Mechanical Reliability Analysis of Control Rod Assembly for HTR-PM
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摘要: 运用机械可靠性理论，利用力学仿真分析高温气冷堆示范工程——球床模块式高温气冷堆核电站（HTR-PM）控制棒组件的受力情况和薄弱区，识别出其薄弱区位于控制棒组件连接头位置；基于概率断裂力学的可靠度-寿命计算方法，结合辐照对疲劳寿命模型的影响，并考虑所受应力情况，建立可靠度-寿命模型，计算HTR-PM控制棒组件在辐照减弱系数为0.7时的可靠度-寿命。计算结果表明，可靠度水平为0.99时，HTR-PM控制棒组件寿命约为15万次动作循环，辐照对控制棒组件寿命影响较大。本研究可为HTR-PM控制棒组件设备可靠性管理提供参考。
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关键词:
- 高温气冷堆示范工程——球床模块式高温气冷堆核电站（HTR-PM） /
- 控制棒 /
- 机械可靠性
Abstract: The article analyzes the forces and weaknesses of the control rod assembly in the high temperature gas cooled reactor (HTGR) demonstration project-pebble bed modular HTGR plant (HTR-PM), using the the mechanical reliability theory and mechanical simulation, and identifies the weaknesses at the connection of the control rod assembly. In the reliability-life calculation method based on the probabilistic fracture mechanics, in combination with the influence of irradiation on the fatigue life model and in consideration of the stress, the authors establish the reliability-life model to calculate the reliability-life of HTR-PM control rod assembly at the irradiation attenuation coefficient of 0.7. The calculation results show that at the reliability level of 0.99, the life of HTR-PM control rod assembly is about 150,000 action cycles, and that the irradiation has a great influence on the life of the control rod assembly. In view of what mentioned above, this paper can provide reference for the equipment reliability management of the HTR-PM control rod assembly. -
图 1 控制棒组件Mises应力有限元仿真结果
Figure 1. Finite Element Simulation Results of Mises Stress of Control Rod Assembly
表 1 材料力学参数
Table 1. Mechanical Parameters of Materials
材料名称 密度/(g·cm−3) 弹性模量/GPa 泊松比 Alloy625（20℃） 8.44 208 0.28 Alloy625（600℃） 8.44 174 0.31 Incoloy800（20℃） 7.94 196.5 0.339 Incoloy800（600℃） 7.94 157.7 0.373 
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表 3 控制棒组件疲劳计算参数
Table 3. Fatigue Calculation Parameters of Control Rod Assembly
参数 服从分布 均值 标准差 $ {\sigma _{\text{e}}} $（静止） 对数正态分布 69.4 MPa 1.388 MPa $ {\sigma _{\text{e}}} $（上升） 对数正态分布 72.1 MPa 1.568 MPa $ {\sigma _{\text{e}}} $（下降） 对数正态分布 47.8 MPa 0.956 MPa lgC 对数正态分布 −14.5 0.5 m — 3.5 — $ \alpha $ — 1 — ${a_0}$ 对数正态分布 0.5 0.25 “—”表示无此项
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表 4 Incoloy800力学和疲劳裂纹扩展参数
Table 4. Incoloy800 Mechanical Parameters and Fatigue Crack Growth Parameters
材料名称 密度/
(g·cm−3)弹性模
量/GPa泊松比 lgC m Incoloy800（600℃） 7.94 196.5 0.339 −14.5 3.5
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表 5 可靠度-寿命计算结果
Table 5. Reliability-Life Calculation Results
序号 可靠度 寿命（动作次数） 无辐照减弱系数 辐照减弱系数为0.7 1 0.90 1774102 508940 2 0.91 1656983 475342 3 0.92 1538494 441351 4 0.93 1417965 406775 5 0.94 1294481 371350 6 0.95 1166718 334699 7 0.96 1032630 296233 8 0.97 888713 254947 9 0.98 727967 208833 10 0.99 531546 152486 11 0.999 220211 63172 12 0.9999 106616 30585 13 0.99999 56799 16294 14 0.999999 32329 9274 15 0.9999999 19328 5545 16 0.99999999 12007 3445
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