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法国EAF研究现状:探究5.2.3的最新情况

时间:2023-06-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:2005年起,AREVA为了研究环境影响疲劳问题,制定并实施了一系列试验计划。AREVA在大量试验数据的基础上提出一种替代NUREG/CR-6909的方法,用以考虑LWR环境影响,通过对许用Fen进行评估,解决NUREG/CR-6909方法过度保守的问题,并提出在RCC-M非强制性附录中对环境影响疲劳问题加以考虑,但目前AFCEN尚未采纳将其融入RCC-M规范中的建议。AREVA疲劳试验大纲考虑了材料表面加工状态影响及腐蚀环境影响。试验材料为304L的奥氏体不锈钢钢板,厚度约100mm。选择溶解氧含量为5μ

法国EAF研究现状:探究5.2.3的最新情况

AREVA认为,如果完全采用NUREG/CR-6909提出的Fen方法进行评估,可能导致核电厂较多位置的CUF>1,大大增加设备的设计和执照成本。2005年起,AREVA为了研究环境影响疲劳问题,制定并实施了一系列试验计划。试验选取奥氏体不锈钢(304L),此材料空气环境下的疲劳性能数据采用法马通技术中心的试验结果,该技术中心对此不锈钢材料在空气环境下(20℃和300℃)的疲劳性能进行了约10年的研究。AREVA在大量试验数据的基础上提出一种替代NUREG/CR-6909的方法,用以考虑LWR环境影响,通过对许用Fen进行评估,解决NUREG/CR-6909方法过度保守的问题,并提出在RCC-M非强制性附录中对环境影响疲劳问题加以考虑,但目前AFCEN尚未采纳将其融入RCC-M规范中的建议。AREVA环境疲劳分析评价方法正用于芬兰的Olkiluoto3项目,下文将对此方法的原理及应用进行介绍。

1.腐蚀环境对疲劳分析影响的评价方法

(1)评价区域的确定

首先对核电厂部件进行分类,确定需进行腐蚀环境对疲劳分析影响的评价区域。对于某个部件,首先从应力分析报告中查出各部位的疲劳使用系数,该疲劳使用系数根据RCC-M疲劳设计曲线计算得出;然后确定需要进行评价的区域,即“代表区域(Image Zone)”。“代表区域”根据以下原则确定。

1)疲劳使用系数大于0.1。

2)冷却剂润湿表面。

3)对于材料类别相同、重要瞬态类型相同、部件几何形状类别相同的区域,选择较大的使用因子。

部件的几何形状根据壁厚划分为若干类别。瞬态类型需要工程判断来确定,但下述两类应被选择。

①疲劳使用系数主要由温度变化速率高的瞬态引起。

②疲劳使用系数主要由温度变化速率低的瞬态引起。

对于碳钢、低合金钢和不锈钢,均须考虑温度和应变速度对疲劳寿命的影响,碳钢和低合金钢还应考虑溶解氧含量的影响,冷却剂环境溶解氧含量对不锈钢疲劳的影响也须考虑,但不考虑不同溶解氧含量对寿命影响的差异。

(2)Fen计算

Fen由各项Fen partial系数组合而成,每个Fen partial系数对应一个瞬态或工况组合。基于应变法,Fen partial公式为

式中 Fen,i——瞬时环境影响系数;

Δεi——瞬时应变增量,即εi-εi-1

每一个被选择区域都受到各种瞬态或载荷组合的作用,因此PWR环境中的Fen影响系数可根据下述公式求得

式中 Fen partial,j——某瞬态或载荷组合下的环境影响系数;

FUpartial,j——某瞬态或载荷组合下的疲劳使用因子;

n——被选择的瞬态或工况组合的数量。

2.判断环境影响疲劳可接受性的准则(www.xing528.com)

为了说明RCC-M疲劳设计曲线具有足够大的设计裕量,能够包络环境影响,可以通过下述两种方式之一验证。

1)经评估的Fen系数小于或等于ANL提出的Fen公式的常数项计算值(例如,碳钢Fen为1.9,低合金钢Fen为2,铸造和锻造奥氏体不锈钢Fen为2.08),则认为Fen值很小,腐蚀环境对疲劳分析的影响可以忽略。

2)经评估的Fen系数小于许用Fen值(Fen allowable)。Fen allowable值由ANL在NURGE/CR-6909报告中提出的空气中最佳拟合曲线与RCC-M疲劳设计曲线之间的全部裕量推导得出。两曲线间的全部裕量是尺寸影响、材料多样性、表面加工状态影响、环境影响四个因素的组合。AREVA疲劳试验大纲考虑了材料表面加工状态影响及腐蚀环境影响。AREVA给出了许用Fen计算公式,为

Fen allowable=Fen(试验)×试验裕量/材料多样性影响系数/试样尺寸影响系数

式中 试验裕量——N25/NRC-C-M,NRCC-M为RCC-M疲劳设计曲线中对应的疲劳循环次数;

N25——通过试验得出的拉伸应力从峰值或稳定状态值下降至25%时的循环次数;

Fen(试验)——根据ANL Fen公式计算得到的试验条件下的Fen

N25/NRCC-M/材料多样性影响系数/试样尺寸影响系数的比值等于1,说明经材料多样性影响和尺寸影响对疲劳寿命进行修正后,试验结果点刚好落在RCC-M设计曲线上,此时Fen allowable=Fen(试验)。

N25/NRCC-M/材料多样性影响系数/试样尺寸影响系数的比值小于1,说明经材料及尺寸修正后,试验结果点落在RCC-M疲劳设计曲线下方,则许用Fen值比Fen(试验)更小。

N25/NRCC-M/材料多样性影响系数/试样尺寸影响系数的比值大于1,说明经材料及尺寸修正后,试验结果点落在RCC-M疲劳设计曲线上方,则许用Fen值比Fen(试验)大。对于某一部位,如果FenFen allowable,则不需要进行专项分析;如果FenFen allowable,则需要进行专项分析。

专项分析包括两方面,一是对不考虑环境影响时的设计裕量进行评估,例如分析应变计算中的保守裕量、比较疲劳使用因子值与1的关系;二是评价环境影响修正后的疲劳使用因子。

2005年,AREVA制定了奥氏体不锈钢疲劳试验大纲,确定在实验室中进行低周疲劳试验(LCF),试验条件尽可能与设备在核电厂中的运行条件一致,包括载荷、环境和试样的表面状态。通过在引起疲劳的不同瞬态、表面状态下的疲劳试验,提出了不同条件下的许用Fen值。

试验材料为304L的奥氏体不锈钢钢板,厚度约100mm。低周疲劳试验分别在300℃下空气中和PWR环境条件下进行,选择两种试样表面状态:打磨试样和抛光试样,应变幅值分别为±0.2%、±0.3%、±0.6%。选择±0.2%这一较低的应变幅值是为了验证在较低的应变幅值下,循环次数可达到高周疲劳。

分别选择反转三角波形和更具代表性的复杂瞬态用于PWR环境下的LCF试验。复杂瞬态为一个冷冲击后紧接着一个热冲击,此瞬态取自设备局部受热冲击过程所生成的应变-时间曲线,曲线与核电厂中的真实瞬态尽可能相同,此瞬态可以覆盖核电厂一回路主管道所经历的最苛刻的热载荷工况。试验中,反转三角波形信号的应变速率为0.01%/s,复杂瞬态具有非恒定的应变速率。选择溶解氧含量为5μg/kg的水化学条件进行试验。室温下大气中不锈钢疲劳循环次数根据NUREG/CR-69095.1.7节给出的最佳拟合中值S-N曲线的表达式进行计算。

AREVA对LCF试验的结果进行了下述两项分析。

①将LCF试验得出的Fen系数(Fen=Nair,RT/Nwater)与ANL公式计算出的Fen进行比较。

②将LCF试验得出的冷却剂环境下的真实疲劳寿命分别与RCC-M疲劳设计曲线得到的疲劳寿命、NUREG/CR-6909得出的疲劳寿命进行比较。

基于AREVA目前的试验结果,可以得出以下结论:当前的RCC-M疲劳设计曲线不能包络全部的环境影响。为解决上述问题,将当前疲劳设计曲线能包络的环境影响以许用Fen系数的形式给出,即对于一个确定的载荷条件和表面状态,许用Fen系数能被包络在RCC-M设计曲线的保守性中。

在规范层面上,法国在RCC-M2007+2008中的疲劳分析方法并没有大的改变,但已经提出在RCC-M非强制性附录中对EAF问题加以考虑,但目前尚未正式发布。

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