CN103594130B - 一种防止核电站压力管道快速断裂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核电站管道设计技术，具体涉及一种防止核电站压力管道快速断裂的方法。该方法采用材料性能分析，泄漏监测系统能力评估，热工水力分析和断裂力学等方法进行分析，确保高能管道不会发生快速断裂。本发明在未进行管道力学分析前即可进行临界裂纹分析和断裂力学分析，对于新设计的管线，可预先得到管道的断裂性能，同时不需要对管系的每条焊缝进行临界裂纹分析和断裂力学分析，缩短了工期，提高了工作效率。

Description

一种防止核电站压力管道快速断裂的方法
技术领域
本发明属于核电站管道设计技术，具体涉及一种防止核电站压力管道快速断裂的方法。
背景技术
在目前的高能管道设计中，需要考虑管道的双端快速断裂，为了防止因双端快速断裂导致对周边设备等部件造成破坏，因此在管道设计中考虑了防甩件。采用防甩件后导致电站内部空间减小，不利于电站的在役检查，同时增加人员的辐照量。
为了确保高能管道不会发生快速断裂，取消动力效应防护件，例如管道甩击限制件、喷射冲击防护屏障，需要采用断裂力学的分析方法判断裂纹稳定性。常规方法一般在进行管道力学分析后才能进行临界裂纹分析和断裂力学分析(如图1中的虚线部分)，并且需要对管系的每条焊缝进行临界裂纹分析和断裂力学分析，这种分析方法的耗时较长，工作效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种防止核电站压力管道快速断裂的方法，采用材料性能分析，泄漏监测系统能力评估，热工水力分析和断裂力学等方法进行分析，确保高能管道不会发生快速断裂。
本发明的技术方案如下：一种防止核电站压力管道快速断裂的方法，包括如下步骤：
(1)排除管道存在以下失效的可能性，包括：腐蚀、疲劳、侵蚀、热老化、热分层、水锤、蠕变、脆性断裂；
(2)进行管道材料力学试验，得到材料的拉伸性能和延性断裂性能；
(3)假设两个状态，分别为一个只受内压载荷的应力状态，另一个接近材料屈服强度的应力状态，得到两个状态下管道泄漏裂纹尺寸；
(4)计算得到对应泄漏裂纹尺寸2倍长度下的最大应力，形成一条包络曲线；
(5)计算得到管道系统中各节点上的载荷；
(6)根据步骤(5)的计算结果，采用步骤(3)和步骤(4)的计算曲线，判断是否会发生管道快速断裂；不会发生快速断裂，则设计完成，否则重新修改设计，返回步骤(1)重新计算。
进一步，如上所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，步骤(1)中对整个管道系统或者两个锚固点之间的管道进行潜在失效机理分析和泄漏监测系统能力评估，证明候选管道对由于潜在失效机理所导致的破损是不敏感的。
进一步，如上所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，步骤(2)中对于采用相同规格书、热处理和制造方法的管道材料，至少需要3个炉号材料，每个材料要获得管道运行下限温度一条应力-应变曲线，上限温度两条应力-应变曲线和下限温度一条J-R阻力曲线和上限温度两条J-R阻力曲线；对于采用实际电站存档的材料，只需一种炉号材料，获得管道运行下限温度一条应力-应变曲线，上限温度三条应力-应变曲线和下限温度一条J-R阻力曲线和上限温度三条J-R阻力曲线。
进一步，如上所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，步骤(3)中根据泄漏监测系统能力评估结果，考虑10倍安全系数采用热工水力的方法和步骤(2)中得到的材料性能计算泄漏裂纹长度。
进一步，如上所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，步骤(4)中对步骤(3)得到的泄漏裂纹的2倍长度进行断裂力学分析，通过不断的加大载荷，采用步骤(2)中得到的材料性能，得到相对应泄漏裂纹长度下的失稳载荷对应的应力作为最大应力。
进一步，如上所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，步骤(5)中根据管道布置和管道计算工况条件，进行管道力学分析；通过管道系统力学分析确定载荷的类型(力、弯矩、扭矩)和大小、作用位置。
进一步，如上所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，步骤(6)中遵循材料和应力组合最不利原则进行快速断裂判断，在正常运行和SSE地震载荷的作用下，计算管道的应力，对于横坐标的应力采用正常运行下的载荷，代数和的组合方式；对于纵坐标的应力采用正常运行下的载荷加SSE载荷，绝对值的组合方式。
本发明的有益效果如下：本发明采用材料性能分析，泄漏监测系统能力评估，热工水力分析和断裂力学等方法进行分析，确保高能管道不会发生快速断裂。该方法在未进行管道力学分析前即可进行临界裂纹分析和断裂力学分析，对于新设计的管线，可预先得到管道的断裂性能，同时不需要对管系的每条焊缝进行临界裂纹分析和断裂力学分析，缩短了工期，提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为判断是否会发生管道快速断裂的计算结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明根据管道材料的性能，在裂纹扩展过程经历三个阶段，慢速扩展---稳定扩展---快速扩展直至断裂，同时稳定扩展占这三个阶段的主要部分；结合目前核电站的泄漏监测系统，在产生裂纹后会先有泄漏，根据泄漏监测到的泄漏量，采用热工水力的计算模型求出泄漏裂纹长度，再采用断裂力学的分析方法判断裂纹稳定性。对可探测到的裂纹长度，考虑10倍的探测精度安全系数和2倍的计算安全系数，此时裂纹还是稳定的，就可以证明管道不会发生双端快速断裂。
本发明所提供的防止核电站压力管道快速断裂的方法，包括如下步骤：
步骤1，排除管道存在以下失效可能性包括：腐蚀、疲劳、侵蚀、热老化、热分层、水锤、蠕变、脆性断裂等。对管道进行潜在失效机理分析和泄漏监测系统能力评估；此种分析方法不能只应用于单个焊点，而应用于整个管系，或者两个锚固点之间的部分。同时需要评价分析对象满足先决条件，才可以进行此种方法分析。
基于运行参数、运行反馈等进行总结，证明候选管道对由于潜在失效机理所导致的破损是不敏感的，根据设计、运行经验、相关检测或分析结果说明由于晶间应力腐蚀裂纹、水锤作用、蒸汽锤、疲劳(热胀或机械)或腐蚀等效应而产生的管道失效的可能性很低，在使用时不会因水锤，侵蚀，腐蚀，疲劳和环境条件而失效。
步骤2，得到材料的拉伸性能和延性断裂性能。进行材料力学试验，得到材料的力学性能；如果采用相同规格书、热处理和制造方法的管道材料，至少需要3个炉号材料，每个材料要获得管道运行下限温度一条应力-应变曲线，上限温度两条应力-应变曲线和下限温度一条J-R阻力曲线和上限温度两条J-R阻力曲线；对于采用存档的材料，只需一种炉号材料，获得管道运行下限温度一条应力-应变曲线，上限温度三条应力-应变曲线和下限温度一条J-R阻力曲线和上限温度三条J-R阻力曲线。
步骤3，假设两个状态，分别为一个只受内压载荷的应力状态，另一个接近材料屈服强度的应力状态，得到两个状态下泄漏裂纹尺寸。根据泄漏监测系统能力评估结果，考虑10倍安全系数采用热工水力的方法和步骤2中得到的材料性能计算泄漏裂纹长度；为了避免管道裂纹失稳造成双端断裂，此技术应用的前提是对应用范围的管道，有相应的泄漏监测手段，且泄漏监测的响应时间、灵敏度等都有要求，并依据可探测的泄漏率，计算裂纹长度。对目前现有监测能力做出评估和分析，对可将泄漏率量化的手段进行计算分析，对泄漏监测系统的监测能力、响应时间、抗震、泄漏管理等提出技术要求，对此技术要求的参数进行分析，确定相应的显示和报警要求。
步骤4，计算得到对应泄漏裂纹长度下的最大应力，做成一条包络曲线，如图2所示。对步骤3得到的泄漏裂纹进行断裂力学分析，通过不断的加大载荷，采用步骤2得到的材料性能，得到相对应泄漏裂纹2倍长度下的失稳载荷对应的应力作为最大应力。
步骤5，计算得到管系中各节点上的载荷。根据管道布置和管道计算工况条件，进行管道力学分析；通过管道系统力学分析确定载荷的类型(力、弯矩、扭矩)和大小、作用位置，包括可能存在的隔离阀关闭引起的汽锤载荷计算。
步骤6，结果分析。根据步骤5的结果，采用步骤3和步骤4的计算曲线，判断是否会发生快速断裂，对于横坐标的应力采用正常运行下的载荷，代数和的组合方式；对于纵坐标的应力采用正常运行下的载荷加SSE载荷，绝对值的组合方式。计算结果如图2所示，如果所有点都在曲线下方，不会发生快速断裂，则设计完成，否则修改设计，从步骤1开始重新计算，判断是否对泄漏监测系统能力低估了或者进行改进，是否更换材料，能否修改布置等方面进行调整重新分析。此技术针对危险点位置进行。所谓的危险点为结构应力和材料性质组合最不利的地方，一般出现在焊缝位置。具体分析判定遵循材料和应力组合最不利原则进行判断。在正常运行和SSE地震载荷的作用下，计算管道的应力，同时根据以上载荷所引起的应力和材料特性(包括母体，焊材和安全端)两者综合，对于横坐标的应力采用正常运行下的载荷，代数和的组合方式；对于纵坐标的应力采用正常运行下的载荷加SSE载荷，绝对值的组合方式。计算结果如图2所示，如果所有点都在曲线下方。；对于断裂韧性相对较低的材料，如考虑老化的铸造的奥氏体不锈钢、低碳钢等，由于其断裂截面只有部分进入屈服，不能采用极限载荷方法，需要通过J/T曲线方法来计算临界裂纹长度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种防止核电站压力管道快速断裂的方法，包括如下步骤：
（1）排除管道存在以下失效的可能性，包括：腐蚀、疲劳、侵蚀、热老化、热分层、水锤、蠕变、脆性断裂；
（2）进行管道材料力学试验，得到材料的拉伸性能和延性断裂性能；
（3）假设两个状态，分别为一个只受内压载荷的应力状态，另一个接近材料屈服强度的应力状态，得到两个状态下管道泄漏裂纹尺寸；
（4）计算得到对应泄漏裂纹尺寸2倍长度下的最大应力，形成一条包络曲线；
（5）计算得到管道系统中各节点上的载荷；
（6）根据步骤（5）的计算结果，采用步骤（3）和步骤（4）的计算曲线，判断是否会发生管道快速断裂；不会发生快速断裂，则设计完成，否则重新修改设计，返回步骤（1）重新计算。
2.如权利要求1所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，其特征在于：步骤（1）中对整个管道系统或者两个锚固点之间的管道进行潜在失效机理分析和泄漏监测系统能力评估，证明候选管道对由于潜在失效机理所导致的破损是不敏感的。
3.如权利要求1所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，其特征在于：步骤（2）中对于采用相同规格书、热处理和制造方法的管道材料，至少需要3个炉号材料，每个材料要获得管道运行下限温度一条应力-应变曲线，上限温度两条应力-应变曲线和下限温度一条J-R阻力曲线和上限温度两条J-R阻力曲线；对于采用实际电站存档的材料，只需一种炉号材料，获得管道运行下限温度一条应力-应变曲线，上限温度三条应力-应变曲线和下限温度一条J-R阻力曲线和上限温度三条J-R阻力曲线。
4.如权利要求1所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，其特征在于：步骤（3）中根据泄漏监测系统能力评估结果，考虑10倍安全系数，采用热工水力的方法和步骤（2）中得到的材料性能计算泄漏裂纹长度。
5.如权利要求4所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，其特征在于：步骤（4）中对步骤（3）得到的泄漏裂纹的2倍长度进行断裂力学分析，通过不断的加大载荷，采用步骤（2）中得到的材料性能，得到相对应泄漏裂纹长度下的失稳载荷对应的应力作为最大应力。
6.如权利要求1所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，其特征在于：步骤（5）中根据管道布置和管道计算工况条件，进行管道力学分析；通过管道系统力学分析确定载荷的类型和大小、作用位置。
7.如权利要求6所述的防止核电站压力管道快速断裂的方法，其特征在于：步骤（6）中遵循材料和应力组合最不利原则进行快速断裂判断，在正常运行和SSE地震载荷的作用下，计算管道的应力，对于横坐标的应力采用正常运行下的载荷，代数和的组合方式；对于纵坐标的应力采用正常运行下的载荷加SSE载荷，绝对值的组合方式。
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