一种基于RCC‑M规范的极端事故工况下RPV简化弹塑性断裂分析方法与流程

本发明属于结构完整性评定技术领域，具体涉及反应堆压力容器(rpv)极端事故工况下含裂纹类缺陷的简化弹塑性断裂力学分析方法，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：

反应堆压力容器(rpv)是核安全一级部件，在服役过程中，由于受到中子辐照的影响，材料性能将会逐渐劣化；同时rpv在制造、安装、服役过程中又会不可避免的出现缺陷，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rpv的可靠性做出精确的评定。

目前，结构完整性评定中主要进行的是线弹性断裂力学分析，但法国rcc-m(压水堆核岛机械设备设计和建造规则)规范要求对rpv进行简化的弹塑性的断裂力学评估。但在极端事故工况下，rpv所承受的载荷可能已经超出了rcc-m规范(2002版本，国内核电厂使用最多的版本)的简化弹塑性方法的适用范围。虽然后期的版本rcc-m规范，扩大了应力强度因子塑性修正公式的适用范围，但其形式过于简单也缺少明确的理论基础。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，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以j积分理论为基础的fad方法，如r6规范第四版。新版r6规范直接基于j积分理论进行断裂安全裕量评估，相比rcc-m规范对线弹性断裂参量(应力强度因子)的塑性修正方法有着更为广泛的适用范围和可靠的理论基础。但是，rpv结构完整性评估中需要参考核电领域的通用技术规范，如何将fad评定方法与核电领域通用技术规范(rcc-m规范)的相关要求结合应用是一个技术难点。

技术实现要素：

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种rpv极端事故工况下含裂纹类缺陷的简化弹塑性断裂力学分析方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于rcc-m规范的极端事故工况下反应堆压力容器(rpv)简化弹塑性断裂分析方法，它包括以下步骤：

(a)极端事故工况的载荷分析，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；

(b)依据rcc-m规范，确定裂纹的类型及其形状参数；

(c)获取rpv材料性能参数，并计算线弹性应力强度因子ki，所述线弹性应力强度因子ki为瞬态中一次应力载荷和二次应力载荷引起的应力强度因子之和；

(d)判断rcc-m规范是否适用于该线弹性应力强度因子ki的塑性修正：当rcc-m规范适用于该线弹性应力强度因子ki的塑性修正，则结合rcc-m规范完成rpv结构的安全性能的评估；当弹性应力强度因子ki的塑性修正已超出rcc-m规范的适用范围，则进行以下步骤的分析：(d1)基于评估时刻裂纹前沿的温度，建立失效评定图fad；(d2)选取一缺陷尺寸，并根据评定结构、载荷和材料性能参数计算瞬态中一次应力载荷引起的应力强度因子kim和二次应力载荷引起的应力强度因子kit；(d3)根据计算的裂纹前沿线弹性应力强度因子ki和rpv含缺陷结构的极限载荷p0，计算断裂比参量kr'＝kim/kic+kit/kic+ρ和载荷比参数lr'＝p/po，式中p为瞬态中的一次应力载荷；kic为rpv材料的断裂韧性；(d4)将计算得到的评定点坐标(lr'，kr')绘在失效评定图fad中；(d5)参考评定点坐标的位置，改变初始裂纹的尺寸，使得评估点逐步接近直至落在失效评定曲线fac上；(d6)根据落在fac上评估点的信息，获得极端事故工况下rpv的临界裂纹尺寸，结合rcc-m规范中分析方法判断rpv结构的安全性能。

优化地，步骤(a)中，所述载荷包括内压载荷、热应力载荷，所述热应力载荷为二次应力载荷，所述内压载荷为一次应力载荷。

优化地，步骤(b)中，所述裂纹的类型及其形状参数包括裂纹位置、裂纹方向、裂纹形式、裂纹深长比。

优化地，步骤(c)中，所述材料性能参数包含材料密度、导热系数、热膨胀系数、比热容、弹性模量、泊松比和材料断裂性能参数kic。

优化地，步骤(d1)中，所述失效评定图fad根据rpv材料实际拉伸性能进行建立。

优化地，步骤(d3)中，所述弹性应力强度因子ki和所述极限载荷p0通过计算手册或有限元数值计算方法获得。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明rpv含裂纹类缺陷的简化弹塑性断裂力学分析方法，基于j积分理论，扩大了rcc-m规范的适用范围，并提供了一种极端事故工况下的rpv结构完整性分析依据；通过将载荷分成一次应力载荷和二次应力载荷，利用fad技术对超出rcc-m适用范围的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rpv含裂纹类缺陷分析的准确性。

附图说明

图1为本发明极端事故工况下rpv的简化弹塑性断裂力学分析方法的流程图；

图2为本发明rpv含裂纹类缺陷的表征示意图；

图3为本发明rpv材料的真应力-真应变曲线图；

图4为本发明rpv材料的特定fac图；

图5为本发明应用示例。

具体实施方式

本发明一种极端事故工况下rpv的简化弹塑性断裂力学分析方法，如图1所示，它包括以下步骤：

(a)载荷分析

确定所需评定极端事故工况中所涉及的载荷类型，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。本发明中考虑了内压载荷和热应力载荷对应力强度因子的影响，其中热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。

(b)缺陷表征

依据rcc-m规范进行rpv缺陷的表征，将缺陷表征为周向或轴向的裂纹，缺陷内表面径向向外延伸的最远距离表示裂纹的深度a，裂纹的相对深度表示为a/t，t为容器的壁厚；用所述裂纹轴向或轴向延伸的最大距离表示缺陷的长度2c，某表征结果如图2所示。

(c)线弹性应力强度因子计算

首先基于rcc-m规范选取材料的性能参数，也可选择实测获得的数据。材料性能参数包含材料密度、导热系数、热膨胀系数、比热容和材料断裂性能参数kic。再通过rcc-m规范或有限元数值计算方法计算线弹性应力强度因子，所述线弹性应力强度因子为瞬态中一次应力载荷和二次应力载荷引起的应力强度因子之和。

(d)应力强度因子塑性修正

依据rcc-m规范，进行线弹性应力强度因子的塑性修正。rcc-m规范2002版本(国内核电厂设计中使用最多的版本)中，应力强度因子ki的塑性修正公式如下：

式中：a为缺陷内表面径向向外延伸的最远距离表示裂纹的深度；

ry为裂纹前沿塑性区域的尺寸，按照式(2)计算，式(2)中是评估时刻裂纹前沿材料的屈服强度；

为考虑堆焊层结构影响的修正项，按下式计算：

α＝1,当ry≤0.05(t-a)(3-a)

当0.05(t-a)<ry≤0.085(t-a)(3-b)

本规范不适用,当ry>0.085(t-a)(3-c)

若rcc-m规范适用于该线弹性应力强度因子ki的塑性修正，则结合rcc-m规范完成rpv结构的安全性能的评估。若弹性应力强度因子ki的塑性修正已超出rcc-m规范的适用范围，则进行下述步骤的分析。

(d1)建立失效评定图

基于rpv材料室温(20℃)和高温(300℃)时的拉伸性能数据(如图3所示)，建立r6规范选择2方法制定失效评定图(fad)，如图4所示。可以保守性的取本发明中两条fac的下包络线获得不同温度下的fad。

(d2)不同类型载荷引起的应力强度因子计算

初步选取一缺陷尺寸，并根据评定结构、载荷和材料性能参数计算瞬态中一次应力载荷引起的应力强度因子kim和二次应力载荷引起的应力强度因子kit。

(d3)评定点坐标计算

根据计算的裂纹前沿线弹性应力强度因子ki和rpv含缺陷结构的极限载荷p0，计算断裂比参量kr'＝kim/kic+kit/kic+ρ和载荷比参数lr'＝p/po，式中p为瞬态中的一次应力载荷；kic为rpv材料的断裂韧性；ρ为二次应力修正参数。

r6的1.8和1.9节阐述了计算失效评定曲线fac横坐标参数lr'、kr'的方法。裂纹前沿应力强度因子是由瞬态中的一次应力载荷引起的应力强度因子kim和二次应力载荷引起的应力强度因子kit之和。同时，通过计算手册或有限元数值计算方法获得rpv含缺陷结构的极限载荷po。

计算断裂比参量kr'＝kim/kic+kit/kic+ρ，载荷比参数lr'＝p/po。计算评定点纵坐标时考虑了一次应力与二次应力之间的相互影响，一次应力与二次应力之间的相互影响是通过第四版r6中的ρ参数进行修正。

(d4)绘制评定点

将计算得到的评定点坐标(lr'，kr')绘在选定的失效评定图中。将计算获得的评定点(lr'，kr')绘在所选择的特定fad中。

(d5)临界状态评定点

为获得结构的临界裂纹尺寸，参考评定点坐标的位置，改变初始选择的裂纹尺寸，使得评估点逐步接近直至落在失效评定曲线(fac)上。

(d6)临界状态安全性能评价

根据落在失效评定曲线(fac)上评估点的信息，获得极端事故工况下rpv的临界裂纹尺寸，再结合rcc-m规范中分析方法判断rpv结构的安全性能。

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明。

实施例1

rpv堆芯区域内径ri＝1994.5mm、筒体壁厚t＝200mm、堆焊层厚tc＝7.5mm。此处给出某极端事故工况下的简化弹塑性断了力学的分析过程。某极端事故工况下，rpv在正常运行状态下迅速冷却至室温。在该极端事故的起始时刻，内压载荷为15.5mpa，rpv筒体温度均匀为300℃。

1)载荷分析

在这一极端事故工况下，rpv堆芯筒体承受内压载荷和热冲击载荷，其中内压载荷属于一次载荷，热冲击载荷属于二次应力载荷。

2)缺陷表征

依据rcc-m规范进行rpv缺陷的表征，图2表征rpv堆芯筒体处的缺陷，缺陷为内表面轴向裂纹，缺陷长度2c，裂纹的深度a，缺陷的形状参数a/c＝1/3。

3)线弹性应力强度因子计算

基于rcc-m规范选取材料的性能参数，本案例中材料的韧脆转变温度取为20℃，取辐照后kic上限值为

初步设定裂纹尺寸裂纹深度a尺寸为108mm，通过rcc-m规范或有限元数值计算方法计算线弹性应力强度因子，所述线弹性应力强度因子为瞬态中一次应力载荷和二次应力载荷引起的应力强度因子之和。此处，计算出sif为

4)应力强度因子塑性修正

依据rcc-m规范，进行线弹性应力强度因子的塑性修正。rcc-m规范应力强度因子ki的塑性修正公式中ry为7.56mm，0.085(t-a)为7.30mm。本案例分析中，2002版rcc-m规范已不再适用。

5)选择失效评定图

本案例评估瞬态开始时刻的安全性能，选择图3中的高温fac曲线进行安全评估。

6)不同类型载荷引起的应力强度因子计算

初步选取裂纹深度a尺寸为50mm，并根据评定结构、载荷和材料性能参数计算瞬态中一次应力载荷引起的应力强度因子kim和二次应力载荷引起的应力强度因子kit。

7)评定点坐标计算

根据计算的裂纹前沿线弹性应力强度因子ki和rpv含缺陷结构的极限载荷p0，计算断裂比参量kr'＝kim/kic+kit/kic+ρ和载荷比参数lr'＝p/po，式中p为瞬态中的一次应力载荷；kic为rpv材料的断裂韧性。本案例分析中，当裂纹尺寸为50mm时，评估点坐标是(0.530，0.348)。

8)绘制评定点

将计算得到的评定点坐标(lr'，kr')绘在选定的失效评定图中。将计算获得的评定点(lr'，kr')绘在所选择的特定fad中。初始评估点的坐标如图5所示。

9)临界状态评定点

如图5所示，本示例中评估点落在fad内，通过增加初始假想缺陷的尺寸，逐步使得评定点靠近失效评定曲线，直至落到失效评定图中。此时结构的临界缺陷尺寸为108.65mm。

10)临界状态安全性能评价

在步骤5中获得结构的临界缺陷尺寸为108.65mm，依据rcc-m规范，临界缺陷尺寸需要小于75％的壁厚(150mm)。因此，该极端事故工况满足rcc-m的抗快速断裂力学评估要求。

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。