反应堆压力容器接管嘴马鞍面缺陷的断裂力学分析.pdf

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1、第4 2 卷增刊 原子能科学技术V 0 1 4 2 ，S u p p l 2 0 0 8 年12 月 A t o m i cE n e r g yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y D e c 2 0 0 8 = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = ；= = = = = = ；= = = = = ；= = = = ；= = = = ；= = = = = = = = = = = = = ；= = = ；= ；= = = = 反应堆压力容器接管嘴马鞍面缺陷的 断裂力学分析 郑斌，孙英学，臧峰刚，卢岳川，杨 宇，郑连纲

2、，邹鸣中 ( 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家级重点实验室，四川成都6 1 0 0 4 1 ) 摘要：某核电厂大修时发现反应堆压力容器均在出口接管嘴不锈钢堆焊层出现局部表面损伤痕迹，损伤 最深处约为1 2 7m m 。本文采用A N S Y S 程序，依据相应规范，对反应堆压力容器出口接管嘴缺陷进行 快速断裂力学分析和疲劳裂纹扩展分析。分析内容包含缺陷的包络和假设、应力计算、应力强度因子计 算、疲劳裂纹扩展尺寸计算和、工况及水压试验工况下的断裂力学分析评估。分析结果满足规 范要求。 关键词：缺陷；反应堆压力容器；断裂力学 中圈分类号：0 3 4 6 1 文献标志码：A文章编号：1

3、0 0 0 6 9 3 1 ( 2 0 0 8 ) S 1 0 6 4 1 0 4 F r a c t u r eA n a l y s i sf o rF l a wo nR e a c t o rP r e s s u r eV e s s e lO u t l e tN o z z l e Z H E N GB i n ，S U NY i n g - x u e ，Z A N GF e n g g a n g ，L UY u e - c h u a n ， Y A N GY u ，Z H E N GL i a n g a n g ，Z O UM i n g z h o n g ( S t

4、 a t eK e yL a b o r a t o r yo fR e a c t o rS y s t e mD e s i g nT e c h n o l o g y ， N u c l e a rP o w e rI n s t i t u t eo fC h i n a ，C h e n g d u6 1 0 0 4 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：S o m el o c a ls u r f a c ef l a w sw e r ef o u n db yn u c l e a rp o w e rp l a n ta ti n s p e c

5、 t i n g T h e s ef l a w sw e r el o c a t e do nt h es t a i n l e s ss t e e lc l a d d i n go fr e a c t o rp r e s s u r ev e s s e lo u t l e t n o z z l e ，w h i c ht h em a x i m a ld e p t hw a s1 2 7m m A c c o r d i n gt Ot h er e l a t i v er u l e s ，t h ef a s t f r a c t u r ea n df a

6、 t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o na n a l y s i sw a sp e r f o r m e dw i t ht h eA N S Y Sc o d ei n t h i sp a p e r T h ea n a l y s i sc o n t e n ti n c l u d e sap o s t u l a t e dr e f e r e n c ec r a c k , n o r m a ls t r e s s c a l c u l a t i o n ，s t r e s si n t e n s i t yf a

7、 c t o r sc a l c u l a t i o n ，t h ed i m e n s i o n sc a l c u l a t i o no ff a t i g u e c r a c kp r o p a g a t i o n ，a n df r a c t u r ea n a l y s e su n d e rt h ec o n d i t i o n s ，l l I ，a n dh y d r o - t e s t c o n d i t i o n S T h ea n a l y s i sr e s u l t sa r es h o w nt om

8、 e e tr e q u i r e m e n to ft h eR C C Mr u l e K e yw o r d s ：f l a w ；r e a c t o rp r e s s u r ev e s s e l ；f r a c t u r em e c h a n i c s 某核电厂大修时发现反应堆压力容器 ( P R V ) 均在出口接管嘴不锈钢堆焊层出现局 部表面损伤痕迹。为了测量损伤尺寸，采用拓 模方法进行损伤痕迹的复型并进行尺寸测量。 结果表明，损伤最深处约为1 2 7m m 。因此， 为保证反应堆压力容器在寿期内的结构完整 收稿日期：2 0 0 8 0 8 1

9、5 修回日期：2 0 0 8 1 1 2 0 作者简介：郑斌( 1 9 8 1 一) 男，湖北武汉人。工程师硕士，核能科学与工程专业 万方数据 6 4 2 原子能科学技术 第4 2 卷 性，需对此缺陷进行断裂力学分析和评价。本 工作采用A N S Y S 程序 1 1 计算，依据R S E M 规 范B 5 3 1 0 2 j 、R C C - M R 规范附录A 1 6 8 8 3 0 方 法 3 和R C C - M 规范附录Z G E 4 3 对R P V 出口接 管嘴缺陷进行断裂力学分析评价。分析内容包 含缺陷的包络和假设、应力计算、应力强度因子 计算、疲劳裂纹扩展尺寸计算和、工况 及

10、水压试验工况下的断裂力学评估。 1 缺陷描述及裂纹假设 该核电厂1 、2 号机组R P V 出口接管嘴马 鞍面缺陷汇总列于表1 。 对表1 中的缺陷进行力学分析评价时，需 依据规范分析归类并包络成具有保守性的计算 缺陷尺寸，即初始裂纹，然后进行断裂力学计 算。缺陷包络的原则如下： 1 ) 将所有体积和平面不连续缺陷( 母材、 焊缝和堆焊层中的裂纹、气隙、夹杂、未焊透、咬 边) 作为计算缺陷总是取最危险的缺陷类 型裂纹； 2 ) 根据缺陷尺寸和相互间的关系，依据规 范包络成表面裂纹、埋藏裂纹或贯穿裂纹； 3 ) 为评估出口接管嘴马鞍面上的缺陷，依 据R S E M 规范B 5 3 1 0 从较保

11、守的角度对计算 缺陷进行假设； 4 ) 计算裂纹应假设在材质最差及应力最 大的位置，本文则假设在接管内隅角位置； 5 ) 计算裂纹假设为母材上的轴向圆弧型 表面裂纹，裂纹平面垂直于最大正应力方向，裂 纹深度为1 0r a m 。 2 分析及评定方法 R P V 出口接管嘴实际上为三维结构，按结 构分析的通用方法，忽略小的非对称因素，可将 结构简化为二维轴对称模型，具体方法是：在保 证压力容器简体壁厚不变的前提下，用等效球壳 代替简体。温度及应力计算均采用有限元法。 采用A N S Y S 程序计算各种瞬态作用下 R P V 出口接管嘴区域的应力场，提取裂纹韧带 区域的壳壁截面正应力，依据R C

12、 C - M R 规范附 录A 1 6 8 8 3 0 方法计算应力强度因子。正应力 指垂直于裂纹平面的法向应力。载荷为类、 类、类工况下的瞬态载荷和水压试验工况 下的压力。 类工况、类工况、类工况的计算结果分 别按A 级准则、C 级准则、D 级准则评定，水压试 验工况计算结果按水压试验工况准则评定。 3 疲劳裂纹扩展计算 利用A N S Y S 程序计算各瞬态条件下随时 问变化的温度场和应力场，作为应力强度因子 计算的输入。按照R C C - M R 规范附录 A 1 6 8 8 3 0 方法进行接管内隅角裂纹的应力强 度因子计算。按照R C c _ M 规范附录Z G 3 3 0 0 第2

13、 种方法进行疲劳裂纹扩展的计算，得到扩 展后的缺陷尺寸。疲劳裂纹扩展后的裂纹深度 为5 5 0 6 76m m 。 4 应力强度因子K 印的计算及评定 依据R C C - M 规范附录Z G 3 3 3 2 确定应力 强度因子K 。基于疲劳裂纹扩展后的裂纹尺 寸，考虑裂纹尖端塑性区，对各瞬态条件下的应 力强度因子进行修正，计算式如下： K 。= a Kz 半 】，KT 、2 r y 一磊( 芍) 式中：K 。为应力强度因子修正值；a 为裂纹深 度；r y 为塑性区半径；S ，为材料屈服强度；口为 裹1 缺陷汇总 T a b l e1 S u m m a r yo fd e f e c t s

14、万方数据 增刊郑斌等：反应堆压力容器接管嘴马鞍面缺陷的断裂力学分析6 4 3 r 1r y 0 0 5 ( 一口) 口一1 + o 1 5 焉辫 2 10 0 5 ( 一口) r ，0 0 8 5 ( 一口) 式中：t 为壁厚。 类、类、类工况和水压试验工况下 K 。的计算结果及评定分别列于表2 - - 一5 。计算 结果汇总列于表6 。 表2 类工况J 乙的计算结果 T a b l e2R e s u l t so fku n d e re a r , g o r yI 瞬态号温意“。M 0 厶。M e 限值s * 1 7 l l m ，比值瞬态号温笔“。M 0 。M ，比值 12 0 4

15、78 5 45 3 9 30 1 61 81 6 3 4 l5 0 21 0 5 0 00 0 5 22 9 1 1 44 7 7 11 0 5 0 00 4 51 91 5 0 6 21 2 7 31 0 5 0 00 1 2 32 9 1 4 04 9 8 51 0 5 0 00 4 72 07 3 10 0 04 4 2 40 0 0 42 9 4 0 45 0 2 21 0 5 0 00 4 82 12 6 5 3 85 8 9 41 0 5 0 00 5 6 52 9 8 1 26 2 6 41 0 5 0 00 6 02 26 0 0 09 5 41 1 4 1 20 0 8 62

16、 8 9 3 46 2 3 81 0 5 0 00 5 92 31 0 0 O O5 3 7 31 1 5 5 00 4 7 72 9 0 8 45 7 9 11 0 5 0 00 5 52 42 9 4 1 76 3 8 21 0 5 0 00 6 1 83 2 3 8 25 0 6 11 0 5 0 00 4 82 52 9 8 5 76 5 6 71 0 5 0 00 6 3 93 2 4 2 55 1 7 81 0 5 0 00 4 92 62 8 9 5 16 2 8 91 0 5 0 00 6 0 1 03 0 1 9 26 1 2 51 0 5 0 00 5 82 72 9 0

17、6 25 5 7 11 0 5 0 00 5 3 1 13 2 2 9 95 2 4 81 0 5 0 00 5 02 82 8 6 2 16 0 7 81 0 5 0 00 5 8 1 22 9 2 6 25 0 0 81 0 5 0 00 4 82 92 8 6 3 85 6 4 21 0 5 0 00 5 4 1 32 8 2 0 05 3 7 31 0 5 0 00 5 13 02 8 1 6 27 5 1 71 0 5 0 00 7 2 1 42 7 9 7 46 5 1 71 0 5 0 00 6 23 12 9 1 2 06 9 9 31 0 5 0 00 6 7 1 52 8

18、5 1 35 1 4 01 0 5 O OO 4 93 22 9 6 4 15 5 2 6 1 0 5 0 0O 5 3 1 62 9 1 4 35 0 8 91 0 5 0 00 4 83 32 8 9 6 87 1 1 91 0 5 0 00 6 8 1 72 9 3 5 55 1 1 01 0 5 0 00 4 93 47 6 4 81 3 6 51 1 5 5 00 1 2 裹3I 类工况妊的计算结果 T a b l e3R e s u l t so t “ 如u n d e rc a t e g o r yI 瞬态号温度t CK I ( M P a m 1 7 2 )K c p (

19、M P a m 17 2 )限值( M P a m 1 z )比值 3 0 2 7 4 9 1 1 3 1 5 5 6 1 9 6 8 3 3 2 7 6 0 5 7 6 6 2 3 9 4 5 8 7 7 8 7 2 3 5 5 0 5 5 8 6 6 2 4 0 0 5 9 5 8 9 0 4 6 5 5 9 3 1 2 7 5 0 1 4 0 2 5 6 0 6 2 1 2 7 5 0 1 2 7 5 0 0 4 6 0 1 7 0 9 8 O 7 1 O 4 4 63 2 7 8 36 1 9 16 3 1 6 1 2 7 5 00 5 0 万方数据 衷5 水压试验工况k 的计算结果

20、T a b l e5R e s u l t so f 珞u n d e rt e s tc o n d i t i o n s 裹6J 毛计算结果汇总 T a b l e6kr e s u l t ss u m m a r y 5 讨论及结论 对马鞍面上最深约1 2 7r n m 的缺陷，法国 在役检测评定规范R S E M 未明确规定其是否 可接受。A S M E 规范卷I W B - 3 6 1 0 ( b ) ( 1 ) 5 指出，缺陷完全在堆焊层中是不需进行评定的。 若缺陷穿过堆焊层到母材上，依据I W B - 3 5 1 2 1 和I W B - 3 5 1 2 2 ，在役检查出的平

21、面缺陷所允许 的缺陷深度与部件厚度之比为2 5 ，则可计 算允许的缺陷深度a = 2 5 Xt = 2 5 2 0 0 = 5m m 。式中，= 2 0 0m m 为保守的壁厚。 因此，裂纹假设应大于5m l T l 。 由表6 可知，堆焊层减薄2m m ，初始裂纹深 度假设1 0m m 时，恰好能满足R C C - M 规范。 综上所述，在R P V 出口接管嘴马鞍面堆 焊层表面上1 2 7m m 内的缺陷是可接受的，其 极限缺陷深度不能超过1 0m m 。 参考文献： 1 U s e r sm a n u a lf o rr e l e a s e9 O E M S 1 ：A N S Y SI n c ，2 0 0 4 2 R S E M 规范 s 出版地不详 ： 出版者不详 ， 1 9 9 7 。 3 R C C - M R 规范附录A 1 6 S 出版地不详 ： 出 版者不详 ，2 0 0 2 4 R C C M 规范E s 3 出版地不详 ： 出版者不详 ， 2 0 0 0 5 3A S M E 规范 S 出版地不详 ： 出版者不详 ， 2 0 0 4 万方数据