本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及反應(yīng)堆壓力容器(rpv)極端事故工況下含裂紋類(lèi)缺陷的簡(jiǎn)化彈塑性斷裂力學(xué)分析方法，為核電關(guān)鍵設(shè)備的安全評(píng)定提供準(zhǔn)確的技術(shù)依據(jù)。

背景技術(shù)：

反應(yīng)堆壓力容器(rpv)是核安全一級(jí)部件，在服役過(guò)程中，由于受到中子輻照的影響，材料性能將會(huì)逐漸劣化；同時(shí)rpv在制造、安裝、服役過(guò)程中又會(huì)不可避免的出現(xiàn)缺陷，這些因素都將對(duì)核電廠的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，需要對(duì)含缺陷rpv的可靠性做出精確的評(píng)定。

目前，結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定中主要進(jìn)行的是線彈性斷裂力學(xué)分析，但法國(guó)rcc-m(壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則)規(guī)范要求對(duì)rpv進(jìn)行簡(jiǎn)化的彈塑性的斷裂力學(xué)評(píng)估。但在極端事故工況下，rpv所承受的載荷可能已經(jīng)超出了rcc-m規(guī)范(2002版本，國(guó)內(nèi)核電廠使用最多的版本)的簡(jiǎn)化彈塑性方法的適用范圍。雖然后期的版本rcc-m規(guī)范，擴(kuò)大了應(yīng)力強(qiáng)度因子塑性修正公式的適用范圍，但其形式過(guò)于簡(jiǎn)單也缺少明確的理論基礎(chǔ)。近來(lái)，國(guó)際上普遍趨勢(shì)是采用失效評(píng)定圖(fad)技術(shù)進(jìn)行承壓設(shè)備的安全性能評(píng)價(jià)，fad由失效評(píng)定曲線(fac)、坐標(biāo)軸和fac截至值構(gòu)成。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該方法已經(jīng)發(fā)展為基于以j積分理論為基礎(chǔ)的fad方法，如r6規(guī)范第四版。新版r6規(guī)范直接基于j積分理論進(jìn)行斷裂安全裕量評(píng)估，相比rcc-m規(guī)范對(duì)線彈性斷裂參量(應(yīng)力強(qiáng)度因子)的塑性修正方法有著更為廣泛的適用范圍和可靠的理論基礎(chǔ)。但是，rpv結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估中需要參考核電領(lǐng)域的通用技術(shù)規(guī)范，如何將fad評(píng)定方法與核電領(lǐng)域通用技術(shù)規(guī)范(rcc-m規(guī)范)的相關(guān)要求結(jié)合應(yīng)用是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種rpv極端事故工況下含裂紋類(lèi)缺陷的簡(jiǎn)化彈塑性斷裂力學(xué)分析方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于rcc-m規(guī)范的極端事故工況下反應(yīng)堆壓力容器(rpv)簡(jiǎn)化彈塑性斷裂分析方法，它包括以下步驟：

(a)極端事故工況的載荷分析，并以載荷是否對(duì)結(jié)構(gòu)的塑性失穩(wěn)具有影響將各種載荷區(qū)分成一次應(yīng)力載荷和二次應(yīng)力載荷；

(b)依據(jù)rcc-m規(guī)范，確定裂紋的類(lèi)型及其形狀參數(shù)；

(c)獲取rpv材料性能參數(shù)，并計(jì)算線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki，所述線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki為瞬態(tài)中一次應(yīng)力載荷和二次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子之和；

(d)判斷rcc-m規(guī)范是否適用于該線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki的塑性修正：當(dāng)rcc-m規(guī)范適用于該線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki的塑性修正，則結(jié)合rcc-m規(guī)范完成rpv結(jié)構(gòu)的安全性能的評(píng)估；當(dāng)彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki的塑性修正已超出rcc-m規(guī)范的適用范圍，則進(jìn)行以下步驟的分析：(d1)基于評(píng)估時(shí)刻裂紋前沿的溫度，建立失效評(píng)定圖fad；(d2)選取一缺陷尺寸，并根據(jù)評(píng)定結(jié)構(gòu)、載荷和材料性能參數(shù)計(jì)算瞬態(tài)中一次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子kim和二次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子kit；(d3)根據(jù)計(jì)算的裂紋前沿線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki和rpv含缺陷結(jié)構(gòu)的極限載荷p0，計(jì)算斷裂比參量kr'＝kim/kic+kit/kic+ρ和載荷比參數(shù)lr'＝p/po，式中p為瞬態(tài)中的一次應(yīng)力載荷；kic為rpv材料的斷裂韌性；(d4)將計(jì)算得到的評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)(lr'，kr')繪在失效評(píng)定圖fad中；(d5)參考評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)的位置，改變初始裂紋的尺寸，使得評(píng)估點(diǎn)逐步接近直至落在失效評(píng)定曲線fac上；(d6)根據(jù)落在fac上評(píng)估點(diǎn)的信息，獲得極端事故工況下rpv的臨界裂紋尺寸，結(jié)合rcc-m規(guī)范中分析方法判斷rpv結(jié)構(gòu)的安全性能。

優(yōu)化地，步驟(a)中，所述載荷包括內(nèi)壓載荷、熱應(yīng)力載荷，所述熱應(yīng)力載荷為二次應(yīng)力載荷，所述內(nèi)壓載荷為一次應(yīng)力載荷。

優(yōu)化地，步驟(b)中，所述裂紋的類(lèi)型及其形狀參數(shù)包括裂紋位置、裂紋方向、裂紋形式、裂紋深長(zhǎng)比。

優(yōu)化地，步驟(c)中，所述材料性能參數(shù)包含材料密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容、彈性模量、泊松比和材料斷裂性能參數(shù)kic。

優(yōu)化地，步驟(d1)中，所述失效評(píng)定圖fad根據(jù)rpv材料實(shí)際拉伸性能進(jìn)行建立。

優(yōu)化地，步驟(d3)中，所述彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki和所述極限載荷p0通過(guò)計(jì)算手冊(cè)或有限元數(shù)值計(jì)算方法獲得。

由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明rpv含裂紋類(lèi)缺陷的簡(jiǎn)化彈塑性斷裂力學(xué)分析方法，基于j積分理論，擴(kuò)大了rcc-m規(guī)范的適用范圍，并提供了一種極端事故工況下的rpv結(jié)構(gòu)完整性分析依據(jù)；通過(guò)將載荷分成一次應(yīng)力載荷和二次應(yīng)力載荷，利用fad技術(shù)對(duì)超出rcc-m適用范圍的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行塑性修正，再結(jié)合rcc-m規(guī)范中彈塑性斷裂力學(xué)分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性分析，從而提高rpv含裂紋類(lèi)缺陷分析的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明極端事故工況下rpv的簡(jiǎn)化彈塑性斷裂力學(xué)分析方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明rpv含裂紋類(lèi)缺陷的表征示意圖；

圖3為本發(fā)明rpv材料的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線圖；

圖4為本發(fā)明rpv材料的特定fac圖；

圖5為本發(fā)明應(yīng)用示例。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種極端事故工況下rpv的簡(jiǎn)化彈塑性斷裂力學(xué)分析方法，如圖1所示，它包括以下步驟：

(a)載荷分析

確定所需評(píng)定極端事故工況中所涉及的載荷類(lèi)型，并以載荷是否對(duì)結(jié)構(gòu)的塑性失穩(wěn)具有影響將各種載荷區(qū)分成一次應(yīng)力載荷和二次應(yīng)力載荷。本發(fā)明中考慮了內(nèi)壓載荷和熱應(yīng)力載荷對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，其中熱應(yīng)力為二次應(yīng)力載荷，內(nèi)壓載荷引起的應(yīng)力為一次應(yīng)力載荷。

(b)缺陷表征

依據(jù)rcc-m規(guī)范進(jìn)行rpv缺陷的表征，將缺陷表征為周向或軸向的裂紋，缺陷內(nèi)表面徑向向外延伸的最遠(yuǎn)距離表示裂紋的深度a，裂紋的相對(duì)深度表示為a/t，t為容器的壁厚；用所述裂紋軸向或軸向延伸的最大距離表示缺陷的長(zhǎng)度2c，某表征結(jié)果如圖2所示。

(c)線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

首先基于rcc-m規(guī)范選取材料的性能參數(shù)，也可選擇實(shí)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)。材料性能參數(shù)包含材料密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容和材料斷裂性能參數(shù)kic。再通過(guò)rcc-m規(guī)范或有限元數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子，所述線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子為瞬態(tài)中一次應(yīng)力載荷和二次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子之和。

(d)應(yīng)力強(qiáng)度因子塑性修正

依據(jù)rcc-m規(guī)范，進(jìn)行線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子的塑性修正。rcc-m規(guī)范2002版本(國(guó)內(nèi)核電廠設(shè)計(jì)中使用最多的版本)中，應(yīng)力強(qiáng)度因子ki的塑性修正公式如下：

式中：a為缺陷內(nèi)表面徑向向外延伸的最遠(yuǎn)距離表示裂紋的深度；

ry為裂紋前沿塑性區(qū)域的尺寸，按照式(2)計(jì)算，式(2)中是評(píng)估時(shí)刻裂紋前沿材料的屈服強(qiáng)度；

為考慮堆焊層結(jié)構(gòu)影響的修正項(xiàng)，按下式計(jì)算：

α＝1,當(dāng)ry≤0.05(t-a)(3-a)

當(dāng)0.05(t-a)<ry≤0.085(t-a)(3-b)

本規(guī)范不適用,當(dāng)ry>0.085(t-a)(3-c)

若rcc-m規(guī)范適用于該線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki的塑性修正，則結(jié)合rcc-m規(guī)范完成rpv結(jié)構(gòu)的安全性能的評(píng)估。若彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki的塑性修正已超出rcc-m規(guī)范的適用范圍，則進(jìn)行下述步驟的分析。

(d1)建立失效評(píng)定圖

基于rpv材料室溫(20℃)和高溫(300℃)時(shí)的拉伸性能數(shù)據(jù)(如圖3所示)，建立r6規(guī)范選擇2方法制定失效評(píng)定圖(fad)，如圖4所示。可以保守性的取本發(fā)明中兩條fac的下包絡(luò)線獲得不同溫度下的fad。

(d2)不同類(lèi)型載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

初步選取一缺陷尺寸，并根據(jù)評(píng)定結(jié)構(gòu)、載荷和材料性能參數(shù)計(jì)算瞬態(tài)中一次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子kim和二次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子kit。

(d3)評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

根據(jù)計(jì)算的裂紋前沿線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki和rpv含缺陷結(jié)構(gòu)的極限載荷p0，計(jì)算斷裂比參量kr'＝kim/kic+kit/kic+ρ和載荷比參數(shù)lr'＝p/po，式中p為瞬態(tài)中的一次應(yīng)力載荷；kic為rpv材料的斷裂韌性；ρ為二次應(yīng)力修正參數(shù)。

r6的1.8和1.9節(jié)闡述了計(jì)算失效評(píng)定曲線fac橫坐標(biāo)參數(shù)lr'、kr'的方法。裂紋前沿應(yīng)力強(qiáng)度因子是由瞬態(tài)中的一次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子kim和二次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子kit之和。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算手冊(cè)或有限元數(shù)值計(jì)算方法獲得rpv含缺陷結(jié)構(gòu)的極限載荷po。

計(jì)算斷裂比參量kr'＝kim/kic+kit/kic+ρ，載荷比參數(shù)lr'＝p/po。計(jì)算評(píng)定點(diǎn)縱坐標(biāo)時(shí)考慮了一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之間的相互影響，一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之間的相互影響是通過(guò)第四版r6中的ρ參數(shù)進(jìn)行修正。

(d4)繪制評(píng)定點(diǎn)

將計(jì)算得到的評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)(lr'，kr')繪在選定的失效評(píng)定圖中。將計(jì)算獲得的評(píng)定點(diǎn)(lr'，kr')繪在所選擇的特定fad中。

(d5)臨界狀態(tài)評(píng)定點(diǎn)

為獲得結(jié)構(gòu)的臨界裂紋尺寸，參考評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)的位置，改變初始選擇的裂紋尺寸，使得評(píng)估點(diǎn)逐步接近直至落在失效評(píng)定曲線(fac)上。

(d6)臨界狀態(tài)安全性能評(píng)價(jià)

根據(jù)落在失效評(píng)定曲線(fac)上評(píng)估點(diǎn)的信息，獲得極端事故工況下rpv的臨界裂紋尺寸，再結(jié)合rcc-m規(guī)范中分析方法判斷rpv結(jié)構(gòu)的安全性能。

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

rpv堆芯區(qū)域內(nèi)徑ri＝1994.5mm、筒體壁厚t＝200mm、堆焊層厚tc＝7.5mm。此處給出某極端事故工況下的簡(jiǎn)化彈塑性斷了力學(xué)的分析過(guò)程。某極端事故工況下，rpv在正常運(yùn)行狀態(tài)下迅速冷卻至室溫。在該極端事故的起始時(shí)刻，內(nèi)壓載荷為15.5mpa，rpv筒體溫度均勻?yàn)?00℃。

1)載荷分析

在這一極端事故工況下，rpv堆芯筒體承受內(nèi)壓載荷和熱沖擊載荷，其中內(nèi)壓載荷屬于一次載荷，熱沖擊載荷屬于二次應(yīng)力載荷。

2)缺陷表征

依據(jù)rcc-m規(guī)范進(jìn)行rpv缺陷的表征，圖2表征rpv堆芯筒體處的缺陷，缺陷為內(nèi)表面軸向裂紋，缺陷長(zhǎng)度2c，裂紋的深度a，缺陷的形狀參數(shù)a/c＝1/3。

3)線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

基于rcc-m規(guī)范選取材料的性能參數(shù)，本案例中材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度取為20℃，取輻照后kic上限值為

初步設(shè)定裂紋尺寸裂紋深度a尺寸為108mm，通過(guò)rcc-m規(guī)范或有限元數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子，所述線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子為瞬態(tài)中一次應(yīng)力載荷和二次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子之和。此處，計(jì)算出sif為

4)應(yīng)力強(qiáng)度因子塑性修正

依據(jù)rcc-m規(guī)范，進(jìn)行線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子的塑性修正。rcc-m規(guī)范應(yīng)力強(qiáng)度因子ki的塑性修正公式中ry為7.56mm，0.085(t-a)為7.30mm。本案例分析中，2002版rcc-m規(guī)范已不再適用。

5)選擇失效評(píng)定圖

本案例評(píng)估瞬態(tài)開(kāi)始時(shí)刻的安全性能，選擇圖3中的高溫fac曲線進(jìn)行安全評(píng)估。

6)不同類(lèi)型載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

初步選取裂紋深度a尺寸為50mm，并根據(jù)評(píng)定結(jié)構(gòu)、載荷和材料性能參數(shù)計(jì)算瞬態(tài)中一次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子kim和二次應(yīng)力載荷引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子kit。

7)評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

根據(jù)計(jì)算的裂紋前沿線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子ki和rpv含缺陷結(jié)構(gòu)的極限載荷p0，計(jì)算斷裂比參量kr'＝kim/kic+kit/kic+ρ和載荷比參數(shù)lr'＝p/po，式中p為瞬態(tài)中的一次應(yīng)力載荷；kic為rpv材料的斷裂韌性。本案例分析中，當(dāng)裂紋尺寸為50mm時(shí)，評(píng)估點(diǎn)坐標(biāo)是(0.530，0.348)。

8)繪制評(píng)定點(diǎn)

將計(jì)算得到的評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)(lr'，kr')繪在選定的失效評(píng)定圖中。將計(jì)算獲得的評(píng)定點(diǎn)(lr'，kr')繪在所選擇的特定fad中。初始評(píng)估點(diǎn)的坐標(biāo)如圖5所示。

9)臨界狀態(tài)評(píng)定點(diǎn)

如圖5所示，本示例中評(píng)估點(diǎn)落在fad內(nèi)，通過(guò)增加初始假想缺陷的尺寸，逐步使得評(píng)定點(diǎn)靠近失效評(píng)定曲線，直至落到失效評(píng)定圖中。此時(shí)結(jié)構(gòu)的臨界缺陷尺寸為108.65mm。

10)臨界狀態(tài)安全性能評(píng)價(jià)

在步驟5中獲得結(jié)構(gòu)的臨界缺陷尺寸為108.65mm，依據(jù)rcc-m規(guī)范，臨界缺陷尺寸需要小于75％的壁厚(150mm)。因此，該極端事故工況滿足rcc-m的抗快速斷裂力學(xué)評(píng)估要求。

上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。