一种核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法与流程

本发明涉及核电设备结构完整性评估
技术领域：
，尤其涉及一种核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法。
背景技术：
：研究表明服役环境对核电厂金属部件的疲劳寿命有较大影响。但现有的核电设计规范，例如asme规范iii卷，均是采用室温条件下空气中测得的材料疲劳寿命曲线开展金属部件疲劳寿命评估的，并没有考虑材料服役环境的影响。为了解决该问题，2010年美国机械工程师协会发布了《asmecodecasen-792fatigueevaluationsincludingenvironmentaleffects》。该案例推荐了一种核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法，但对分析细节缺少必要的规定和描述，使得技术人员无法利用该方法来对金属部件的疲劳寿命进行更客观的评估。技术实现要素：为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法，具体技术方案如下：提供了一种核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：s1、开展金属部件疲劳寿命分析，得到所述金属部件上分析位置对应的疲劳累积使用因子；s2、依据所述金属部件的材料类型确定相应的环境影响因子计算公式；s3、通过应力分析得到所述金属部件处于拉应力状态下的时间段，依据s2中的所述计算公式，以得到所述金属部件处于拉应力状态下不同时间点对应的环境影响因子；s4、通过积分求和运算得到所述金属部件一个或多个应力峰谷值配对对应的环境影响因子；s5、根据s1中得到的疲劳累积使用因子和s4中得到的应力峰谷值配对对应的环境影响因子，得到所述金属部件环境促进疲劳寿命，若环境促进疲劳寿命小于预设值，则所述金属部件符合使用要求，若环境促进疲劳寿命大于或者等于预设值，则所述金属部件不符合使用要求。进一步地，在s1步骤中，开展金属部件疲劳寿命分析包括以下步骤：s101、建立金属部件的有限元分析模型；s102、计算所述金属部件在不同瞬态载荷作用下的温度场和应力场；s103、开展所述金属部件的应力峰谷值配对计算，获得一个或多个应力峰谷值配对的疲劳累积使用因子。进一步地，在s2步骤中，若所述金属部件由碳钢材料制成，则所述金属部件的环境影响因子计算公式如下：若所述金属部件由低合金钢材料制成，则所述金属部件的环境影响因子计算公式如下：若所述金属部件由奥氏体不锈钢材料制成，则所述金属部件的环境影响因子计算公式如下：若所述金属部件由ni-cr-fe合金钢材料制成，则所述金属部件的环境影响因子计算公式如下：式中，fen—环境影响因子；s'—金属材料中硫元素含量的影响参数；t′—金属部件温度的影响参数；—应变速率的影响参数；o′—压水堆冷却剂中氧溶解量的影响参数。进一步地，若所述金属部件由碳钢或低合金钢材料制成，则其中金属材料中硫元素含量的影响参数s'的取值公式如下：式中，s'—金属材料中硫元素含量的影响参数；s—金属材料中硫元素含量；do—压水堆冷却剂中氧溶解量。进一步地，若所述金属部件由碳钢或低合金钢材料制成，则其中金属部件温度的影响参数t′计算公式如下：若所述金属部件由奥氏体不锈钢材料制成，则其中金属部件温度的影响参数t′计算公式如下：若所述金属部件由ni-cr-fe合金钢材料制成，则其中金属部件温度的影响参数t′计算公式如下：式中，t′—金属部件温度的影响参数；t—分析位置的金属温度。进一步地，若所述金属部件由碳钢或低合金钢材料制成，则其中氧溶解量影响参数o′计算公式如下：若所述金属部件由奥氏体不锈钢材料制成，则其中氧溶解量影响参数o′计算公式如下：o'＝0.281若所述金属部件由ni-cr-fe合金钢材料制成，则其中氧溶解量影响参数o′计算公式如下：o'＝0.16式中，o′—压水堆冷却剂中氧溶解量的影响参数；do—压水堆冷却剂中氧溶解量。进一步地，若所述金属部件由碳钢或低合金钢材料制成，则其中金属部件应变速率的影响参数计算公式如下：若所述金属部件由奥氏体不锈钢材料制成，则其中金属部件应变速率的影响参数计算公式如下：若所述金属部件由ni-cr-fe合金钢材料制成，则其中金属部件应变速率的影响参数计算公式如下：其中，为应变速率，其计算公式如下：其中，ti-1和ti为两个相邻的时间点，δε(ti)为相邻两个时间点的应变增量，其计算公式如下：δε(ti)＝σsi(ti)/e式中，σsi—相邻两个时间点的应力强度范围；e—弹性模量。进一步地，在s3步骤中，所述应力分析包括以下步骤：依据所述金属部件上分析位置的两个时间点的应力状态，所述两个时间点按先后分别记作ti-1和ti，以得到所述分析位置在两个时间点之间的应力范围以及所述应力范围对应的主应力，并得到其对应的应力强度范围；若所述分析位置对应的主应力中，绝对值最大的主应力为正时，则判断在ti时间点所述分析位置处于拉应力状态；反之，则在ti时间点所述分析位置处于压应力状态。只有在拉应力状态下，服役环境才对金属部件疲劳寿命产生影响。进一步地，在s4步骤中，当出现一个或多个应力峰谷值配对时，第i个应力峰谷值配对构成了第i个应力循环，该应力循环对应的环境影响因子计算公式如下：式中，feni—第i个应力循环对应的环境影响因子；fen(ti)—ti时刻对应的环境影响因子；δε(ti)—ti时刻的应变增量。∑—第i个应力循环对应的求和范围。进一步地，在s5步骤中，所述金属部件环境促进疲劳寿命的计算公式如下：式中，cufen—环境促进疲劳寿命；feni—第i个应力循环对应的环境影响因子；cufi—第i个应力峰谷值配对的疲劳累积使用因子；其中，若cufen小于1，则所述金属部件符合使用要求，若cufen大于或者等于1，则所述金属部件不符合使用要求。本发明具有下列优点：a.考虑了服役环境对金属部件的疲劳寿命影响，使得评估更加客观精确；b.优化了计算处理算法，提高了评估分析效率和精度，去除了不必要的保守性。附图说明图1是本发明实施例提供的核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法的流程示意图；图2是本发明实施例提供的核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法瞬态a附近对应的应变与时间关系图；图3是本发明实施例提供的核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法瞬态b附近对应的应变与时间关系图；图4是本发明实施例提供的核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法环境影响因子积分求和运算示意图；图5是本发明实施例提供的某管嘴几何尺寸示意图。具体实施方式为了使本
技术领域：
的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。在本发明的一个实施例中，提供了一种核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法，如图1所示，包括以下步骤：s1、开展金属部件疲劳寿命分析，得到所述金属部件上分析位置对应的疲劳累积使用因子；其中，在s1步骤中，按照现有核电机械部件设计规范，如asme规范iii卷nb3200章节，开展金属部件疲劳寿命分析，具体包括以下步骤：s101、建立金属部件的有限元分析模型，进行数值模拟；s102、计算所述金属部件在不同瞬态载荷作用下的温度场和应力场；s103、开展所述金属部件的应力峰谷值配对计算，获得一个或多个应力峰谷值配对的疲劳累积使用因子以及相应的计算参数，应力峰谷值配对的疲劳累积使用因子记作cufi；s104、假设有n个应力峰谷值配对，采用线性叠加法，可得到金属部件的疲劳累积使用因子，记作cuf，计算公式如下：需要说明的是，此时得到的金属部件的疲劳累积使用因子并没将环境影响因素考虑进去。s2、依据所述金属部件的材料类型确定相应的环境影响因子计算公式；其中，在s2步骤中，依据amse规范，若所述金属部件由碳钢材料制成，碳钢是指含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金，则所述金属部件的环境影响因子计算公式如下：若所述金属部件由低合金钢材料制成，低合金钢是指合金元素总量小于5％的合金钢，则所述金属部件的环境影响因子计算公式如下：若所述金属部件由奥氏体不锈钢材料制成，则所述金属部件的环境影响因子计算公式如下：若所述金属部件由ni-cr-fe合金钢材料制成，则所述金属部件的环境影响因子计算公式如下：式中，fen—环境影响因子；s'—金属材料中硫元素含量的影响参数；t′—金属部件温度的影响参数；—应变速率的影响参数；o′—压水堆冷却剂中氧溶解量的影响参数。具体地，若所述金属部件由碳钢或低合金钢材料制成，则其中金属部件温度的影响参数t′计算公式如下：公式(3a)中，当t＜150℃时，公式选用t′＝0.0，当150℃＜t＜350℃，公式选用t′＝t-150，以下相关表达形式的公式，都是表述在不同条件下设有其对应的公式。若所述金属部件由奥氏体不锈钢材料制成，则其中金属部件温度的影响参数t′计算公式如下：若所述金属部件由ni-cr-fe合金钢材料制成，则其中金属部件温度的影响参数t′计算公式如下：式中，t′—金属部件温度的影响参数；t—分析位置的金属温度。具体地，若所述金属部件由碳钢或低合金钢材料制成，则其中氧溶解量影响参数o′计算公式如下：若所述金属部件由奥氏体不锈钢材料制成，则其中氧溶解量影响参数o′计算公式如下：o'＝0.281(4b)若所述金属部件由ni-cr-fe合金钢材料制成，则其中氧溶解量影响参数o′计算公式如下：o'＝0.16(4c)式中，o′—压水堆冷却剂中氧溶解量的影响参数；do—压水堆冷却剂中氧溶解量。具体地，若所述金属部件由碳钢或低合金钢材料制成，则其中金属材料中硫元素含量的影响参数s'的取值公式如下：式中，s'—金属材料中硫元素含量的影响参数；s—金属材料中硫元素含量；do—压水堆冷却剂中氧溶解量。具体地，若所述金属部件由碳钢或低合金钢材料制成，则其中金属部件应变速率的影响参数计算公式如下：若所述金属部件由奥氏体不锈钢材料制成，则其中金属部件应变速率的影响参数计算公式如下：若所述金属部件由ni-cr-fe合金钢材料制成，则其中金属部件应变速率的影响参数计算公式如下：其中，为应变速率，其计算公式如下：其中，ti-1和ti为两个相邻的时间点，δε(ti)为相邻两个时间点的应变增量，其计算公式如下：δε(ti)＝σsi(ti)/e(8)式中，σsi—相邻两个时间点的应力强度范围；e—弹性模量。s3、通过应力分析得到所述金属部件处于拉应力状态下的时间段，依据s2中的所述计算公式，以得到所述金属部件处于拉应力状态下不同时间点对应的环境影响因子；在s3步骤中，所述应力分析包括以下步骤：依据所述金属部件上分析位置的两个时间点的应力状态，所述两个时间点按先后分别记作ti-1和ti，以得到所述分析位置在两个时间点之间的应力范围以及所述应力范围对应的主应力，并得到其对应的应力强度范围；若所述分析位置对应的主应力中，绝对值最大的主应力为正时，则判断在ti时间点所述分析位置处于拉应力状态；反之，则在ti时间点所述分析位置处于压应力状态。具体地，每个瞬态包括多个离散相邻的时间点，计算每一个瞬态的每一个时间点的应力强度范围σsi(ti)、应变增量δε(ti)、应变率和环境影响因子fen(ti)。研究表明只有在拉应力状态下，服役环境才对金属部件疲劳寿命产生影响，具体包括以下步骤：s301、设ti时刻，对分析位置的应力状态分析，分解在x/y/z三个方向上的应力和对应三个平面上的剪应力，分别记为σx,i、σy,i、σz,i、σxy,i、σxz,i、σyz,i；设ti-1时刻，同样对分析位置的应力状态分析，分解在x/y/z三个方向上的应力和对应三个平面上的剪应力，分别记为σx,i-1、σy,i-1、σz,i-1、σxy,i-1，σxz,i-1、σyz,i-1。s302、计算ti和ti+1两个时间点之间的应力范围，对应上述的应力和剪切力的应力范围分别记作σ'x、σ'y、σ'z、σ'xy、σ'xz、σ'yz，相应的一系列计算公式如下，并统称为公式(9)σ′x＝σx,i-σx,i-1；σ′y＝σy,i-σy,i-1；σ′z＝σz,i-σz,i-1σ′xy＝σxy,i-σxy,i-1；σ′xz＝σxz,i-σxz,i-1；σ′yz＝σyz,i-σyz,i-1s303、依据所述应力范围，从而计算获得应力范围的主应力，分别记作σ′1、σ′2、σ′3；s304、利用以下计算公式得到应力强度范围，记作σsi(ti)，σsi(ti)＝max(|σ′1-σ'2|,|σ'2-σ'3|,|σ'3-σ′1|)(10)s305、判断ti时刻应力状态，当主应力(σ′1,σ′2,σ′3)中绝对值最大者的数值为正时，则判断ti时刻的应力状态为拉应力状态；反之，则判断ti时刻的应力状态为压应力状态；s306、当ti时刻的应力状态为拉应力状态时，依据s2步骤确定的计算公式计算应变增量δε(ti)、应变率和环境影响因子fen(ti)，其中温度参数可取ti时刻和ti-1时刻的平均温度。s4、通过积分求和运算得到所述金属部件一个或多个应力峰谷值配对对应的环境影响因子；在s4步骤中，当出现一个或多个应力峰谷值配对时，第i个应力峰谷值配对构成了第i个应力循环，即循环载荷，应力峰值和应力谷值分别属于瞬态a和瞬态b，瞬态a和瞬态b也可以是同一个瞬态，图2和图3给出了瞬态a和瞬态b的示意图，图中横坐标为时间参量t，纵坐标为应变参量ε，瞬态a中标2的点为应力峰值，瞬态b中标3的点为应力谷值，设瞬态a中标1的点到标2的点和瞬态b中标3的点到标4的点表示金属部件处于拉应力状态，该应力循环对应的环境影响因子计算公式如下：式中，feni—第i个应力循环对应的环境影响因子；fen(ti)—ti时刻对应的环境影响因子；δε(ti)—ti时刻的应变增量；∑—第i个应力循环对应的求和范围。其中∑表示对第i个应力循环中离散时间点的求和，参见图2至图4，求和范围为标1的点到标2的点再叠加标3的点到标4的点。s5、根据s1中得到的疲劳累积使用因子和s4中得到的应力峰谷值配对对应的环境影响因子，得到所述金属部件环境促进疲劳寿命，记作cufen，若环境促进疲劳寿命小于预设值，则所述金属部件符合使用要求，若环境促进疲劳寿命大于或者等于预设值，则所述金属部件不符合使用要求，所述预设值一般设为限值1。具体地，在s5步骤中，计算所述金属部件的环境促进疲劳寿命，所述金属部件环境促进疲劳寿命的计算公式如下：式中，cufen—环境促进疲劳寿命；feni—第i个应力循环对应的环境影响因子；cufi—第i个应力峰谷值配对的疲劳累积使用因子；n—应力循环的数量。其中，若cufen小于1，则所述金属部件符合使用要求，若cufen大于或者等于1，则所述金属部件不符合使用要求。若判断出所述金属部件不符合使用要求，还可以利用计算机获取所述金属部件的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息。需要说明的是，现有核电机械部件设计规范规定，如asme规范iii卷，金属部件疲劳累积使用因子cufen在服役期限内应小于限值1。在本发明的一个实施例中，假设某金属部件(管嘴)需要开展环境促进疲劳寿命评估，管嘴几何尺寸如图5所示，图中a点位于管嘴内表面，为疲劳分析位置。管嘴材料为奥氏体不锈钢。表1和表2分别给出了材料性能参数和疲劳寿命参数。该金属部件在寿期内经历的瞬态载荷(包括温度载荷和压力载荷)如表3所示，假设瞬态发生次数为20次。表1材料性能数据表表2材料疲劳寿命数据表载荷(pa)6.00e+094.30e+092.75e+091.98e+091.44e+099.74e+087.45e+085.90e+084.50e+083.68e+083.00e+082.35e+08循环次数1020501002005001000200050001.00e+042.00e+045.00e+04载荷(pa)1.96e+081.68e+081.42e+081.26e+081.13e+081.02e+089.90e+079.71e+079.58e+079.44e+079.37e+07循环次数1.00e+052.00e+055.00e+051.00e+062.00e+065.00e+061.00e+071.00e+081.00e+091.00e+101.00e+11表3瞬态载荷数据(发生次数n:20次)时间/s温度/℃导热系数/(w/℃m-2)压力/mpa0316883015.55316883015.52053888307100038883071200316883015.53000316883015.5环境促进疲劳寿命评估方法包括以下步骤：s1、按照asme规范iii卷开展金属部件疲劳寿命分析。具体进行步骤s101-s104：s101、建立金属部件的有限元分析模型；采用有限元方法建立该管嘴的二维轴对称分析模型。在进行温度场计算时，管嘴外表面施加绝热边界条件，内表面施加对流换热边界条件。在进行结构应力计算时，管嘴右端固定，整体施加瞬态温度载荷，内表面施加压力载荷。s102、计算金属部件在每一个瞬态载荷作用下的温度场、应力场；表4给出了在瞬态载荷作用下疲劳分析位置a点的温度变化和总体应力变化情况。由于是轴对称模型，因此应力计算结果只有x/y/z方向的应力和xy方向的剪应力。表4疲劳分析位置a点的温度变化情况和应力变化情况表s103、依据asme规范iii卷开展应力峰谷值配对计算，获得每个应力峰谷值配对的疲劳累积使用因子cufi以及相应的计算参数；表5给出了位置a的应力峰谷值配对情况和相应的疲劳累积使用因子cufi计算结果。本实施例只有一个应力峰谷值配对，其中应力峰值出现在205秒，谷值出现在1200秒，对应的疲劳累积使用因子cuf1为0.046。表5疲劳分析位置a点的环境促进疲劳寿命计算结果s104、采用线性叠加法，计算金属部件的疲劳累积使用因子cuf；本实施例只有一个应力峰谷值配对，因此：cuf＝cuf1＝0.046s2、确定环境影响因子fen的计算公式。(1)根据amse规范casen792，奥氏体不锈钢材料的环境影响因子fen计算公式如下：其中s'为金属材料中s元素含量的影响参数；t′为金属温度的影响参数；为应变速率的影响参数；o′为压水堆冷却剂中氧溶解量do的影响参数。(2)温度的影响参数t′计算公式如下：其中t为分析位置的金属温度。(3)氧溶解量影响参数o′计算公式如下：o'＝0.281(4)应变速率的影响参数计算公式如下s3、计算每一个瞬态每一个时刻的应力强度范围σsi(ti)、应变增量δε(ti)、应变率和环境影响因子fen(ti)。根据表4，通过计算可得从0～205秒和1200～3000秒位置a处于拉应力状态。下面以205秒时刻为例,计算该时刻对应的应变增量、应变率和环境影响因子。(1)瞬态时刻205秒的应力状态为{-7.1mpa,542.3mpa,481.9mpa}；前一时刻195秒的应力状态为{-7.5mpa,526.9mpa,473mpa}；(2)依据公式9和公式10计算应力强度范围σsi(ti)＝14.97mpa；(3)从195～205秒位置a的平均温度为65.5℃，对应的弹性模量为175gpa。根据公式7和8可以计算得到应变增量δε(t＝205s)和应变率分别为0.0086％和0.0009％/s，进而计算得到该时刻的环境影响因子fen(t＝205s)＝2.08。s4、所述通过求和运算得到每一个应力峰谷值配对对应的环境影响因子feni。根据公式11计算fen1，求和范围为0～205秒和1200～3000秒。表5给出了fen1和cufen1的计算结果，分别为7.38和0.34。s5、计算所分析部件的环境促进疲劳寿命cufen，根据公式12计算金属部件的环境促进疲劳寿命cufencufen＝cufen1＝cuf1×fen1＝0.34发现该管嘴的环境促进疲劳寿命小于限值1，满足asme规范iii卷要求。本发明提供的核电厂金属部件环境促进疲劳寿命评估方法考虑了服役环境对金属部件的疲劳寿命影响，并规定了所有环境影响参量的具体计算方法和要求，通过详细的计算分析过程可以有效降低计算结果不必要的保守性，填补了现有技术的空白。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12