmentally Assistant Fatigue Factor) and strain ratio of ASME Code Case N-792 has been introduced in this paper. Methods: By creating 2D symmetry model of reactor pressure vessel nozzle, the environmentally assistant fatigue factor Fenand fatigue usage factor has been analyzed according Code Case N-792 with simplified and detailed integral methods. Results: The fatigue usage factor results of ASME-III which does not consider environmental effect and Code Case N-792 which consider the environmental effect have been compared and discussed. Conclusions: And the fatigue life considering Feneffect of SCL1 section will reduce to about 1/3 of the life in air condition while the fatigue life of SCL2 decrease 3/5.

Environment assistant fatigue, Pressure vessel, Code Case, N-792, LWR

TL351+.6

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040640

沈睿，男，1984年出生，2010年于華東理工大學獲碩士學位，研究領域是反應堆結(jié)構(gòu)力學

2012-11-30，

2013-01-20

CLC TL351+.6