考慮環(huán)境對疲勞促進作用時載荷配對方法保守性研究

耿昌金，張彥召，陳明亞，劉嘯天，高紅波，周 帥，林 磊，徐德城，彭群家

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215000)

0 引言

核電站設(shè)計階段，ASME或RCC-M規(guī)范均采用室溫空氣環(huán)境中試驗得到的疲勞曲線，該曲線是對光滑實心小試樣試驗得到的，沒有充分考慮壓水堆核電站反應(yīng)堆一回路水環(huán)境對疲勞行為的影響。以日本和美國為代表，20多年的試驗研究表明反應(yīng)堆一回路水環(huán)境對碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼和鎳基合金的疲勞壽命有明顯的削弱作用，以低合金鋼為例，若其硫含量高于0.15%，在溫度為300 ℃、溶解氧大于1×10-6、應(yīng)變速率小于10-5s-1的條件下，其疲勞壽命相對空氣中會降低100多倍[1-2]。為防止核電站設(shè)備過早發(fā)生疲勞失效，日本、美國和歐洲各國的核電站設(shè)計單位開始研究反應(yīng)堆一回路水環(huán)境對壽期內(nèi)設(shè)備疲勞壽命的影響(環(huán)境促進疲勞，EAF)[3]。

現(xiàn)有規(guī)范在基于環(huán)境修正因子(Fen)的EAF評估方法中，載荷配對過程忽略了對Fen的影響[1,3]。相關(guān)研究表明，高的交變應(yīng)力配對往往對應(yīng)更快的應(yīng)變變化速率，將計算獲得較低的Fen，最終兩者乘積不一定是最保守的數(shù)值(即載荷配對時忽略對Fen的影響存在不合理的因素)。本文介紹反應(yīng)堆水環(huán)境影響疲勞壽命問題，包括EAF問題的發(fā)展及其評價方法，著重介紹使用Fen評價EAF問題的方法、美國經(jīng)驗反饋以及法國最新版RCC-M規(guī)范針對EAF問題作出的修改和EAF評估詳細流程，并基于某工程實際案例，分析不同載荷配對對疲勞分析結(jié)果的影響。

1 環(huán)境影響疲勞壽命問題

1.1 EAF問題的發(fā)展

日本學(xué)者最先發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆高溫高壓水環(huán)境會降低結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并提出了EAF和Fen的概念[1，4]。在大量疲勞試驗的基礎(chǔ)上，日本相關(guān)機構(gòu)頒布了一系列導(dǎo)則和規(guī)范，如2000年日本通產(chǎn)省(MITI)頒布了《輕水堆環(huán)境下疲勞起裂壽命縮減評價導(dǎo)則》，2006年日本機械工程師協(xié)會(JSME)頒布了《核電站環(huán)境疲勞評價方法規(guī)范》。

美國核管會(NRC)在管理導(dǎo)則RG 1.207中明確要求，新建輕水堆核電站的設(shè)計中必須考慮EAF問題，申請執(zhí)照更新的核電站在評估反應(yīng)堆壓力容器疲勞壽命時需要考慮環(huán)境因素的影響。并在研究報告NUREG/CR-6909[1]中給出了考慮EAF問題的實施細則。

法國AREVA的研究者認為,早期ASME規(guī)范提供的疲勞設(shè)計曲線中循環(huán)次數(shù)的修正系數(shù)20和應(yīng)力幅值的修正系數(shù)2的“雙95/95準則”偏保守，基于該疲勞曲線的 NUREG/CR-6909方法過于保守，如果全盤采用NUREG/CR-6909方法計算考慮EAF后的疲勞累積使用因子(CUFen),必然導(dǎo)致部分位置的CUFen大于1.0，勢必會增加結(jié)構(gòu)設(shè)計和執(zhí)照更新的成本，給核電站的設(shè)計和延壽帶來困擾[5-10]。

1.2 EAF問題評價方法

針對EAF問題國際通用的處理方法有兩種，一是開發(fā)新的考慮高溫高壓水環(huán)境影響的疲勞設(shè)計曲線，以考慮不同材料和水環(huán)境的差異(材料硫含量、應(yīng)變速率、溫度和含氧量等)，但這樣一條包絡(luò)的疲勞曲線對大多數(shù)應(yīng)用過于保守，如ASME發(fā)布的規(guī)范案例Code Case N-761[3]“輕水堆環(huán)境疲勞設(shè)計曲線”；二是使用環(huán)境修正因子Fen以反映一回路冷卻劑環(huán)境的影響，如NUREG/CR-6909、ASME規(guī)范案例Code Case N-792[11]“包括環(huán)境影響的疲勞評價”和2016版RCC-M規(guī)范。

1.3 環(huán)境修正因子Fen簡介

環(huán)境修正因子Fen由日本學(xué)者HIGUCHI提出，美國RG 1.207和NUREG/CR-6909也均采用Fen表征水環(huán)境對疲勞壽命的影響，其定義為室溫空氣環(huán)境中的疲勞壽命Nair,RT與運行溫度水環(huán)境中的疲勞壽命Nwater,T的比值，如下式所示:

Fen=Nair,RT/Nwater,T

(1)

使用Fen計算考慮EAF問題后疲勞累積使用因子公式如下：

CUFen=∑UFi·Fen,i

(2)

式中，CUFen為考慮環(huán)境影響后的疲勞累積使用因子；UFi為不考慮環(huán)境影響時第i種載荷配對的疲勞使用因子；Fen,i為第i種載荷配對時環(huán)境對疲勞的影響因子。

1.4 不銹鋼環(huán)境修正因子Fen計算方法

NUREG/CR-6909中給出了不銹鋼材料的Fen計算方法如下：

(3)

O*=0.281

如式(3)所示，采用高的應(yīng)變速率計算將獲得小的Fen數(shù)據(jù)，但高的交變應(yīng)力配對往往對應(yīng)更快的應(yīng)變變化速率?，F(xiàn)有的EAF計算過程中均是先獲得配對后的疲勞損傷數(shù)據(jù)后再乘以過程中的Fen，忽略了EAF對載荷配對的影響。

采用詳細方法計算Fen，如圖1和式(4)所示。將第i個瞬態(tài)組合的應(yīng)變曲線劃分成k部分，按下式計算第i個瞬態(tài)組合的Fen partial,i：

圖1 應(yīng)變速率計算方法

(4)

2 環(huán)境影響疲勞壽命工程應(yīng)用經(jīng)驗

2.1 美國工程應(yīng)用經(jīng)驗反饋

早期美國NRC要求核電站申請執(zhí)照更新時僅需評估NUREG/CR-6260報告中列舉的典型位置的EAF問題，包括：(1)反應(yīng)堆壓力容器殼體和下封頭；(2)反應(yīng)堆壓力容器進口管；(3)反應(yīng)堆壓力容器出口管；(4)穩(wěn)壓器波動管(熱管管嘴安全端)；(5)裝料系統(tǒng)管嘴；(6)安全注入系統(tǒng)管嘴等。但NRC在最新的電廠許可證延續(xù)申請的增補材料和第二版的GALL報告[12]中對NUREG/CR-6260中所列的典型位置是否能涵蓋電廠所有分析位置提出了懷疑，并要求核電站采用NUREG/CR-6909提供的EAF評估方法確保電廠充分考慮EAF問題。

NUREG/CR-6909的具體方法如下：(1)依據(jù)ASME規(guī)范計算瞬態(tài)的應(yīng)力；(2)依據(jù)ASME規(guī)范確定應(yīng)力集中系數(shù)；(3)計算瞬態(tài)的總應(yīng)力；(4)進行雨流分析獲得載荷譜信息；(5)選取設(shè)計疲勞曲線(ASME規(guī)范中，奧氏體不銹鋼曲線如圖2所示)；(6)求載荷譜中各個組合引起的累積損傷；(7)求載荷譜中各個組合的Fen因子；(8)求解總的EAF的CUFen。

圖2 ASME規(guī)范中奧氏體鋼的疲勞曲線

如上述步驟所述，NUREG/CR-6909給出的方法是在獲得疲勞損傷數(shù)據(jù)后再乘以過程中的Fen數(shù)值，未考慮EAF對載荷配對的影響。

2.2 法國工程應(yīng)用經(jīng)驗反饋

為將NUREG/CR-6909的研究成果引入法國規(guī)范，并解決其過度保守問題，結(jié)合法國和其他國家的代表性試驗結(jié)果，2016版RCC-M規(guī)范更新了奧氏體不銹鋼和鎳基合金的疲勞設(shè)計曲線，并提出了一種替代NUREG/CR-6909的方法來評估EAF問題[13]。

2016版RCC-M規(guī)范中的疲勞設(shè)計曲線已考慮環(huán)境因素對疲勞壽命的影響，并取循環(huán)次數(shù)修正系數(shù)為10、應(yīng)力幅值修正系數(shù)為1.4?；谛拚禂?shù)(10，1.4)的新疲勞設(shè)計曲線如圖3[14-16]所示。可以看出，新的疲勞曲線在循環(huán)次數(shù)大于103次后，相比原有曲線更加保守，該疲勞曲線僅限于循環(huán)次數(shù)不超過106，對于超過該循環(huán)數(shù)的高周疲勞應(yīng)采用其他方法進行評估。

圖3 RCC-M規(guī)范中奧氏體不銹鋼和鎳基合金新的疲勞曲線

3 工程應(yīng)用案例分析

如第2節(jié)介紹的反應(yīng)堆水環(huán)境影響疲勞壽命問題所述，現(xiàn)有規(guī)范在載荷配對時忽略了對Fen的影響。本節(jié)將基于某工程實際案例，分析不同載荷配對對疲勞分析結(jié)果的影響。

3.1 疲勞分析載荷譜分析

某管道在服役狀態(tài)受彎矩波動載荷的影響，某分析位置的軸向應(yīng)力(薄膜和彎曲應(yīng)力總和)變化如圖4所示。

圖4 分析案例采用的載荷變化數(shù)據(jù)

為簡化分析過程參量的影響，取ASME規(guī)范中300 ℃奧氏體不銹鋼的材料性能和圖2中所示的ASME規(guī)范疲勞曲線進行分析，奧氏體不銹鋼的彈性模量為175 GPa。在彎矩載荷波動下，除軸向應(yīng)力外的其余次要應(yīng)力分量取為0，峰值應(yīng)力取為0。

3.2 不同載荷配對影響分析

采用ASME規(guī)范中的雨流統(tǒng)計方法，對圖4中的應(yīng)力變化過程進行載荷譜統(tǒng)計(第2.1節(jié)中的步驟(4))，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。其中，點1和點6配對的應(yīng)力波動最大，但其應(yīng)力波動速度較快，與之對應(yīng)的Fen計算結(jié)果較小。

表1 基于ASME規(guī)范的載荷譜統(tǒng)計

考慮Fen對最終疲勞損傷的影響，進行載荷配對參數(shù)敏感性分析，分析結(jié)果如表2所示。可以看出，考慮到點3和點4載荷配對過程中應(yīng)變數(shù)值較低，將點3和點6載荷配對(點3-點4～點4′-點6的變化過程，其中點4′之后的數(shù)據(jù)平移至點4)作為最大載荷配對進行分析，其對應(yīng)的應(yīng)變變化速率數(shù)值較小，對應(yīng)的Fen數(shù)值較大。對于圖4中的載荷數(shù)據(jù)，考慮環(huán)境影響的載荷配對時計算的總的疲勞損傷為4.40×10-5，比依據(jù)ASME規(guī)范計算的數(shù)值(4.24×10-5)更大，即考慮EAF時，現(xiàn)有規(guī)范可能獲得非保守性的結(jié)果。

表2 考慮Fen影響的載荷配對統(tǒng)計

由于案例中最大的交變應(yīng)力配對所對應(yīng)的是快速應(yīng)變過程(這也是電廠實際中普遍的情況)，其相對應(yīng)的Fen數(shù)值較低，從而導(dǎo)致兩者的乘積不是最大值，導(dǎo)致依據(jù)規(guī)范計算獲得非保守性的結(jié)果。

4 結(jié)語

日本、美國和歐洲各國均對EAF問題開展了廣泛研究，并初步制定出工程評價流程與技術(shù)規(guī)范。本文介紹了EAF問題的發(fā)展、美國經(jīng)驗反饋以及法國最新版RCC-M規(guī)范針對EAF問題作出的修改和EAF評估詳細流程。研究表明，載荷配對對Fen和交變應(yīng)力數(shù)值的影響趨勢可能不一致，而現(xiàn)有規(guī)范中在載荷配對時忽略Fen的影響，可能出現(xiàn)非保守性的評估結(jié)果。本文研究成果可為后續(xù)相關(guān)規(guī)范的技術(shù)改進提供有益的參考。