CN108710721A - 一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法 - Google Patents

一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法 Download PDF

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Abstract

发明涉及一种基于失效评定图（FAD）的未爆先漏（LBB）分析方法，包括以下步骤：（a）服役状态分析；（b）初始裂纹选择；（c）载荷分析；（d）线弹性应力强度因子（SIF）计算；（e）极限载荷分析；（f）评定点坐标计算；（g）FAD选择；（h）评定点绘制；（i）弹塑性SIF计算；（j）J积分计算；（k）不同裂纹的J积分计算与拟合；（l）结构失效临界裂纹尺寸计算；（m）结构临界泄漏裂纹尺寸计算；（n）LBB准则评估，本发明基于FAD理论，克服了现有规范中弹塑性分析理论基础不足、现有J积分计算手册适用范围有限、有限元建模分析过程复杂，及计算结构失效临界裂纹尺寸和结构临界泄漏裂纹尺寸过程复杂等缺点，提供了一种基于FAD的LBB分析依据。

Description

一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法
技术领域
本发明属于压水堆核电厂一回路主管道奥氏体不锈钢铸件的结构完整性评定技术领域，具体涉及基于失效评定图的一回路主管道未爆先漏分析方法，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
压水堆一回路主管道普遍采用奥氏体不锈钢铸件(CASS)，在材料铸造过程中会引入一定含量的铁素体，压水堆运行温度下(292-328℃)长期服役后铁素体相发生分解从而导致材料韧性下降。研究表明：老化前后CASS的冲击韧性下降幅度可达70％以上。同时，在制造、安装、服役过程中主管道又会不可避免的出现缺陷(如裂纹、夹杂、空洞等)，这些因素都将对核电厂的安全运行产生严重的影响。因此，需要对含缺陷主管道的可靠性做出精确的评定。
上世纪80年代以前的核反应堆设计中，为了保证结构的可靠性，往往把压力管道的双端剪切断裂作为设计基准事故。但后来的理论研究和实验发现，双端剪切断裂事故的发生概率是非常小，以此作为设计基础事故会带来一些得不偿失的问题。如果在设计中采用未爆先漏(LBB)分析技术，则可以避免管道的双端剪切断裂，既可以确保核反应堆的安全，又可以省去一些不必要的设施(管道防甩击系统、液体喷射屏蔽系统等)，降低核反应堆结构的复杂程度和建设费用。
LBB分析中涉及两项主要内容：1)表面和贯穿裂纹的J积分的计算，2)贯穿裂纹的张开面积和泄漏率计算，其中弹塑性断裂参量J积分是与断裂力学紧密相关的内容。目前，结构完整性评定规范(如美国ASME规范、法国RCC-M规范)中主要进行的仍是线弹性断裂力学分析，或对线弹性断裂力学分析结果进行简单的塑性修正。J积分计算过程与评估部件的结构、载荷、材料、缺陷等众多基本输入参数相关，且J积分与外加载荷之间存在高度的非线性关系(特别是对LBB分析中采用的贯穿壁厚的大尺寸缺陷)，同时，如何高效计算获得结构失效临界裂纹尺寸和结构临界泄漏裂纹尺寸，则是另外一个工程技术难点。这些因素给LBB工程评估带来了较大的困难。目前，工程应用中通常需要参考相关的计算手册或建立复杂的有限元模型进行LBB评估。
近来，国际上普遍趋势是采用失效评定图(FAD)技术进行承压设备的安全性能评价，如申请号为2015104933604的中国专利公开了一种反应堆压力容器含裂纹类缺陷的简化弹塑性断裂力学分析方法，通过将载荷分成一次应力载荷和二次应力载荷，利用FAD技术对应力强度因子进行塑性修正，再结合RCC-M规范中弹塑性断裂力学分析方法进行结构完整性分析，从而提高反应堆压力容器含裂纹类缺陷分析的准确性。FAD由失效评定曲线(FAC)、坐标轴和FAC截至值构成。经过多年的发展，该方法已经发展为基于J积分理论的FAD方法，如R6规范第四版。第四版R6规范选择3方法是严格基于J积分理论的准则，选择2方法(与材料拉伸性能相关)是选择3方法的简化。FAD技术其具有明显的优势：1)相比ASME或法国RCC-M规范中简单的塑性修正方法，具有更严格的理论基础；2)相比J积分计算手册，其适用范围更广；3)相比有限元建模分析，其应用过程更简单。
但是，FAD应用过程中只能获得临界状态下的J积分数值，对于处在FAD内部的评估点如何计算弹塑性J积分及如何考虑材料性能劣化对J积分计算数值的影响是一个技术难点。同时，如何高效计算获得结构失效临界裂纹尺寸和结构临界泄漏裂纹尺寸，则是另外一个工程技术难点。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，包括以下步骤：
(a)获得压水堆核电厂一回路主管道不同服役年限下的信息；
(b)基于LBB评估准则，确定评估中假想裂纹的位置和类型参数；
(c)获得不同工况下的载荷信息，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应力载荷和二次应力载荷，LBB分析中仅考虑一次应力载荷；
(d)计算线弹性应力强度因子KI，所述线弹性应力强度因子为瞬态中的一次应力载荷引起的应力强度因子；
(e)计算含缺陷管道的极限载荷P0；
(f)计算断裂比参量Kr'＝KIM/KIC和载荷比参数Lr'＝P1/P0，式中P1为瞬态中的一次应力载荷；KIC为材料的断裂韧性；KIM为一次应力载荷引起的应力强度因子；
(g)基于一回路主管道服役状态的信息，选择失效评定图；
(h)将计算得到的评定点坐标(Lr'，Kr')绘在选定的失效评定图中；
(i)基于选定的失效评定图进行线弹性应力强度因子塑性修正，修正后的弹塑性应力强度因子KJ为：
式(1)中，点A(Lr A，Kr A)为评定点，点O为失效评定图坐标原点；点B(Lr B，Kr B)为直线OA与失效评定曲线的交点，n为材料拉伸性能Ramberg-Osgood关系中的硬化指数参数，KI A和KI B为A点和B点对应的应力强度因子，Lr A、Lr B、Lr A'和Lr B'分别为点A、B、A'和B'的横坐标。Kr A、Kr B、Kr A'和Kr B'分别为点A、B、A'和B'的纵坐标；
(j)基于弹塑性应力强度因子KJ计算裂纹前沿的J积分：
式(2)中，E为弹性模量，ν为泊松比；
(k)计算不同裂纹尺寸a下裂纹前沿的J积分，并将J积分按照式(3)进行拟合：
式(3)中，ci为多项式拟合系数；
(l)计算结构失效临界裂纹尺寸ac，计算公式为：
式(4)中，S和T为材料断裂韧性J-R阻力曲线特征参数；
(m)依据泄漏率计算公式，评估结构临界泄漏裂纹尺寸aL：
式(5)中，m为泄漏检测仪器的精度，P为管道内介质的工作压力，ρ为介质的密度，D为裂纹面的张开距离；
(n)依据LBB法规要求，进行LBB准则判断：若ac/aL大于2则满足LBB准则要求；若ac/aL不大于2则不满足准则要求。
进一步的，步骤(a)中，所述一回路主管道不同服役年限下的信息包括服役初始材料弹性模量、初始应力-应变曲线、初始J-R阻力曲线、不同服役年限下的J-R阻力曲线、材料成分、服役温度和服役时间。
进一步的，步骤(a)中，所述一回路主管道为奥氏体不锈钢铸件。
进一步的，步骤(d)中，所述线弹性应力强度因子KI通过计算手册或有限元数值计算方法获得。
进一步的，步骤(e)中，所述极限载荷P0通过计算手册或有限元数值计算方法获得。
进一步的，步骤(f)中，所述材料断裂韧性KIC通过J-R阻力曲线获得。
进一步的，步骤(g)中，选择的所述失效评定图根据材料实际拉伸性能进行建立。
进一步的，所述的材料实际拉伸性能考虑了不同服役时限下的老化效应。
进一步的，步骤(g)中，选择的所述失效评定图具有可根据服役状态和评估时刻的温度进行线性差值的特性。
进一步的，步骤(l)中，选择的所述材料断裂韧性J-R阻力曲线特征参数S和T由现有规范或实验测试获得。
采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的基于失效评定图的未爆先漏分析方法克服了美国ASME和法国RCC-M规范中简单的塑性修正方法缺少明确的理论基础、现有J积分计算手册适用范围有限，及有限元建模分析过程复杂等缺点；提供了不同服役老化状态下的专用失效评定图；基于失效评定图，通过本发明的弹性应力强度因子的计算方法，可获得任意载荷状态和材料老化状态下的弹塑性J积分数值；同时，本发明可高效计算获得结构失效临界裂纹尺寸和结构临界泄漏裂纹尺寸。本发明的基于失效评定图的未爆先漏分析方法适用范围广。
附图说明
图1为本发明基于FAD的LBB分析方法的流程图；
图2为本发明主管道含裂纹类缺陷的表征示意图；
图3为本发明材料不同服役状态的真应力-真应变曲线图；
图4为本发明材料的特定FAD图；
图5为本发明实施例1中将评定点坐标绘制在失效评定图中的示例图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一种基于失效评定图(FAD)的未爆先漏(LBB)分析方法，其流程图如图1所示，它包括以下步骤：
(1)服役状态分析
获得核电厂一回路主管道不同服役阶段信息。包括服役初始材料弹性模量、初始应力-应变曲线、初始J-R阻力曲线、材料成分、服役温度和服役时间。
(2)初始裂纹选择
获得压水堆核电厂一回路主管道奥氏体不锈钢铸件不同服役状态的信息，并选择初始分析采用的裂纹周向角度信息。
(3)载荷分析
获得不同工况下的载荷信息，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应力载荷和二次应力载荷。其中，热应力和焊接残余应力为二次应力载荷，内压载荷引起的应力为一次应力载荷。LBB分析中仅需要考虑一次应力。
(4)线弹性应力强度因子计算
通过工程计算手册或有限元方法计算线弹性应力强度因子KI，所述线弹性应力强度因子(SIF)为瞬态中一次应力载荷引起的应力强度因子。
(5)极限载荷计算
通过工程计算手册或有限元方法计算含缺陷管道的极限载荷P0。
(6)评定点坐标计算
计算断裂比参量Kr'＝KIM/KIC和载荷比参数Lr'＝P1/P0，式中P1为瞬态中的一次应力载荷；KIC为材料的断裂韧性(本发明中KIC通过J-R阻力曲线获得)；KIM为一次应力载荷引起的应力强度因子。
(7)FAD选择
基于一回路主管道材料性能劣化后的状态，选择专用的FAD。选择的FAD可根据服役状态和评估时刻的温度进行线性差值。且选择的FAD根据材料实际拉伸性能进行建立，材料实际拉伸性能考虑了不同服役时限下的老化效应。
(8)评定点绘制
在所选择的FAD中，将计算得到的评定点坐标(Lr'，Kr')绘在选定的失效评定图中。
(9)弹塑性应力强度因子计算
线弹性应力强度因子塑性修正，塑性修正后的弹塑性应力强度因子KJ为：
式中，点A(Lr A，Kr A)为一次应力的评定点，点O为失效评定图坐标原点；点B(Lr B，Kr B)为直线OA与失效评定曲线的交点，n为材料拉伸性能Ramberg-Osgood关系中的硬化指数参数，KI A和KI B为A点和B点对应的应力强度因子，Lr A、Lr B、Lr A'和Lr B'分别为点A、B、A'和B'的横坐标。Kr A、Kr B、Kr A'和Kr B'分别为点A、B、A'和B'的纵坐标。
(10)J积分计算
根据修正后的弹塑性应力强度因子KJ，计算裂纹前沿的J积分：
式(7)中，E为弹性模量，ν为泊松比。
(11)计算不同裂纹尺寸J积分计算与拟合
计算不同裂纹尺寸a下裂纹前沿的J积分，并将J积分按照下式进行拟合：
式(8)中，ci为多项式拟合系数。
(12)计算结构临界失效裂纹尺寸
按照下式计算结构失效临界裂纹尺寸：
式(9)中：S和T为材料断裂韧性J-R阻力曲线特征参数。
(13)计算结构临界泄漏裂纹尺寸
依据泄漏率计算公式，评估结构临界泄漏裂纹尺寸aL；
式(10)中，m为泄漏检测仪器的精度(Kg/h)，P为管道内介质的工作压力，ρ为介质的密度，D为裂纹面的张开距离。
(14)LBB准则评估
依据LBB评估准判断主管道的安全性能。若ac/aL大于2则满足LBB准则要求，若ac/aL不大于2则不满足准则要求。
实施例1
某奥氏体不锈钢铸件直管段的管道外径Ro＝814.5mm、管道壁厚t＝72.5mm。此处给出某工况下的LBB的分析过程。该工况下，一回路主管道服役了40年。
(1)服役状态分析
一回路主管道服役了40年时，材料弹性模量E为180GPa，泊松比ν为0.3。
(2)初始裂纹选择
如图2所示，选择一初始贯穿壁厚的周向裂纹，裂纹周向角度2θ为45o(裂纹长度a＝2θRo)
(3)载荷分析
获得工况中某时刻室温下的载荷信息，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应力载荷和二次应力载荷。LBB分析中只关注一次应力载荷，此实施例中假设的一次应力载荷为管道弯矩载荷M，M为4650kN·m。
(4)线弹性应力强度因子计算
通过工程计算手册或有限元方法计算线弹性应力强度因子KI，线弹性应力强度因子为瞬态中一次应力载荷引起的应力强度因子，计算此案例分析中应力强度因子KI(约为)。
(5)极限载荷计算
通过工程计算手册或有限元方法计算含缺陷管道的极限载荷P0。此案例分析中极限载荷M0为11612kN·m。
(6)评定点坐标计算
计算断裂比参量Kr'＝KIM/KIC和载荷比参数Lr'＝M/Mo，式中KIC为材料的断裂韧性(本发明中KIC通过J-R阻力曲线获得)。
本案例中通过J-R阻力曲线获得某撕裂时刻的KIC，计算断裂比参量Kr'约为0.36，载荷比参数Lr'约为0.39。
(7)FAD选择
评估服役至20年时高温状态下的LBB特性，选择图4中的老化40年时室温的FAD。
(8)评定点绘制
在所选择的FAD中，将计算得到的评定点坐标(Lr'，Kr')绘在选定的失效评定图中，如图5所示。
(9)弹塑性应力强度因子计算
依据公式(6)进行线弹性应力强度因子塑性修正，此案例分析中，计算修正后的弹塑性应力强度因子KJ(约为535)。
(10)J积分计算
依据公式(7)计算裂纹前沿的J积分，此案例分析中，J积分为1450MP·mm。
(11)不同裂纹尺寸J积分计算与拟合，计算结构失效临界裂纹尺寸
获得初始裂纹尺寸(2θ)为45°时的J积分后，改变初始裂纹尺寸获得下一个裂纹尺寸对应的J积分，获得随裂纹变化的J积分趋势并进行拟合。本案例中材料断裂韧性J-R阻力曲线特征参数S和T分别取为855和0.42。通过计算获得结构失效临界裂纹尺寸ac为1020mm。
(12)计算结构临界泄漏裂纹尺寸
依据泄漏率计算公式，获得可监测到的泄漏裂纹尺寸aL为450mm。
(13)LBB准则评估
因为，ac/aL大于2，满足LBB的接受准则。因此，该案例中，此管道的服役状态满足LBB的评估准则要求。
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 (10)

1.一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)获得压水堆核电厂一回路主管道不同服役年限下的信息；
(b)基于LBB评估准则，确定评估中假想裂纹的位置和类型参数；
(c)获得不同工况下的载荷信息，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应力载荷和二次应力载荷，LBB分析中仅考虑一次应力载荷；
(d)计算线弹性应力强度因子KI，所述线弹性应力强度因子为瞬态中的一次应力载荷引起的应力强度因子；
(e)计算含缺陷管道的极限载荷P0；
(f)计算断裂比参量Kr'＝KIM/KIC和载荷比参数Lr'＝P1/P0，式中P1为瞬态中的一次应力载荷；KIC为材料的断裂韧性；KIM为一次应力载荷引起的应力强度因子；
(g)基于一回路主管道服役状态的信息，选择失效评定图；
(h)将计算得到的评定点坐标(Lr'，Kr')绘在选定的失效评定图中；
(i)基于选定的失效评定图进行线弹性应力强度因子塑性修正，修正后的弹塑性应力强度因子KJ为：
式(1)中，点A(Lr A，Kr A)为评定点，点O为失效评定图坐标原点；点B(Lr B，Kr B)为直线OA与失效评定曲线的交点，n为材料拉伸性能Ramberg-Osgood关系中的硬化指数参数，KI A和KI B为A点和B点对应的应力强度因子，Lr A、Lr B、Lr A'和Lr B'分别为点A、B、A'和B'的横坐标。Kr A、Kr B、Kr A'和Kr B'分别为点A、B、A'和B'的纵坐标；
(j)基于弹塑性应力强度因子KJ计算裂纹前沿的J积分：
式(2)中，E为弹性模量，ν为泊松比；
(k)计算不同裂纹尺寸a下裂纹前沿的J积分，并将J积分按照式(3)进行拟合：
式(3)中，ci为多项式拟合系数；
(l)计算结构失效临界裂纹尺寸ac，计算公式为：
式(4)中，S和T为材料断裂韧性J-R阻力曲线特征参数；
(m)依泄漏率计算公式，评估结构临界泄漏裂纹尺寸aL：
式(5)中，m为泄漏检测仪器的精度，P为管道内介质的工作压力，ρ为介质的密度，D为裂纹面的张开距离；
(n)依据LBB法规要求，进行LBB准则判断：若ac/aL大于2则满足LBB准则要求；若ac/aL不大于2则不满足准则要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：步骤(a)中，所述一回路主管道不同服役年限下的信息包括服役初始材料弹性模量、初始应力-应变曲线、初始J-R阻力曲线、不同服役年限下的J-R阻力曲线、材料成分、服役温度和服役时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：步骤(a)中，所述一回路主管道为奥氏体不锈钢铸件。
4.根据权利要求1所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：步骤(d)中，所述线弹性应力强度因子KI通过计算手册或有限元数值计算方法获得。
5.根据权利要求1所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：步骤(e)中，所述极限载荷P0通过计算手册或有限元数值计算方法获得。
6.根据权利要求1所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：步骤(f)中，所述材料断裂韧性KIC通过J-R阻力曲线获得。
7.根据权利要求1所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：步骤(g)中，选择的所述失效评定图根据材料实际拉伸性能进行建立。
8.根据权利要求7所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：所述的材料实际拉伸性能考虑了不同服役时限下的老化效应。
9.根据权利要求1所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：步骤(g)中，选择的所述失效评定图具有可根据服役状态和评估时刻的温度进行线性差值的特性。
10.根据权利要求1所述的一种基于失效评定图的未爆先漏分析方法，其特征在于：步骤(l)中，选择的所述材料断裂韧性J-R阻力曲线特征参数S和T由现有规范或实验测试获得。
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