碳含量超标情况下的反应堆压力容器快速断裂评价方法研究

苏东川; 谢海; 张毅雄; 崔怀明; 吴琳

doi:10.13832/j.jnpe.2021.04.0282

碳含量超标情况下的反应堆压力容器快速断裂评价方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.04.0282

中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610213

详细信息

作者简介:
苏东川（1984—），男，博士研究生，现主要从事反应堆结构力学方面的研究，E-mail: sdc03@139.com

中图分类号: TL334
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出版历程
- 收稿日期: 2021-04-06
- 修回日期: 2021-04-14
- 刊出日期: 2021-08-15

Study on Fast Fracture Evaluation Method for Reactor Pressure Vessel with Excessive Carbon Content

Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory, Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China

摘要

摘要: 按照RCC-M规范对设备进行快速断裂评价时，材料的初始无延性转变温度是重要的输入条件之一。材料中的碳含量超标会影响材料初始无延性转变温度，但目前2者之间还没有定量关系。当反应堆压力容器（RPV）出现碳含量超标时，为保证结构完整性，必须在缺乏定量关系的情况下完成结构的快速断裂分析。本研究对碳含量超标情况下的反应堆压力容器的快速断裂评价方法进行了研究，并以发生碳含量超标的反应堆压力容器堆芯段筒体为例，考虑了筒体的缺陷修复情况，通过反算满足规范要求的最高初始无延性转变温度，对反应堆压力容器堆芯段筒体的快速断裂情况进行了分析评估。该方法可为碳含量超标的压力容器运行和在役检测提供技术支持。
- 反应堆压力容器（RPV） /
- 快速断裂 /
- 初始无延性转变温度 /
- 碳含量
Abstract: The initial non-ductile transition temperature is an important input parameter in fast fracture evaluation according to the RCC-M code. The initial non-ductile transition temperature (RT_NDT) will be affected by the carbon content, but there is no quantitative relationship between them. When the carbon content of the reactor pressure vessel exceeds the standard, it is necessary to complete the fast fracture evaluation without quantitative relationship to ensure the integrality of RPV. In this paper, the evaluation method of the fast fracture of RPV with excessive carbon content is studied. Taking the RPV core barrel with excessive carbon content as an example, the defect repair is considered, and the fast fracture analysis and evaluation are carried out by calculating the maximum initial non-ductile transition temperature. This method can support the operation and the in-service inspection of the pressure vessels with excessive carbon content.
- Reactor pressure vessel (RPV) /
- Fast fracture /
- Initial non-ductile transition temperature /
- Carbon content

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图 1 快速断裂评价方法示意图

Figure 1. Sketch Map of Fast Fracture Evaluation Method

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图 2 快速断裂分析流程

Figure 2. Process of Fast Fracture Analysis

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图 3 RPV堆芯段筒体的尺寸 mm

Figure 3. Dimension of the Core Section of RPV

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图 4 有限元模型

Figure 4. Model of Finite Element Method

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图 5 主管道大破口瞬态的温度和压力随时间变化图

Figure 5. Temperature and Pressure Versus Time under LOCA

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图 6 残余应力沿壁厚分布

Figure 6. Distribution of Residual Stress along Wall Thickness

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图 7 假设裂纹示意图

Figure 7. Sketch Map of Hypothetical Crack

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图 8 快速断裂分析的计算结果

Figure 8. Results of Fast Fracture Analysis

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表 1 K_JC的取值

Table 1. Value of K_JC

温度范围	材料	K_JC/(MPa·m^0.5)
T≥200℃	w_S≤0.005	200
	0.005<w_S≤0.008	170
	0.008<w_S≤0.011	155
	0.011<w_S≤0.015	135
	焊缝处	170
T≤50℃	w_S≤0.005	245
	0.005<w_S≤0.008	205
	0.008<w_S≤0.011	190
	0.011<w_S≤0.015	175
	焊缝处	205
w_S—母材的硫含量，%

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表 2 16MND5的材料性能

Table 2. Material Properties of 16MND5

温度/℃	20	50	100	150	200	250	300	350
热导率/ (mW·mm⁻¹·K⁻¹)	37.7	38.6	39.9	40.5	40.5	40.2	39.5	38.7
比热/[J·(kg·K)⁻¹]	447.1	460.3	484.0	503.6	523.9	547.1	567.1	590.0
线胀系数/10⁻⁶K⁻¹	11.22	11.63	12.32	12.86	13.64	14.27	14.87	15.43
杨氏模量/GPa	204	203	200	197	193	189	185	180
泊松比	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
屈服强度/MPa	345	340	326	318	311	308	303	299

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表 3 E309L和E308L的材料性能

Table 3. Material Properties of E309L and E308L

温度/℃	20	50	100	150	200	250	300	350
热导率/ (mW·mm⁻¹·K⁻¹)	14.7	15.2	15.8	16.7	17.2	18.0	18.6	19.3
比热/[J·(kg·K)⁻¹]	461.9	480.0	500.2	526.1	533.9	546.8	550.7	557.3
线胀系数/10⁻⁶K⁻¹	16.40	16.84	17.23	17.62	18.02	18.41	18.81	19.20
杨氏模量/GPa	197	195	191.5	187.5	184	180	176.5	172
泊松比	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3

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表 4 材料的无延性转变温度升高值

Table 4. Rise of RT_NDT of Material

时间/ a	快中子注量/ 10¹⁹ cm⁻²	辐照老化导致的 ΔRT_NDT/℃	总ΔRT_NDT/℃
时间/ a	快中子注量/ 10¹⁹ cm⁻²	辐照老化导致的 ΔRT_NDT/℃	母材	热影响区
10	0.4379	18.24	18.24	33
20	0.8758	25.79	25.79	33
30	1.314	31.58	31.58	33
40	1.752	36.47	36.47	36.47

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表 5 不同状态下允许的最高RT_NDT

Table 5. Maximum Allowable RT_NDT under Different Conditions　　　　

状态	时间/a	裂纹深度/mm	允许的最高RT_NDT/℃
设计状态	40	20	−3
缺陷修复状态	40	20	−19
a=10 mm	10	12.407	−5
	20	15.382	−10
	30	21.157	−16
	40	29.067	−26
a=6.2 mm	10	7.343	9
	20	8.828	3
	30	10.907	−4
	40	13.517	−10

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表 6 快速断裂计算结果

Table 6. Results of Fast Fracture Calculation

初始裂纹深度/mm	时间/ a	裂纹深度/ mm	应力强度因子/ (MPa·m^0.5)	限值/(MPa·m^0.5)
初始裂纹深度/mm	时间/ a	裂纹深度/ mm	应力强度因子/ (MPa·m^0.5)	−10℃	−15 ℃
6.2	10	7.343	57.6	84.1	94.7
	20	8.828	63.1	84.1	94.7
	30	10.907	70.0	84.1	94.7
	40	13.517	77.8	77.8	87.1
10	10	12.407	74.6	84.1	94.7
	20	15.382	82.8	84.1	94.7
	30	21.157	96.8	84.1	94.7
	40	29.067	113.1	77.8	87.1

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