承壓熱沖擊下壓力容器斷裂力學(xué)分析

陳思宇，張文華

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

承壓熱沖擊下壓力容器斷裂力學(xué)分析

陳思宇，張文華

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

按照有限元分析研究及熱工水利系統(tǒng)程度，對(duì)承壓熱沖擊下壓力容器斷裂力學(xué)進(jìn)行分析研究，并且探索在不同瞬態(tài)下所具有的危險(xiǎn)性能，了解壓力容器脆性的改變。研究結(jié)果表明，壓力容器表面裂紋及內(nèi)壁裂紋深度較深的情況下，壓力容器在實(shí)際應(yīng)用過程中更容易出現(xiàn)裂紋問題。在相同條件之下，壓力容器具有軸向裂紋時(shí)，出現(xiàn)裂紋的可能性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)向裂紋，嚴(yán)重情況下軸向裂紋甚至?xí)灤┱麄€(gè)壓力容器內(nèi)壁。

反應(yīng)堆壓力容器；承壓熱沖擊；斷裂力學(xué)

美國核管會(huì)所頒布的承壓熱沖擊法規(guī)要求，主要內(nèi)容分為兩個(gè)方面，分別是10CFR50.61與R.GI.154技術(shù)，其中包含了保守因素，這樣也就表示壓水堆機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益下的運(yùn)行時(shí)間及延長(zhǎng)壽命受到了一定限制。美國核管會(huì)在1999年之后，就以保守技術(shù)作為基礎(chǔ)，對(duì)于承壓熱沖擊進(jìn)行了分析，在流程及模型等處理方法上進(jìn)行了一定的調(diào)整。研究之后發(fā)現(xiàn)，承壓熱沖擊主要承受的風(fēng)險(xiǎn)來自于回路管道及一回路閥卡上。在材料層面上，軸向裂紋是造成壓力容器出現(xiàn)貫穿裂紋的主要原因，并且建議使用無延性轉(zhuǎn)變溫度作為鑒別主要方法。美國核管會(huì)在2010年頒布了新的承壓熱沖擊法規(guī)。

1 新承壓熱沖擊法規(guī)的要求和壓力容器貫穿概率分析方法

1.1 新承壓熱沖擊法規(guī)的要求

美國核管會(huì)在對(duì)承壓熱沖擊評(píng)估的時(shí)候，應(yīng)用的是美國現(xiàn)階段還在應(yīng)用的壓水堆，因此美國核管會(huì)所推出的承壓熱沖擊法規(guī)僅僅能夠在2012年之后所生產(chǎn)的壓水堆內(nèi)應(yīng)用。反應(yīng)堆壓力容器在設(shè)計(jì)制造過程中，是按照美國核管會(huì)在1998年或者是更早之前所制定的壓力容器規(guī)劃。這種設(shè)計(jì)并且制造的壓水堆在評(píng)價(jià)過程中，也可以應(yīng)用新承壓熱沖擊法規(guī)。壓水堆要是在2010年之后開始施工建設(shè)，并且是按照美國核管會(huì)所頒布的《ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范》作為建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于壓水堆進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，在對(duì)于這種壓水堆評(píng)價(jià)過程中，只可以應(yīng)用新承壓熱沖擊法規(guī)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

要是對(duì)壓力容器評(píng)價(jià)所得到的時(shí)間超過鑒別原則，但是還是希望壓力容器能夠在電廠生產(chǎn)中應(yīng)用，首先就應(yīng)該將帶區(qū)內(nèi)所具有的中子注量進(jìn)行降低，要是壓力容器評(píng)價(jià)所得到的使用時(shí)間并沒有超過鑒別原則，就需要在對(duì)壓力容器安全分析過程中，進(jìn)行全面詳細(xì)分析，進(jìn)而保證壓力容器能夠應(yīng)用到規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)。在承壓熱沖擊狀態(tài)之下，壓力容器出現(xiàn)貫穿概率大約為1×10-6。

1.2 壓力容器貫穿概率分析方法

壓力容器貫穿概率計(jì)算流程與美國核管會(huì)所推薦的R.GI.154基本相同：首先，對(duì)壓力容器貫穿熱工序列進(jìn)行劃分，然后在使用拉丁超立方抽樣方法將每一組內(nèi)的頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)出來，每一個(gè)小組內(nèi)所包含的熱工序列可能有幾十個(gè)，也有可能高達(dá)上百個(gè)，在眾多序列中只需要選擇一個(gè)典型序列；其次，計(jì)算出通道在每一個(gè)時(shí)間段下的壓力與溫度等系數(shù)；再次，應(yīng)用概率斷裂力學(xué)進(jìn)行分析研究，通過先進(jìn)科學(xué)技術(shù)形成虛擬狀態(tài)下的PVR，PVR之間使用不同參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行隨機(jī)組合，主要包含的內(nèi)容為中子注量、裂紋尺寸等參數(shù)；最后，將之前所計(jì)算出來的熱工參數(shù)導(dǎo)入到斷裂力學(xué)內(nèi)，這樣就能夠計(jì)算出某一組壓力容器在瞬時(shí)狀態(tài)下的貫穿概率。在對(duì)壓力容器貫穿概率統(tǒng)計(jì)過程中，應(yīng)用矩陣乘法將每一個(gè)小組瞬態(tài)貫穿概率相乘，選擇每一個(gè)小組內(nèi)壓力容器貫穿概率的最大值，每一個(gè)小組貫穿概率最大值相加之后所得到的數(shù)值，也就是壓水堆機(jī)組承壓熱沖擊風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值。

小組對(duì)壓水堆機(jī)組承壓熱沖擊風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值影響程度較低，并不需要進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，但是承壓熱沖擊數(shù)值還是會(huì)受到一組數(shù)值的影響，只需要對(duì)該組數(shù)值進(jìn)行詳細(xì)分析即可，從多種小組內(nèi)選擇出具有代表性的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后保證承壓熱沖擊數(shù)值不會(huì)在受到小組的改變。

2 模型與載荷

2.1 熱工水力系統(tǒng)程度與有限元的模擬分析功能

熱工水力系統(tǒng)程序在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠?qū)核押穗姀S內(nèi)熱工水力在某一個(gè)時(shí)間上面的瞬時(shí)狀態(tài)模擬出來，所以熱工水力系統(tǒng)程序能夠應(yīng)用到對(duì)于承壓熱沖擊瞬時(shí)狀態(tài)下熱工響應(yīng)研究上面，進(jìn)而對(duì)于下降通道內(nèi)部的壓力及溫度等等參數(shù)進(jìn)行收集，了解到這個(gè)參數(shù)伴隨著時(shí)間變化的規(guī)律。

有限元模型在實(shí)際應(yīng)用過程中主要是使用有限元分析軟件，能夠?qū)τ跀嗔蚜W(xué)進(jìn)行詳細(xì)的分析，同時(shí)還能夠?qū)嗔蚜W(xué)在線性及非線性狀態(tài)下進(jìn)行分析研究。有限元模擬在對(duì)斷裂力學(xué)進(jìn)行分析中，主要是通過彈性材料在裂紋上面所具有的奇異場(chǎng)應(yīng)力強(qiáng)度因子判斷依據(jù)，主要是通過三種開裂模式進(jìn)行計(jì)算，分別是張開型、滑移型與撕裂性。

2.2 壓力容器模型

伴隨著電廠運(yùn)行時(shí)間與實(shí)際壽命較為接近，核反應(yīng)堆芯帶區(qū)材料所具有的斷裂韌性會(huì)伴隨著快中子的輻照逐漸下降，因此在過冷瞬時(shí)狀態(tài)之下，核反應(yīng)堆芯帶區(qū)是受到影響最為嚴(yán)重的地區(qū)。所以，需要?jiǎng)?chuàng)建壓力容器帶區(qū)筒體的有限元模型。在回路壓水堆壓力容器內(nèi)具有代表性的就是不銹鋼，壓力容器內(nèi)部直徑應(yīng)該為4000mm，厚度大約在4mm。

壓力容器模型所具有的缺陷主要有六種，分別是半橢圓軸向表面裂紋、半橢圓環(huán)向表面裂紋、堆焊層下半橢圓軸向埋藏裂紋、堆焊層下半橢圓環(huán)向埋藏裂紋、橢圓面軸向深埋裂紋與橢圓面環(huán)向深埋裂紋，在這六種裂紋中，前四種裂紋深度大約為20mm，長(zhǎng)度大約為80mm，后兩種裂紋主要都位于壓力容器基體低碳鋼層內(nèi)，裂紋的長(zhǎng)度大約為40mm，裂紋的深度大約為20mm。在裂紋前緣的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，應(yīng)用到的單元為SOLIDI186單元，裂紋前緣第一個(gè)單元與奇異單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并且連接在奇異單元1/4的處，剩余的裂紋單元全部應(yīng)用SOLID95單元。

圖1 壓力容器內(nèi)節(jié)點(diǎn)圖

2.3 載荷

應(yīng)用美國核管會(huì)最新頒布的承壓熱沖擊法規(guī)，對(duì)某核電廠內(nèi)的一回路建模，該核電廠在壓力容器堆芯帶區(qū)所使用的下降通道如圖1所示，節(jié)點(diǎn)上面所應(yīng)用的規(guī)劃方法為二維劃分法。核電廠在出現(xiàn)事故之前反應(yīng)堆是在滿功率狀態(tài)之下運(yùn)行，進(jìn)入都系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)全部都能夠正常打開，壓力容器的水紋為29.4℃，用大破口事故的方法，對(duì)冷管段及復(fù)壓進(jìn)行破口事故處理，然后再使用穩(wěn)壓器處理該事故。

3 不同裂紋形式計(jì)算結(jié)果比較

在對(duì)承壓熱沖擊風(fēng)險(xiǎn)重新進(jìn)行評(píng)估時(shí)，美國核管會(huì)將熱預(yù)應(yīng)力效應(yīng)歸納到了研究模型之中，表示壓力容器在以下五種情況容易產(chǎn)生裂紋：開放性應(yīng)力強(qiáng)度因子、材料靜態(tài)斷裂韌性最小值、斷裂前端問題、K值與時(shí)間。

將下降通道內(nèi)的溫度及壓力有關(guān)參數(shù)全部都應(yīng)用到有限元模型內(nèi)，并且輸入壓力容器在邊界上面的條件。有限元斷裂力學(xué)模型在實(shí)際分析過程中，主要計(jì)算的是壓力容器所具有的應(yīng)力強(qiáng)度因子。對(duì)于壓力容器內(nèi)部應(yīng)力及線彈性材料等原理進(jìn)行疊加之后，在一個(gè)真實(shí)的應(yīng)力情況下創(chuàng)建輔助性應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)這兩個(gè)應(yīng)力場(chǎng)之間的重疊就能夠計(jì)算機(jī)壓力容器強(qiáng)度因子。有限元模型要是在尺寸及材料等方面的條件相同，壓力容器表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子所形成的裂紋深度越大，壓力容器也就越容易出現(xiàn)裂紋。在承壓熱沖擊損失狀態(tài)之下，壓力容器內(nèi)部要是被注水進(jìn)行冷卻，所具有的裂紋深度也將更深，裂紋前緣在溫度上面的梯度也就較大，所受到的熱應(yīng)力數(shù)值也就較高。要是模型尺寸及裂紋形式相同，埋藏較深的裂紋所具有的應(yīng)力強(qiáng)度因子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于埋藏較淺的裂紋所具有的應(yīng)力強(qiáng)度因子，同時(shí)也小于在靜態(tài)下斷裂系數(shù)的最小值。主要是由于埋藏較深的裂紋所能夠感受到的熱應(yīng)力數(shù)值較小，作用在裂紋上面的應(yīng)力無法促使裂紋出現(xiàn)。

4 結(jié)語

本文在對(duì)于承壓熱沖擊下壓力容器斷裂力學(xué)分析研究中發(fā)現(xiàn)，裂紋離表面越近，就非常容易出現(xiàn)開裂的情況，但是埋藏較深的裂紋，在應(yīng)力的作用之下，出現(xiàn)開裂可能性較低。模型尺寸及載荷數(shù)值相同的情況之下，環(huán)向裂紋要比軸向裂紋更加難以開裂。與此同時(shí)，壓力容器出現(xiàn)大破口事故的危險(xiǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小破口事故的危險(xiǎn)。

[1]許雷雷，梁國興.承壓熱沖擊下壓力容器斷裂力學(xué)分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014,11(5):2080.

[2]曹明，賀寅彪，張萬平，黃慶.承壓熱沖擊下材料特性對(duì)反應(yīng)堆壓力容器結(jié)構(gòu)完整性的影響[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014.

TL351.6

A

1671-0711（2017）03（上）-0133-02