李清泉
中圖分類號:F764.1 文獻標識:A 文章編號:1674-1145(2017)09-251-04
摘要 采用新型燃料組件后,為核實反應堆壓力容器的抗脆斷性能,參考初始的設計文件計算結(jié)果,結(jié)合設計壽期內(nèi)承受的中子注量,采用更加保守的斷裂韌性曲線,重新進行了抗脆斷分析,計算得出RPV各關鍵部位的韌脆轉(zhuǎn)變溫度未超過允許值,表明壓力容器在壽期內(nèi)的抗脆斷性能仍然滿足要求,完整性能夠得到保證。
關鍵詞 抗脆斷性能 斷裂韌性 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 允許的韌脆轉(zhuǎn)變溫度
田灣核電站1、2號機組為俄羅斯設計的WWER-1000型機組,設計壽期為40年,采用AFA燃料組件,換料周期為12個月。在反應堆壓力容器(RPV)的初始設計中,已經(jīng)結(jié)合40年壽期內(nèi)的輻照脆化和熱老化狀況對RPV在各類運行工況下的抗脆斷性能進行了分析。為提高機組能力因子,田灣核電站1、2號機組決定采用新型的TVS-2M燃料組件代替原來的AFA燃料組件,將換料周期延長至18個月。由于燃料組件的不同,運行過程中的中子注量率及其分布較初始設計發(fā)生了變化,因此需對RPV的抗脆斷性能重新進行分析,核實在設計壽期內(nèi)的各類工況下RPV的完整性是否仍能得到滿足。
一、RPV的結(jié)
田灣核電站1、2號機組的RPV是一個帶有橢圓封頭的垂直圓柱形容器,結(jié)構如圖1所示,從下至上由底封頭、下部圓筒殼段、上部圓筒殼段、支撐殼段、下接管區(qū)段、上接管區(qū)段和法蘭段共七部分焊接而成,共有六條環(huán)焊縫(M1-M6)。
RPV連接四個環(huán)路的主管道,安全系統(tǒng)(應急堆芯冷卻系統(tǒng))也分為四個系列,其中中壓安注管道直接連接到壓力容器的接管,四個系列的高壓安注和第一、三系列的低壓安注管道連接到主管道,第二、四系列的低壓安注管道連接到中壓安注管道。
RPV各區(qū)段的母材材質(zhì)為珠光體鋼(見表1),內(nèi)襯兩層不銹鋼堆焊層。受中子輻照和溫度影響,RPV存在輻照脆化和熱老化脆化的傾向,受中子輻照較大的是上部圓筒殼段和M2、M3焊縫,其中中子注量最大的位置位于上部圓筒殼段;受溫度影響較大的是接管區(qū)段的金屬。在上部圓筒殼段上設置有輻照監(jiān)督樣品盒,在保護管組件上靠近冷卻劑出口的位置設置有溫度監(jiān)督樣品盒。在運行階段,定期取出監(jiān)督樣品進行試驗,可以獲取RPV材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度(Tk)的變化,評價RPV的脆化狀態(tài)和完整性。
二、分析的基本思路
按照俄羅斯強度計算規(guī)范,假定RPV堆焊層下存在一個表面開口的半橢圓裂紋(在相同的載荷下,堆焊層下半橢圓形裂紋的應力強度因子為最大),裂紋深度為a,長度為2c,a和c的取值如下:
a=1/4s(s為RPV母材壁厚,不考慮堆焊層厚度),半軸比a/c=2/3。
假如滿足以下公式,則RPV的抗脆斷性能滿足要求:
KI<[KI]nKI(1)
為RPV在某工況下產(chǎn)生的應力強度因子,許用的應力強度因子[KI]n為斷裂韌性KI曲線引入兩個安全系數(shù)分別獲得的兩條曲線的包絡線:一條由KIC曲線除以系數(shù)n獲得,另一條由KIC曲線向右移動溫度裕量△T獲得。n和△T的取值與工況有關,規(guī)定如表2所示
斷裂韌性KIC是溫度T的函數(shù),對于韌脆轉(zhuǎn)變溫度為Tk的材料,KIC=f(T-Tk)。
RPV抗脆斷分析的過程如下:
(1)根據(jù)新型燃料組件的中子注量率和40年壽期末RPV所接受的中子注量,并結(jié)合其它影響因素,確定壽期末RPV的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk,從而確定斷裂韌性KIC曲線KIC=f(T-Tk)。
(2)根據(jù)RPV在運行期內(nèi)可能承受的某個工況i,將KIC曲線引入相應的安全系數(shù),得到該工況下的許用應力強度因子[KI]]ni。對于該工況下的溫度T,采用有限元方法確定RPV的應力分布情況,得到裂紋尖端處的應力強度因子KI。使KI=[KI]ni,可計算出工況i下的允許韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tka(i)。通過該方法,得到各類工況下對應的一系列允許的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tka(i),i=l,2,3,……。
(3)從以上的一系列Tka(i)值中選取最小值作為RPV在壽期內(nèi)允許的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tka。
(4)對比Tk和Tka,如果Tk 在RPV的初始設計中,已經(jīng)明確了RPV受中子輻照區(qū)域的Tk值在40年壽期末增幅最大,且Tka值對應的工況是“穩(wěn)壓器安全閥誤開啟,且四列應急堆芯冷卻系統(tǒng)啟動”(AOO)。由于燃料組件類型的變化不會引起Tka值對應的工況的變化,因此對于采用新型燃料組件后的抗脆斷分析,可直接在“穩(wěn)壓器安全閥誤開啟,且四列應急堆芯冷卻系統(tǒng)啟動”工況下,針對RPV上部圓筒殼段的母材和M2、M3焊縫進行。 三、計算過程 (一)壽期末的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk 按照以下公式計算40年壽期末的Tk值: TK=TK0+△TT+△TN+△TF(2) 其中,TK0為RPV初始的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,在出廠證書中可以得到各部位的該數(shù)據(jù)?!鱐T為熱老化影響引起的韌脆轉(zhuǎn)變溫度增量,△TN為疲勞損傷影響引起的韌脆轉(zhuǎn)變溫度增量,△TF為能量高于0.5Mev的中子輻照引起的韌脆轉(zhuǎn)變溫度增量。TT和△TN可由俄羅斯強度計算規(guī)范直接給出,與燃料組件類型無關。燃料組件變化只引起△TF的變化,△TF的計算公式如下:
(3)
△TF為輻照脆化系數(shù),由強度計算規(guī)范給出;F為壽期末能量高于0.5MeV的中子注量,F(xiàn)0=1022/m2。
表3列出了上部圓筒殼段和M2、M3焊縫在40年壽期末的韌脆轉(zhuǎn)變溫度值。
從表3的結(jié)果可知,在更換為TVS-2M燃料組件后,RPV各部位的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均變小,脆化程度有所降低。假如其它引用的數(shù)據(jù)和公式都保持不變,可據(jù)此直觀地得出結(jié)論,采用新型燃料組件后,RPV的抗脆斷性能滿足要求。
(二)斷裂韌性KIC曲線
在初始的設計文件中,針對RPV母材和焊縫,其斷裂韌性曲線分別如公式(4)和公式(5)所示。
母材的斷裂韌性曲線公式:KIC=35+53·e0.027(T-TK)2(4)
焊縫的斷裂韌性曲線公式:KIC=652+18.12·e0.0293(T-TK)2(5)
在重新分析RPV抗脆斷性能時,采用新的公式替代了上述兩個公式,原因是隨著試驗數(shù)據(jù)的積累,俄羅斯近年來對RPV材料的斷裂韌性曲線進行了更新,并得到了其材料主管部門和監(jiān)管當局的認可,更新后的斷裂韌性曲線公式對母材和焊縫是一致的,如下:
KIC=23+48·e0.019(T-TK)2(6)
圖2列出了上述三條曲線的對比情況,可以看出,公式(6)的曲線位于最下方,因此使用該曲線進行抗脆斷分析的結(jié)果會更加嚴格和保守。此外,盡管采用新型燃料組件后降低了RPV的脆化程度,但由于所選擇的斷裂韌性曲線增加的保守度,仍應進一步定量評價RPV的抗脆斷性能。
(三)應力強度因子KI
上部圓筒殼段和M2、M3焊縫的壁厚為192.5mm,假定的堆焊層下半橢圓裂紋深度為a=48mm,半軸比為a/c=2/3。
母材、焊縫及其堆焊層的各項性能參數(shù)如表4所示:在“穩(wěn)壓器安全閥誤開啟,且四列應急堆芯冷卻系統(tǒng)啟動”事件下,結(jié)合RPV材料的性能參數(shù),根據(jù)事件發(fā)生的進展確定RPV所處的溫度、承受的內(nèi)壓、產(chǎn)生的熱應力,并考慮存在的殘余應力,利用有限元軟件確定RPV溫度場分布和應力應變狀態(tài),按照公式(7)計算出在某溫度下裂紋尖端處的應力強度因子。
根據(jù)溫度T和KI,即可確定該事件下的應力強度因子KI-T曲線。
(四)允許的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tka
針對“穩(wěn)壓器安全閥誤開啟,且四列應急堆芯冷卻系統(tǒng)啟動”事件,在斷裂韌性KIC曲線中按照A00引入安全系數(shù)(n=1.5,AT=30℃),作出許用的應力強度因子[KI]2-T曲線。Tka即為當[KI]2-T曲線與KI-T曲線相切時對應的Tk值,上部圓筒殼段和M2、M3焊縫的[KI]2-T曲線與KI-T曲線分別如圖3-圖5所示。
(五)計算結(jié)果
40年壽期內(nèi)上部圓筒殼段和M2、M3焊縫允許的韌脆轉(zhuǎn)變溫度和預期的韌脆轉(zhuǎn)變溫度對比如表5所示,可以看出,在40年壽期內(nèi),RPV關鍵部位的韌脆轉(zhuǎn)變溫度均小于允許的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,抗脆斷性能滿足要求。
四、結(jié)語
(1)采用新型的燃料組件后,RPV承受的中子注量發(fā)生了變化,利用更為保守的斷裂韌性曲線進行分析和核算后,其抗脆斷性能在40年的設計壽期內(nèi)仍然滿足要求,在各類工況下RPV的完整性能夠得到保證。
(2)本次分析采用的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk仍然是基于設計文件規(guī)定給出的預測值,在運行過程中,應根據(jù)定期取出的監(jiān)督試樣的試驗結(jié)果與預測值進行對比,驗證RPV實際的Tk值是否在預測的范圍內(nèi)。根據(jù)目前已經(jīng)取出的試樣試驗結(jié)果,RPV實際的韌脆轉(zhuǎn)變溫度值小于相應運行階段的預測值。
(3)表5中40年壽期末預測的RPV韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk值與允許的韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tka值之間的差值,說明RPV存在延壽的潛力,連同目前試驗獲得的實際韌脆轉(zhuǎn)變溫度值,能夠為RPV延壽奠定一個很好的基礎。endprint