CN103366841A - 一种cpr1000机组反应堆压力容器堆芯筒体区缺陷的评定方法 - Google Patents

一种cpr1000机组反应堆压力容器堆芯筒体区缺陷的评定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种CPR1000机组反应堆压力容器堆芯筒体区缺陷的评定方法，包括步骤：①缺陷表征；②获取材料的物理性能参数与断裂性能参数；③载荷分析及分类；④选择失效评定曲线；⑤计算评定点坐标；⑥绘制评定点与安全评定；⑦进行结构的安全裕量的评估和参数敏感性的分析。相较于现有技术，本发明提供的一种CPR1000机组反应堆压力容器堆芯段筒体区缺陷评定方法，精确度更高、计算成本较低，并给出了评估中所需安全裕量的选取原则，因而本发明对堆芯段筒体区缺陷的安全评定具有实际意义。

Description

一种CPR1000机组反应堆压力容器堆芯筒体区缺陷的评定方法
技术领域
本发明属于结构完整性评定技术领域，具体涉及CPR1000机组反应堆压力容器（RPV）堆芯段筒体区含裂纹类缺陷的精确安全评定方法，是一种用于判定RPV堆芯段筒体在各瞬态下的安全性的评定方法，为核电关键设备的安全评定提供准确的技术依据。
背景技术
应用于核电领域的大型工程结构，由于原材料、加工制造和使用等因素的影响，其结构内部往往存在不同类型的缺陷，如夹杂、焊接缺陷和裂纹等。缺陷的存在将直接危害到结构的完整性（或称为使用安全性）。如果过低地估计了缺陷对结构完整性的影响，有可能可能导致设备破坏、人员伤亡等重大事故；而如果过高地估计了缺陷的危害作用，将导致设备提前退役或进行不必要的停机修理，造成较大的经济损失。因此，数十年来对含缺陷结构进行完整性评定始终是工业发达国家重点研究的课题之一。
当前国际上结构完整性评估技术的发展趋势之一是采用失效评定图（FAD）方法进行承压设备的安全性能评价。FAD方法起源于英国原中央电力局的双判据失效评定准则。通常含缺陷结构的失效形式可分为3种，即脆性断裂、塑性失稳和弹塑性撕裂。结构的极限条件由两个准则来确定，即断裂准则和塑性失稳准则，与极限条件相关的结构完整性分析将借助于FAD完成。经过多年的发展，FAD方法已经被多国结构完整性评定规范所引用，如英国《含缺陷结构完整性评定规范》（R6规范）等。
采用FAD方法进行结构完整性评估的关键一步是要根据评定的精度要求，选择和制订失效评定曲线。R6规范给出了提出了建立失效评定曲线的3种选择方法。基于选择方法1建立的失效评定曲线是通用失效评定曲线，R6规范直接给出了失效评定曲线公式。基于选择方法2建立的失效评定曲线是是一条与材料应力－应变曲线关系有关的失效评定曲线。基于选择方法3建立的失效评定曲线是一条与材料性能、几何结构、外部载荷有关的失效评定曲线。基于选择方法3建立的失效评定曲线的精度最高，但是需要进行复杂的断裂力学J积分计算，实现的成本较高。
CPR1000是我国自主设计、建设的百万千瓦级压水堆核电站。反应堆压力容器（RPV）是核安全一级部件，在服役过程中，由于受到中子辐照的影响，材料性能将会逐渐劣化，具体表现为强度增加、塑韧性下降。同时RPV在制造、安装、服役过程中有可能出现缺陷，这些因素都将对核电站的安全运行产生影响。因此，在某些情况下，需要对含缺陷的RPV进行安全评定。
目前，含缺陷的RPV结构完整性评估方法主要是采用线弹性断裂力学方法，如美国ASME规范XI类附录A，主要目的是防止RPV出现脆性断裂失效。然而由于近十几年工业制造水平的提高，RPV材料质量大幅提高，具体表现为韧性越来越好。因此，RPV在服役过程中可能出现的失效方式是介于断裂失效模式和塑性失稳失效模式之间。
应用FAD方法进行含缺陷RPV堆芯筒体区安全评定有两个问题需要解决：1、若安全评定的精度要求较高，则需要建立高精度的失效评定曲线；2、根据服役期内运行瞬态发生次数和危害程度的不同，核级承压设备的运行瞬态一般分为正常工况、扰动工况、紧急工况、事故工况与试验工况，因此失效评定曲线应该与工况相关。
发明内容
本发明以英国的《含缺陷结构完整性评定规范》（R6规范）第四版内容为基础，参考CPR1000机组RPV的参数，建立了四条与材料性能、几何结构、工况载荷有关的失效评定曲线，并且以该失效评定曲线为基础，提出了一种适用于CPR1000机组RPV堆芯筒体区缺陷的评定方法。该方法能够准确判别CPR1000机组RPV堆芯筒体区缺陷的安全性，是一种适合特定核电结构、材料和载荷的安全评定技术。
本发明采用的技术方案为：
一种CPR1000机组反应堆压力容器堆芯筒体区缺陷的评定方法，其特征在于，包括以下步骤：
①缺陷表征：对检测到的轴向内表面裂纹进行尺寸表征，将所述裂纹从轴向内表面径向向外延伸的最远距离表征为裂纹深度a，裂纹的相对深度为a/t，t为堆芯段的壁厚，将所述裂纹轴向延伸的最大距离表征为缺陷长度2c；
②获取材料的物理性能参数与断裂性能参数，优选选取材料性能参数的实测数据，在未能获得实测数据的情况下，对常用材料，可从相关规范中选用数据；
③载荷分析及分类：确定所需评定瞬态中所涉及的载荷类型，并以载荷是否对结构的塑性失稳具有影响将各种载荷区分成一次载荷和二次载荷；
④选择失效评定曲线：根据所需评定瞬态的工况类型选择相应的失效评定曲线，所述失效评定曲线是指基于三维有限元计算得到各工况的失效评定曲线，其横坐标为载荷比参数Lr，纵坐标为断裂比参数Kr；
⑤计算评定点坐标：根据所需评定瞬态计算安全评估的评定点坐标（L′r，K′r）；
计算得出瞬态中的某时刻RPV堆芯筒体内表面轴向裂纹最深点处的应力强度因子KI，其由瞬态中的内压载荷和热应力共同引起，同时计算RPV堆芯筒体含内表面轴向缺陷时的极限载荷PL；
计算断裂比参数K′r=KI/KIC和载荷比参数K′r=P/PL，其中KIC为材料静态断裂韧性，P为瞬态中某时刻RPV堆芯段所承受的内压载荷；
⑥绘制评定点与安全评定：将评定点坐标（L′r，K′r）绘制在失效评定图中，当评定点落在所选择的失效评定曲线、垂直截止线和坐标轴围成的区域内时，结构是安全的；当评定点落在该区域外时，则结构是不安全的，需要进行更精确地评定；
⑦进行结构的安全裕量的评估和参数敏感性的分析。
优选地，所述步骤②中，所述的材料物理性能参数包含材料详细的拉伸性能、密度、导热系数、热膨胀系数、比热容、弹性模量、泊松比和材料断裂性能参数，各参数由实验测得或从规范手册中查得。
优选地，所述步骤③中，所述的一次载荷包括内压载荷，所述的二次载荷包括热应力载荷。
进一步优选地，所述步骤④中，各工况是根据寿期内瞬态发生的次数和危害性的不同，将RPV的运行瞬态分为正常工况、扰动工况、紧急工况、事故工况与试验工况。
进一步优选地，正常与扰动工况、事故工况、极端事故工况和试验工况的四条失效评定曲线方程分别为：
f(Lr)Level A，B=0.22614+0.75387/(1+exp((Lr-1.04837)/0.07837))；
f(Lr)Level C=0.22077+0.73837/(1+exp((Lr-1.05463)/0.09802))；
f(Lr)Level D=0.2977+0.60477/(1+exp((Lr-1.09828)/0.06936))；
f(Lr)Level Test=0.24062+0.75833/(1+exp((Lr-1.05178)/0.04978))。
优选地，所述步骤④中，各工况的失效评定曲线制订过程如下：针对每一类工况，挑选出一个具有包络性质的瞬态，即危害程度最大的瞬态，然后计算该瞬态下各种裂纹尺寸的失效评定曲线，最后绘制出各种裂纹尺寸的失效评定曲线的下包络线，即制订出该类工况的失效评定曲线；瞬态筛选时依据以下几个因素：瞬态初始及最终时刻温度、温度波动速率、内压大小、RPV内部温度的不均匀性。
优选地，所述步骤⑤中，通过分析裂纹最深点处的位移与内压载荷的关系图，采用弹性区、塑性区的双切线方法确定含缺陷结构的极限载荷。
优选地，所述步骤⑥中，所述垂直截止线由材料的流变应力和屈服应力的比值确定。
进一步优选地，所述流变应力与屈服强度的比值为1.18。
在一具体实施例中，本发明中四条与材料性能、几何结构、工况载荷有关的失效评定曲线的建立过程中，步骤①中：建立失效评定曲线时所考虑的裂纹深度方向的尺寸分别为a/t=1/10、a/t=1/6、a/t=1/4，形状参数a/c则取为1/3和1/1（共六种尺寸的裂纹）；步骤②中：CPR1000机组RPV材料为钢16MND5，材料性能取自法国RCCM规范2000版。Section I,Sub Section Z,ANNEX ZI:Properties of Materials to Be Used in Design；步骤③中：针对每一类工况，挑选出一个具有包络性质的瞬态，即危害程度最大的瞬态，然后计算该瞬态下六种裂纹尺寸的失效评定曲线，最后绘制出六条失效评定曲线的下包络线，即制订出该类工况的失效评定曲线，此处分别选择冷停堆瞬态、小破口瞬态、大破口瞬态和水压试验瞬态作为正常与扰动工况、紧急工况、事故工况和水压试验工况下的典型瞬态。
附图说明
图1为本发明CPR1000机组反应堆压力容器堆芯筒体区缺陷的评定方法实施的流程图。
图2为根据本发明的CPR100反应堆压力容器堆芯筒体轴向表面缺陷的尺寸表征示意图。
图3为根据本发明的CPR100反应堆压力容器堆芯筒体轴向表面缺陷各工况下的失效评定图。
图4为根据本发明的CPR100反应堆压力容器堆芯筒体轴向表面缺陷的安全裕量评定示意图。
图5为根据本发明的CPR100反应堆压力容器堆芯筒体轴向表面缺陷的载荷参数敏感性分析示意图。
图6为根据本发明的CPR100反应堆压力容器堆芯筒体轴向表面缺陷评估案例的安全评定示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
请参阅图1至图6，本发明依据“合乎使用”的原则，用所建立的失效评定图开展CPR1000机组RPV堆芯筒体区的缺陷评估，具体评定步骤如图1所示，详细介绍如下：
（1）缺陷表征
将CPR1000机组RPV堆芯筒体轴向表面缺陷或近表面缺陷表征为图2所示尺寸，其中将所述裂纹从轴向内表面径向向外延伸的最远距离表征为裂纹深度a；裂纹的相对深度表征为a/t，t为堆芯段的壁厚；将所述裂纹轴向延伸的最大距离表征为缺陷长度2c。
（2）确定材料断裂性能
优先选取材料性能参数的实测数据，在未能获得实测数据的情况下，可从RCCM规范或者相关规范中选用数据。
（3）载荷分析及分类
确定所需评定瞬态中所涉及的载荷类型，并以载荷是否对结构的塑性失稳具有影响将各种载荷区分成一次载荷和二次载荷。
（4）选择失效评定图
图3所示是适用于CPR1000机组RPV堆芯筒体轴向内表面裂纹各工况下的失效评定曲线。图3中正常与扰动工况（Level A&B）、事故工况（Level C）、极端事故工况（Lelel D）和试验工况（Level Test）的四条失效评定曲线方程如下：
f(Lr)Level A，B=0.22614+0.75387/(1+exp((Lr-1.04837)/0.07837))；
f(Lr)Level C=0.22077+0.73837/(1+exp((Lr-1.05463)/0.09802))；
f(Lr)Level D=0.2977+0.60477/(1+exp((Lr-1.09828)/0.06936))；
f(Lr)Level Test=0.24062+0.75833/(1+exp((Lr-1.05178)/0.04978))。
图3中的垂直截止线Lr，max由材料的流变应力与屈服强度比确定，对于RPV材料，流变应力与屈服强度比Lr，max=1.18。
（5）计算评定点坐标（L′r，K′r）
计算得出某瞬态中的某时刻RPV堆芯筒体内表面轴向裂纹最深点处的应力强度因子KI，其由内瞬态中的压载荷和热应力共同引起。同时计算RPV堆芯筒体含内表面轴向裂纹时的极限载荷PL。
计算断裂比参数K′r=KI/KIC和载荷比参数K′r=P/PL，其中KIC为材料静态断裂韧性，P为瞬态中某时刻RPV堆芯段所承受的内压载荷。
（6）绘制评定点与安全评定
将评定点坐标（L′r，K′r）绘制在失效评定图中，当评定点落在所选择的失效评定曲线、垂直截止线和坐标轴围成的区域内时，RPV堆芯段结构是安全的；当评定点落在该区域外时，则RPV堆芯段结构是不安全的，需要进行更精确地评定。
（7）安全裕量评估和参数敏感性分析
为了考虑安全评定过程中的不确定性因素，结构还必须具有一定的安全裕量。这表明即使步骤（6）中RPV堆芯段是安全的，也还需要进行参数安全裕量分析。图4为安全裕量分析的示意图。图4中，点A为评定点的坐标，线段CO为评定点的坐标，线段CO为评定点纵坐标K′r中非一次应力引起的部分，点B为直线OA与评定曲线的交点，点O′与点B′为过点A的竖直线与坐标轴和评定曲线的交点，点O′′与点B′′为过点A水平直线与坐标轴和评定曲线的交点。
载荷安全裕量（FL）是评价结构承受总体载荷的安全裕度，断裂韧性安全裕量（FK）是评价结构断裂失效的安全裕度，屈服强度安全裕量（FY）是表征结构塑性失效的安全裕度。在图4中，各参数的安全裕量按下式计算：
FL=OB/OA   (1a)；
FK=O′B′/O′A   (1b)；
FY=O″B″/O″A   (1c)。
图4中，OC为K'r中非一次应力引起的部分。
安全裕量的取值必须考虑到各参数的波动情况、分析方法的不确定性等因素，即需要进行参数的敏感性分析。参数的敏感性分析过程即为评估参数取值变化时结构的安全裕量的波动影响，如载荷参数的敏感性分析过程如图5所示。如果安全裕量对某参量波动特别敏感，则应取足够大的安全裕量来避免输入参数的波动对结构安全性能的影响。安全裕量的取值和所有因素都密切相关，不存在一个通用安全裕量值，不同的分析案例需要分析者根据自身的特点来决定安全裕量的取值。
评估实施例1
（1）缺陷表征
RPV堆芯筒体处有轴向内表面轴向裂纹，裂纹深度a=19.945mm，缺陷长度2c=119.67mm。
（2）确定材料性能
RPV材料为钢16MND5。材料性能参见RCCM规范。材料的断裂韧性取为RCCM规范附录ZG中给出的材料断裂韧性值，其中韧脆转变温度NDT RT取为20℃。
（3）载荷分析及分类
假设评定的瞬态为冷停堆瞬态，RPV内的压力和温度随时间变化情况如表1所示，RPV堆芯筒体承受内压载荷和降温过程引起的热应力载荷，其中内压载荷属于一次载荷，热应力载荷是二次应力载荷。
表1冷停堆瞬态中RPV内的压力和温度情况
时间（h） 0 0.5 1 2.5 3 3.12
流体温度（℃） 291.4 263.9 236.4 153.9 126.4 120
裂纹前沿温度（℃） 291.4 267.64 241.15 159.1 131.9 125.87
（4）选择失效评定图
冷停堆瞬态属于正常工况，正常工况下选择图3中的Level A的失效评定曲线进行安全评定。
（5）计算评定点坐标
根据表1中的载荷，计算得到各评定点，如表2所示：
表2冷停堆瞬态中评定点坐标
时间（h） 0 0.5 1 2.5 3 3.12
K′r 0.21 0.17 0.13 0.08 0.07 0.07
L′r 0.405 0.291 0.203 0.076 0.063 0.063
（6）绘制评定点与安全评定
将表2评定点坐标（L′r，K′r）绘制在Level A的失效评定图中，如图5所示。评定点落在所选择的失效评定曲线、垂直截止线和坐标轴围成的区域内，因此结构是安全的。
（7）安全裕量评估和参数敏感性分析
虽然在二次应力的处理方面已经引入了一定的保守性，但工程应用分析中，仍需要进行结构的安全裕量评估与参数敏感性分析。冷停堆瞬态中的安全裕量评估结果见表3，由表3可知在冷停堆的瞬态中，各参数都有较高的安全裕量。
表3冷停堆过程中安全裕量分析
瞬态时间（h） 载荷安全裕量(FL) 断裂韧性安全裕量(FK) 屈服强度安全裕量(FY)
0 2.765 4.666 2.914
0.5 3.883 5.765 4.055
1 5.719 7.538 5.813
2.5 15.526 12.250 15.526
3 18.730 14.000 18.730
3.12 18.730 14.000 18.730
虽然冷停堆过程中结构具有较高的安全裕量，但也必须进一步分析各参数的不确定性和波动性对安全裕量的影响，即需要分析各参数对安全裕量的敏感性。在冷停堆过程中，瞬态的起始阶段安全裕量最小，此处将只进行瞬态起始阶段的安全裕量参数敏感性分析。
冷停堆过程起始阶段时，当参数相对波动20%时结构安全裕量的波动情况见表4。由表4可知，本实施例中，安全裕量的相对波动值均小于各参数波动的相对值，结构安全性能不易受到参数波动的影响；本实施例中，载荷的安全裕量随对载荷波动的敏感性最小，所以此瞬态中所需的载荷安全裕量可以取较小的值。
表4冷停堆瞬态起始阶段参数敏感性分析
参数安全裕量 波动前安全裕量 波动后安全裕量 安全裕量波动（％）
载荷（FL） 2.77 2.67 4
断裂韧性（FK） 4.67 3.89 17
屈服强度（FY） 2.91 2.43 16
注：安全裕量的波动=1-参数波动后的安全裕量/参数波动前的安全裕量。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种CPR1000机组反应堆压力容器堆芯筒体区缺陷的评定方法，其特征在于，包括以下步骤：
①缺陷表征：对检测到的轴向内表面裂纹进行尺寸表征，将所述裂纹从轴向内表面径向向外延伸的最远距离表征为裂纹深度a，裂纹的相对深度为a/t，t为堆芯段的壁厚，将所述裂纹轴向延伸的最大距离表征为缺陷长度2c；
②获取材料的物理性能参数与断裂性能参数，优选选取材料性能参数的实测数据，在未能获得实测数据的情况下，对常用材料，可从相关规范中选用数据；
③载荷分析及分类：确定所需评定瞬态中所涉及的载荷类型，并以载荷是否对结构的塑性失稳具有影响将各种载荷区分成一次载荷和二次载荷；
④选择失效评曲线：根据所需评定瞬态的工况类型选择相应的失效评定曲线，所述失效评定曲线是指基于三维有限元计算得到各工况的失效评定曲线，其横坐标为载荷比参数Lr，纵坐标为断裂比参数Kr；
⑤计算评定点坐标：根据所需评定瞬态计算安全评估的评定点坐标（L′r，K′r）；
计算得出瞬态中的某时刻RPV堆芯筒体内表面轴向裂纹最深点处的应力强度因子KI，其由瞬态中的内压载荷和热应力共同引起，同时计算RPV堆芯筒体含内表面轴向缺陷时的极限载荷PL；
计算断裂比参数K′r=KI/KIC和载荷比参数L′r=P/PL，其中KIC为材料静态断裂韧性，P为瞬态中某时刻RPV堆芯段所承受的内压载荷；
⑥绘制评定点与安全评定：将评定点坐标（L′r，K′r）绘制在失效评定图中，当评定点落在所选择的失效评定曲线、垂直截止线和坐标轴围成的区域内时，结构是安全的；当评定点落在该区域外时，则结构是不安全的，需要进行更精确地评定；
⑦进行结构的安全裕量的评估和参数敏感性的分析。
2.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于：所述步骤②中，所述的材料物理性能参数包含材料详细的拉伸性能、密度、导热系数、热膨胀系数、比热容、弹性模量、泊松比和材料断裂性能参数，各参数由实验测得或从规范手册中查得。
3.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于：所述步骤③中，所述的一次载荷包括内压载荷，所述的二次载荷包括热应力载荷。
4.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于：所述步骤④中，各工况是根据寿期内瞬态发生的次数和危害性的不同，将RPV的运行瞬态分为正常工况、扰动工况、紧急工况、事故工况与试验工况。
5.根据权利要求4所述的评定方法，其特征在于：正常与扰动工况、事故工况、极端事故工况和试验工况的四条失效评定曲线方程分别为：
f(Lr)Level A，B=0.22614+0.75387/(1+exp((Lr-1.04837)/0.07837))；
f(Lr)Level C=0.22077+0.73837/(1+exp((Lr-1.05463)/0.09802))；
f(Lr)Level D=0.2977+0.60477/(1+exp((Lr-1.09828)/0.06936))；
f(Lr)Level Test=0.24062+0.75833/(1+exp((Lr-1.05178)/0.04978))。
6.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于：所述步骤④中，各工况的失效评定曲线制订过程如下：针对每一类工况，挑选出一个具有包络性质的瞬态，即危害程度最大的瞬态，然后计算该瞬态下各种裂纹尺寸的失效评定曲线，最后绘制出各种裂纹尺寸的失效评定曲线的下包络线，即制订出该类工况的失效评定曲线；瞬态筛选时依据以下几个因素：瞬态初始及最终时刻温度、温度波动速率、内压大小、RPV内部温度的不均匀性。
7.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于：所述步骤⑤中，通过分析裂纹最深点处的位移与内压载荷的关系图，采用弹性区、塑性区的双切线方法确定含缺陷结构的极限载荷。
8.根据权利要求1所述的评定方法，其特征在于：所述步骤⑥中，所述垂直截止线由材料的流变应力和屈服应力的比值确定。
9.根据权利要求8所述的评定方法，其特征在于：所述流变应力与屈服强度的比值为1.18。
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