LWR壓力容器接管考慮環(huán)境影響的疲勞計(jì)算

沈 睿 曹 明 賀寅彪 陶宏新 陳 孟

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院工程設(shè)備所 上海 200233）

LWR壓力容器接管考慮環(huán)境影響的疲勞計(jì)算

沈 睿 曹 明 賀寅彪 陶宏新 陳 孟

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院工程設(shè)備所 上海 200233）

在設(shè)計(jì)階段考慮環(huán)境對(duì)疲勞的影響是第三代核電站一回路主設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文介紹了ASME規(guī)范Code Case N-792對(duì)輕水堆(LWR)一級(jí)承壓設(shè)備考慮環(huán)境影響疲勞時(shí)的環(huán)境影響疲勞修正系數(shù)(Fen)和應(yīng)變速率ε'的計(jì)算方法。建立反應(yīng)堆壓力容器接管的軸對(duì)稱模型，并根據(jù)Code Case N-792的要求對(duì)一回路主設(shè)備反應(yīng)堆壓力容器接管進(jìn)行考慮環(huán)境影響的疲勞計(jì)算，計(jì)算時(shí)分別采用簡化法和詳細(xì)積分法。對(duì)不考慮環(huán)境影響的ASME第III卷的疲勞計(jì)算結(jié)果和Code Case N-792的疲勞計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和探討。當(dāng)考慮環(huán)境影響后，SCL1截面的疲勞壽命縮短為空氣狀態(tài)下的1/3，SCL2截面的疲勞壽命減少了3/5。

環(huán)境影響疲勞，壓力容器，Code Case N-792，LWR

環(huán)境影響疲勞問題(EAF)在20世紀(jì)80年代初，首先由日本學(xué)者Higuchi博士提出[1]。NRC于2007年發(fā)布RG1.207導(dǎo)則對(duì)新建核電廠提出考慮LWR環(huán)境對(duì)疲勞影響的要求，并在NRC的研究報(bào)告NUREG/CR-6909中給出了實(shí)施細(xì)則[2]。ASME規(guī)范于2010年發(fā)布規(guī)范案例N-792，給出了核一級(jí)設(shè)備考慮環(huán)境影響疲勞的計(jì)算方法[3]。目前我國已建成的核電廠在疲勞分析中均未考慮LWR環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響，在環(huán)境影響疲勞的分析領(lǐng)域還處于空白。本文根據(jù)ASME Code Case N-792給出的環(huán)境影響疲勞的計(jì)算方法，對(duì)一回路主設(shè)備壓力容器接管進(jìn)行考慮環(huán)境影響的疲勞計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行探討。

1 ASME Code Case N-792對(duì)環(huán)境影響疲勞的分析方法

ASME Code Case N-792通過引入環(huán)境影響修正因子(Fen)來考慮LWR環(huán)境對(duì)部件疲勞壽命的影響，其具體計(jì)算流程可以歸納為以下幾個(gè)步驟：

(1) 確定應(yīng)力差 采用ASME規(guī)范NB-3200給出的方法確定應(yīng)力差和交變應(yīng)力Sa。

(2) 確定系數(shù) 采用理論、試驗(yàn)等方法確定的因結(jié)構(gòu)不連續(xù)而造成的應(yīng)力集中系數(shù)。

(3) 選取設(shè)計(jì)疲勞曲線 疲勞分析計(jì)算時(shí)應(yīng)采用Code Case N-792中給出的碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼和Ni-Cr-Fe鋼的設(shè)計(jì)疲勞曲線。

(4) 采用ASME規(guī)范確定彈性模量的影響。

(5) 求各應(yīng)力循環(huán)所造成的損傷因子U1、U2、U3、……、Un。

(6) 根據(jù)Code Case N-792確定環(huán)境影響修正因子(Fen)。

(7) 求解累計(jì)損傷?？紤]環(huán)境影響的疲勞累計(jì)損傷因子Uen=U1Fen,1+ U2Fen,2+ U3Fen,3+ …UnFen,n，式中Fen,i為第i種載荷配對(duì)時(shí)環(huán)境對(duì)疲勞的影響；Ui為不考慮環(huán)境影響時(shí)第i種載荷配對(duì)的疲勞使用系數(shù)；Uen為考慮環(huán)境影響后的累積疲勞使用系數(shù)。

2 壓力容器進(jìn)口接管的環(huán)境影響疲勞計(jì)算

根據(jù)本文第2節(jié)對(duì)ASME Code Case N-792對(duì)環(huán)境影響疲勞計(jì)算的理解和歸納，本文選取受環(huán)境影響疲勞比較嚴(yán)重的反應(yīng)堆壓力容器接管部位進(jìn)行計(jì)算。首先利用ANSYS軟件對(duì)本文進(jìn)口接管所承受的瞬態(tài)載荷進(jìn)行應(yīng)力分析并導(dǎo)出疲勞分析計(jì)算所需要的應(yīng)力時(shí)程，然后根據(jù)ANSYS計(jì)算得到的應(yīng)力時(shí)程結(jié)果進(jìn)行環(huán)境影響疲勞的分析計(jì)算。

2.1計(jì)算模型

壓力容器接管材料為低合金鋼(SA-508, Gr.3 Cl.1)，壓力容器接管通過安全端與主管道對(duì)接，主管道為奧氏體不銹鋼 (SA-376 TP316)。為了簡化模型，忽略接管和主管道之間的焊縫，直接在異種金屬焊中心線兩側(cè)設(shè)置接管和安全端的的材料來考慮材料的不連續(xù)。此外，不考慮接管區(qū)域堆焊層的影響。有限元模型如圖1所示。分析時(shí)以20oC為參考溫度（零應(yīng)力狀態(tài)），低合金鋼的硫含量假定為0.025wt%，這也是ASME規(guī)范所允許的最大值。

本文選取管道與安全端的焊接處的不銹鋼材料和接管過渡段的低合金鋼母材作為應(yīng)力評(píng)定截面，應(yīng)力評(píng)定截面如圖1所示。由于環(huán)境對(duì)疲勞的影響是本文的研究對(duì)象，所以每個(gè)評(píng)定截面內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)將用于疲勞計(jì)算。根據(jù)NB-3200的規(guī)定，SCL1和SCL2兩個(gè)評(píng)定截面均作為容器部件進(jìn)行評(píng)定。

圖1 接管有限元模型Fig.1 Nozzle FEA model.

2.2載荷及邊界條件

本文計(jì)算模型的邊界條件為：接管有限元模型的右側(cè)（接管側(cè)）模型的邊界條件為簡支，即所有節(jié)點(diǎn)的軸向自由度為零。在模型的左側(cè)（管道側(cè)），將所有節(jié)點(diǎn)的軸向自由度耦合來模擬主管道對(duì)其的影響，即所有節(jié)點(diǎn)的軸向自由度應(yīng)一致。

為了研究環(huán)境對(duì)疲勞的影響，本文共設(shè)計(jì)了5個(gè)瞬態(tài)載荷。瞬態(tài)1和2的變化速率不一樣并且非對(duì)稱以防止與自己配對(duì)。瞬態(tài)3的設(shè)計(jì)是為了使應(yīng)力產(chǎn)生多個(gè)不同幅值水平的波峰和波谷。瞬態(tài)4是一個(gè)加熱瞬態(tài)，用來評(píng)估溶解氧含量的變化對(duì)疲勞的影響。瞬態(tài)5是一個(gè)典型OBE地震瞬態(tài)。此外，為了簡化分析，壓力和接管載荷與溫度同步變化，其幅值應(yīng)該合理并具有代表性但不能為分析部位的主導(dǎo)應(yīng)力。合成接管載荷施加在管道安全端的末端。所有載荷被認(rèn)為是隨時(shí)間線性變化。瞬態(tài)1、2和3的一回路冷卻劑的含氧量為一恒定值，瞬態(tài)4的含氧量隨時(shí)間變化(圖2)。

圖2 溫度瞬態(tài)載荷(a)、壓力瞬態(tài)載荷(b)、合成接管載荷(c)和溶解氧含量(d)Fig.2 Temperature transients load(a), pressure transients load(b), resultant nozzle load(c) and dissolve oxygen content(d).

2.3基于NB-3200的疲勞計(jì)算

在進(jìn)行環(huán)境對(duì)疲勞影響計(jì)算前，本文先根據(jù)ASME NB-3200的方法對(duì)上述計(jì)算模型的SCL1和SCL2評(píng)定截面進(jìn)行疲勞分析計(jì)算，設(shè)計(jì)疲勞曲線取ASME第III卷附錄圖1-9.1“碳鋼、低合金鋼”和圖1-9.2.1“奧氏體不銹鋼”的設(shè)計(jì)疲勞曲線進(jìn)行計(jì)算。評(píng)定截面SCL1的疲勞配對(duì)和計(jì)算結(jié)果如表1所示，評(píng)定截面SCL2的疲勞配對(duì)和計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 基于ASME第III卷第一冊(cè)附錄圖I-9.2.1疲勞曲線的SCL1截面疲勞計(jì)算結(jié)果Table 1 SCL1 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME section III division 1 appendix Fig.I-9.2.1.

表2 基于ASME第III卷第一冊(cè)附錄I圖I-9.1的SCL2截面疲勞計(jì)算結(jié)果Table 2 SCL2 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME section III division 1 appendix 1 Fig.I-9.1.

2.4環(huán)境影響修正因子(Fen)計(jì)算

根據(jù)ASME Code Case N-792，在進(jìn)行環(huán)境影響疲勞分析計(jì)算前需要先根據(jù)ASME NB-3200中給出的確定應(yīng)力差和累計(jì)損傷的計(jì)算方法進(jìn)行疲勞計(jì)算，但是與NB-3200的疲勞計(jì)算不同的是，在進(jìn)行環(huán)境影響疲勞計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)疲勞曲線應(yīng)取Code Case N-792中給出的各種不同材料的設(shè)計(jì)疲勞曲線。評(píng)定截面SCL1的疲勞配對(duì)和計(jì)算結(jié)果如表3所示，評(píng)定截面SCL2的疲勞配對(duì)和計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 基于ASME Code Case N-792圖2100-3M疲勞曲線的SCL1截面疲勞計(jì)算結(jié)果Table 3 SCL1 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME Code Case N-792 Fig.2100-3M.

表4 基于ASME Code Case N-792圖2100-2M疲勞曲線的SCL2截面疲勞計(jì)算結(jié)果Table 4 SCL2 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME Code Case N-792 Fig.2100-2M.

ASME Code Case N-792主要從硫含量、冷卻劑溫度、溶解氧含量和應(yīng)變速率四個(gè)方面來考慮對(duì)環(huán)境對(duì)疲勞影響。

對(duì)于碳鋼：環(huán)境影響修正因子Fen= [exp(0.632–0.101S*T*O*ε'*)]；對(duì)于低合金鋼：環(huán)境影響修正因子Fen= [exp(0.702–0.101S*T*O*ε'*)]；對(duì)于奧氏體不銹鋼：環(huán)境影響修正因子Fen= [exp(0.734–T*O*ε'*)]；對(duì)于Ni-Cr-Fe合金：環(huán)境影響修正因子Fen= [exp(–T*O*ε'*)]。

其中，S*、T*、O*和ε'*分別為當(dāng)量硫含量、當(dāng)量溫度、當(dāng)量溶解氧含量和當(dāng)量應(yīng)變速率，ASME Code Case N-792給出了上述參量的計(jì)算方法，當(dāng)上述參量小于所給定的門檻值時(shí)，該應(yīng)力循環(huán)的環(huán)境影響疲勞修正因子Fen,i將等于1。此外，在應(yīng)變速率計(jì)算時(shí)只計(jì)算應(yīng)力循環(huán)中應(yīng)變?cè)黾佣蔚膽?yīng)變速率。

2.4.1 詳細(xì)積分計(jì)算方法

在一個(gè)瞬態(tài)過程中，由于每個(gè)時(shí)刻的環(huán)境影響疲勞參量都在變化，即每個(gè)時(shí)刻的環(huán)境影響疲勞修正因子都是變化的，需要對(duì)每個(gè)時(shí)刻的環(huán)境影響疲勞修正因子Fen,i都進(jìn)行計(jì)算。采用詳細(xì)積分法對(duì)環(huán)境影響疲勞修正系數(shù)Fen計(jì)算時(shí)，需要先求出每個(gè)單位時(shí)刻的應(yīng)變速率εA*=?st/?tA，并根據(jù)此時(shí)刻的其他參量值得到此時(shí)刻的瞬時(shí)環(huán)境影響疲勞修正因子Fen,i，進(jìn)而可以累計(jì)求和得到該應(yīng)力循環(huán)的總的環(huán)境影響疲勞修正因子是：

則對(duì)于每個(gè)疲勞配對(duì)的應(yīng)力循環(huán)A和應(yīng)力循環(huán)B，該配對(duì)的環(huán)境影響疲勞修正因子是：

本文用詳細(xì)積分法計(jì)算得到的評(píng)定截面SCL1和SCL2的環(huán)境影響疲勞修正因子和相應(yīng)的修正后的疲勞使用因子計(jì)算結(jié)果如表5和6所示。

表5 基于詳細(xì)積分法的SCL1截面的環(huán)境影響疲勞計(jì)算結(jié)果Table 5 SCL1 section EAF calculation results based on detailed integral method.

表6 基于詳細(xì)積分法的SCL2截面的環(huán)境影響疲勞計(jì)算結(jié)果Table 6 SCL2 section EAF calculation results based on detailed integral method.

2.4.2 簡化計(jì)算方法

由于瞬時(shí)積分法對(duì)每個(gè)時(shí)刻的環(huán)境影響疲勞修正因子都進(jìn)行計(jì)算，其工作量較大，在實(shí)際工程計(jì)算過程中可以采用簡化方法計(jì)算。簡化方法計(jì)算時(shí)，對(duì)于每個(gè)疲勞配對(duì)應(yīng)力循環(huán)A和應(yīng)力循環(huán)B，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率分別為：，應(yīng)變速率的計(jì)算過程如圖3所示。對(duì)于每個(gè)疲勞配對(duì)，環(huán)境影響疲勞修正因子Fen的取法為：

本文用簡化法計(jì)算得到的評(píng)定截面SCL1和SCL2上的環(huán)境影響疲勞計(jì)算結(jié)果如表7和8所示。

圖3 應(yīng)變速率計(jì)算示意圖Fig.3 Strain rate calculation.

表7 基于簡化法的SCL1截面的環(huán)境影響疲勞計(jì)算結(jié)果Table 7 SCL1 section EAF calculation results based on simplified method.

表8 基于簡化法的SCL2截面的環(huán)境影響疲勞計(jì)算結(jié)果Table 8 SCL2 section EAF calculation results based on simplified method.

2.5環(huán)境影響疲勞計(jì)算結(jié)果分析

通過本文3.4節(jié)對(duì)環(huán)境影響疲勞的修正因子Fen的計(jì)算，可以看出詳細(xì)積分法和簡化法計(jì)算所得的Fen值非常相近。此外，各個(gè)疲勞配對(duì)的簡化計(jì)算法所得Fen值均小于詳細(xì)積分法的數(shù)值，兩種計(jì)算方法所得到的疲勞評(píng)定路徑SCL1和SCL2的Fen計(jì)算結(jié)果比較如圖4a和4b所示。

考慮疲勞評(píng)定路徑SCL1和SCL2的環(huán)境影響疲勞使用因子的計(jì)算結(jié)果如圖4c和4d所示。從圖中可以看出對(duì)于SCL1評(píng)定截面，在考慮環(huán)境影響疲勞之前其疲勞累計(jì)使用因子為0.9041，滿足ASME規(guī)范NB3200對(duì)循環(huán)載荷的疲勞要求。但是在考慮了環(huán)境影響疲勞之后，其疲勞累計(jì)使用因子為2.6170，即在考慮一回路水環(huán)境因素的作用下，截面SCL1處的壽命縮短為其在空氣環(huán)境中的1/3并且不能滿足ASME規(guī)范對(duì)循環(huán)載荷的疲勞使用因子的要求。對(duì)于SCL2截面，在考慮環(huán)境影響疲勞之前其疲勞累計(jì)使用因子為0.0167，在考慮了環(huán)境影響疲勞使用因子之后其疲勞累計(jì)使用因子為0.0441，雖然在考慮環(huán)境影響疲勞前后SCL2截面均能滿足ASME規(guī)范對(duì)循環(huán)載荷的要求，但是考慮在一回路水環(huán)境作用下，SCL2截面處的壽命縮短為空氣中的2.5倍左右。

圖4 SCL1截面Fen環(huán)境影響修正系數(shù)(a)、SCL2截面Fen環(huán)境影響修正系數(shù)(b)、SCL1截面疲勞計(jì)算結(jié)果(c)和SCL2截面的疲勞計(jì)算結(jié)果(d)Fig.4 SCL1 section Fenfactor(a), SCL2 section Fenfactor(b), SCL1 section fatigue results(c) and SCL2 section fatigue results(d).

3 結(jié)論

本文選取疲勞分析較為嚴(yán)峻的壓力容器接管作為分析對(duì)象，分別根據(jù)ASME第III卷NB-3200空氣環(huán)境下和ASME Code Case N-792考慮環(huán)境影響下設(shè)備的疲勞使用因子進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行環(huán)境影響疲勞計(jì)算時(shí)，分別采用詳細(xì)積分法和簡化法對(duì)一回路環(huán)境影響疲勞修正因子Fen進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得出環(huán)境影響下設(shè)備的疲勞使用因子。根據(jù)本文的分析和計(jì)算結(jié)果可以得出：

(1) ASME第III卷附錄中給出的設(shè)計(jì)疲勞曲線要比ASME Code Case N-792中給出的設(shè)計(jì)疲勞曲線保守，雖然ASME第III卷未考慮環(huán)境對(duì)設(shè)備疲勞的影響，但是其設(shè)計(jì)疲勞曲線具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦浴?/p>

(2) 分別根據(jù)ASME第III卷NB-3200和ASME Code Case N-792對(duì)本文所取模型進(jìn)行空氣環(huán)境下和考慮環(huán)境影響下的疲勞計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明在考慮了環(huán)境影響因素后本文所取評(píng)定截面上的疲勞使用因子大大高于空氣環(huán)境下該評(píng)定截面上的疲勞使用因子。這說明ASME規(guī)范第III卷附錄中的設(shè)計(jì)疲勞曲線的保守性不能將環(huán)境對(duì)疲勞的影響包絡(luò)。

(3) 環(huán)境影響疲勞修正因子的簡化法計(jì)算值與詳細(xì)積分法相近但均比詳細(xì)積分法略偏小，但可以作為工程計(jì)算時(shí)使用。

1 RG1.207. Guidelines for evaluating fatigue analyses incorporating the life reduction of metal components due to the effects of the light water reactor environment for new reactors[S]. U.S. Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC, 2007

2 ASME Code Case N-792. Fatigue evaluations including environment effects[S]. American Society of Mechanical Engineering, 2010

3 賀寅彪, 曹明, 姚偉達(dá). 關(guān)于LWR設(shè)備設(shè)計(jì)中考慮環(huán)境對(duì)疲勞影響問題的探討[J]. 核動(dòng)力工程, 2011, 32(Supplemet 1): 35?39 HE Yinbiao, CAO Ming, YAO Weida. An overview of LWR environment assisted fatigue issues for primary components and piping of NPPs[J]. Nuclear Power Engineering, 2011, 32(Supplement 1): 35?39

Environmentally assistant fatigue analysis for LWR reactor vessel nozzle

SHEN Rui CAO Ming HE Yinbiao TAO Hongxin CHEN Meng
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Considering the EAF(Environment Assistant Fatigue) effect during the design status is a key issue for generation III nuclear power plant. Purpose: The calculation methodology of Fen(Environmentally Assistant Fatigue Factor) and strain ratio of ASME Code Case N-792 has been introduced in this paper. Methods: By creating 2D symmetry model of reactor pressure vessel nozzle, the environmentally assistant fatigue factor Fenand fatigue usage factor has been analyzed according Code Case N-792 with simplified and detailed integral methods. Results: The fatigue usage factor results of ASME-III which does not consider environmental effect and Code Case N-792 which consider the environmental effect have been compared and discussed. Conclusions: And the fatigue life considering Feneffect of SCL1 section will reduce to about 1/3 of the life in air condition while the fatigue life of SCL2 decrease 3/5.

Environment assistant fatigue, Pressure vessel, Code Case, N-792, LWR

TL351+.6

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040640

沈睿，男，1984年出生，2010年于華東理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域是反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)

2012-11-30，

2013-01-20

CLC TL351+.6