LWR压力容器接管考虑环境影响的疲劳计算

沈 睿 曹 明 贺寅彪 陶宏新 陈 孟

（上海核工程研究设计院工程设备所 上海 200233）

LWR压力容器接管考虑环境影响的疲劳计算

沈 睿 曹 明 贺寅彪 陶宏新 陈 孟

（上海核工程研究设计院工程设备所 上海 200233）

在设计阶段考虑环境对疲劳的影响是第三代核电站一回路主设备设计的关键技术之一，本文介绍了ASME规范Code Case N-792对轻水堆(LWR)一级承压设备考虑环境影响疲劳时的环境影响疲劳修正系数(Fen)和应变速率ε'的计算方法。建立反应堆压力容器接管的轴对称模型，并根据Code Case N-792的要求对一回路主设备反应堆压力容器接管进行考虑环境影响的疲劳计算，计算时分别采用简化法和详细积分法。对不考虑环境影响的ASME第III卷的疲劳计算结果和Code Case N-792的疲劳计算结果进行对比和探讨。当考虑环境影响后，SCL1截面的疲劳寿命缩短为空气状态下的1/3，SCL2截面的疲劳寿命减少了3/5。

环境影响疲劳，压力容器，Code Case N-792，LWR

环境影响疲劳问题(EAF)在20世纪80年代初，首先由日本学者Higuchi博士提出[1]。NRC于2007年发布RG1.207导则对新建核电厂提出考虑LWR环境对疲劳影响的要求，并在NRC的研究报告NUREG/CR-6909中给出了实施细则[2]。ASME规范于2010年发布规范案例N-792，给出了核一级设备考虑环境影响疲劳的计算方法[3]。目前我国已建成的核电厂在疲劳分析中均未考虑LWR环境对设备的影响，在环境影响疲劳的分析领域还处于空白。本文根据ASME Code Case N-792给出的环境影响疲劳的计算方法，对一回路主设备压力容器接管进行考虑环境影响的疲劳计算，并对计算结果进行探讨。

1 ASME Code Case N-792对环境影响疲劳的分析方法

ASME Code Case N-792通过引入环境影响修正因子(Fen)来考虑LWR环境对部件疲劳寿命的影响，其具体计算流程可以归纳为以下几个步骤：

(1) 确定应力差 采用ASME规范NB-3200给出的方法确定应力差和交变应力Sa。

(2) 确定系数 采用理论、试验等方法确定的因结构不连续而造成的应力集中系数。

(3) 选取设计疲劳曲线 疲劳分析计算时应采用Code Case N-792中给出的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢和Ni-Cr-Fe钢的设计疲劳曲线。

(4) 采用ASME规范确定弹性模量的影响。

(5) 求各应力循环所造成的损伤因子U1、U2、U3、……、Un。

(6) 根据Code Case N-792确定环境影响修正因子(Fen)。

(7) 求解累计损伤。考虑环境影响的疲劳累计损伤因子Uen=U1Fen,1+ U2Fen,2+ U3Fen,3+ …UnFen,n，式中Fen,i为第i种载荷配对时环境对疲劳的影响；Ui为不考虑环境影响时第i种载荷配对的疲劳使用系数；Uen为考虑环境影响后的累积疲劳使用系数。

2 压力容器进口接管的环境影响疲劳计算

根据本文第2节对ASME Code Case N-792对环境影响疲劳计算的理解和归纳，本文选取受环境影响疲劳比较严重的反应堆压力容器接管部位进行计算。首先利用ANSYS软件对本文进口接管所承受的瞬态载荷进行应力分析并导出疲劳分析计算所需要的应力时程，然后根据ANSYS计算得到的应力时程结果进行环境影响疲劳的分析计算。

2.1计算模型

压力容器接管材料为低合金钢(SA-508, Gr.3 Cl.1)，压力容器接管通过安全端与主管道对接，主管道为奥氏体不锈钢 (SA-376 TP316)。为了简化模型，忽略接管和主管道之间的焊缝，直接在异种金属焊中心线两侧设置接管和安全端的的材料来考虑材料的不连续。此外，不考虑接管区域堆焊层的影响。有限元模型如图1所示。分析时以20ºC为参考温度（零应力状态），低合金钢的硫含量假定为0.025wt%，这也是ASME规范所允许的最大值。

本文选取管道与安全端的焊接处的不锈钢材料和接管过渡段的低合金钢母材作为应力评定截面，应力评定截面如图1所示。由于环境对疲劳的影响是本文的研究对象，所以每个评定截面内壁节点的数据将用于疲劳计算。根据NB-3200的规定，SCL1和SCL2两个评定截面均作为容器部件进行评定。

图1 接管有限元模型Fig.1 Nozzle FEA model.

2.2载荷及边界条件

本文计算模型的边界条件为：接管有限元模型的右侧（接管侧）模型的边界条件为简支，即所有节点的轴向自由度为零。在模型的左侧（管道侧），将所有节点的轴向自由度耦合来模拟主管道对其的影响，即所有节点的轴向自由度应一致。

为了研究环境对疲劳的影响，本文共设计了5个瞬态载荷。瞬态1和2的变化速率不一样并且非对称以防止与自己配对。瞬态3的设计是为了使应力产生多个不同幅值水平的波峰和波谷。瞬态4是一个加热瞬态，用来评估溶解氧含量的变化对疲劳的影响。瞬态5是一个典型OBE地震瞬态。此外，为了简化分析，压力和接管载荷与温度同步变化，其幅值应该合理并具有代表性但不能为分析部位的主导应力。合成接管载荷施加在管道安全端的末端。所有载荷被认为是随时间线性变化。瞬态1、2和3的一回路冷却剂的含氧量为一恒定值，瞬态4的含氧量随时间变化(图2)。

图2 温度瞬态载荷(a)、压力瞬态载荷(b)、合成接管载荷(c)和溶解氧含量(d)Fig.2 Temperature transients load(a), pressure transients load(b), resultant nozzle load(c) and dissolve oxygen content(d).

2.3基于NB-3200的疲劳计算

在进行环境对疲劳影响计算前，本文先根据ASME NB-3200的方法对上述计算模型的SCL1和SCL2评定截面进行疲劳分析计算，设计疲劳曲线取ASME第III卷附录图1-9.1“碳钢、低合金钢”和图1-9.2.1“奥氏体不锈钢”的设计疲劳曲线进行计算。评定截面SCL1的疲劳配对和计算结果如表1所示，评定截面SCL2的疲劳配对和计算结果如表2所示。

表1 基于ASME第III卷第一册附录图I-9.2.1疲劳曲线的SCL1截面疲劳计算结果Table 1 SCL1 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME section III division 1 appendix Fig.I-9.2.1.

表2 基于ASME第III卷第一册附录I图I-9.1的SCL2截面疲劳计算结果Table 2 SCL2 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME section III division 1 appendix 1 Fig.I-9.1.

2.4环境影响修正因子(Fen)计算

根据ASME Code Case N-792，在进行环境影响疲劳分析计算前需要先根据ASME NB-3200中给出的确定应力差和累计损伤的计算方法进行疲劳计算，但是与NB-3200的疲劳计算不同的是，在进行环境影响疲劳计算时设计疲劳曲线应取Code Case N-792中给出的各种不同材料的设计疲劳曲线。评定截面SCL1的疲劳配对和计算结果如表3所示，评定截面SCL2的疲劳配对和计算结果如表4所示。

表3 基于ASME Code Case N-792图2100-3M疲劳曲线的SCL1截面疲劳计算结果Table 3 SCL1 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME Code Case N-792 Fig.2100-3M.

表4 基于ASME Code Case N-792图2100-2M疲劳曲线的SCL2截面疲劳计算结果Table 4 SCL2 section fatigue calculation results based on S-N curve of ASME Code Case N-792 Fig.2100-2M.

ASME Code Case N-792主要从硫含量、冷却剂温度、溶解氧含量和应变速率四个方面来考虑对环境对疲劳影响。

对于碳钢：环境影响修正因子Fen= [exp(0.632–0.101S*T*O*ε'*)]；对于低合金钢：环境影响修正因子Fen= [exp(0.702–0.101S*T*O*ε'*)]；对于奥氏体不锈钢：环境影响修正因子Fen= [exp(0.734–T*O*ε'*)]；对于Ni-Cr-Fe合金：环境影响修正因子Fen= [exp(–T*O*ε'*)]。

其中，S*、T*、O*和ε'*分别为当量硫含量、当量温度、当量溶解氧含量和当量应变速率，ASME Code Case N-792给出了上述参量的计算方法，当上述参量小于所给定的门槛值时，该应力循环的环境影响疲劳修正因子Fen,i将等于1。此外，在应变速率计算时只计算应力循环中应变增加段的应变速率。

2.4.1 详细积分计算方法

在一个瞬态过程中，由于每个时刻的环境影响疲劳参量都在变化，即每个时刻的环境影响疲劳修正因子都是变化的，需要对每个时刻的环境影响疲劳修正因子Fen,i都进行计算。采用详细积分法对环境影响疲劳修正系数Fen计算时，需要先求出每个单位时刻的应变速率εA*=∆st/∆tA，并根据此时刻的其他参量值得到此时刻的瞬时环境影响疲劳修正因子Fen,i，进而可以累计求和得到该应力循环的总的环境影响疲劳修正因子是：

则对于每个疲劳配对的应力循环A和应力循环B，该配对的环境影响疲劳修正因子是：

本文用详细积分法计算得到的评定截面SCL1和SCL2的环境影响疲劳修正因子和相应的修正后的疲劳使用因子计算结果如表5和6所示。

表5 基于详细积分法的SCL1截面的环境影响疲劳计算结果Table 5 SCL1 section EAF calculation results based on detailed integral method.

表6 基于详细积分法的SCL2截面的环境影响疲劳计算结果Table 6 SCL2 section EAF calculation results based on detailed integral method.

2.4.2 简化计算方法

由于瞬时积分法对每个时刻的环境影响疲劳修正因子都进行计算，其工作量较大，在实际工程计算过程中可以采用简化方法计算。简化方法计算时，对于每个疲劳配对应力循环A和应力循环B，其对应的应变速率分别为：，应变速率的计算过程如图3所示。对于每个疲劳配对，环境影响疲劳修正因子Fen的取法为：

本文用简化法计算得到的评定截面SCL1和SCL2上的环境影响疲劳计算结果如表7和8所示。

图3 应变速率计算示意图Fig.3 Strain rate calculation.

表7 基于简化法的SCL1截面的环境影响疲劳计算结果Table 7 SCL1 section EAF calculation results based on simplified method.

表8 基于简化法的SCL2截面的环境影响疲劳计算结果Table 8 SCL2 section EAF calculation results based on simplified method.

2.5环境影响疲劳计算结果分析

通过本文3.4节对环境影响疲劳的修正因子Fen的计算，可以看出详细积分法和简化法计算所得的Fen值非常相近。此外，各个疲劳配对的简化计算法所得Fen值均小于详细积分法的数值，两种计算方法所得到的疲劳评定路径SCL1和SCL2的Fen计算结果比较如图4a和4b所示。

考虑疲劳评定路径SCL1和SCL2的环境影响疲劳使用因子的计算结果如图4c和4d所示。从图中可以看出对于SCL1评定截面，在考虑环境影响疲劳之前其疲劳累计使用因子为0.9041，满足ASME规范NB3200对循环载荷的疲劳要求。但是在考虑了环境影响疲劳之后，其疲劳累计使用因子为2.6170，即在考虑一回路水环境因素的作用下，截面SCL1处的寿命缩短为其在空气环境中的1/3并且不能满足ASME规范对循环载荷的疲劳使用因子的要求。对于SCL2截面，在考虑环境影响疲劳之前其疲劳累计使用因子为0.0167，在考虑了环境影响疲劳使用因子之后其疲劳累计使用因子为0.0441，虽然在考虑环境影响疲劳前后SCL2截面均能满足ASME规范对循环载荷的要求，但是考虑在一回路水环境作用下，SCL2截面处的寿命缩短为空气中的2.5倍左右。

图4 SCL1截面Fen环境影响修正系数(a)、SCL2截面Fen环境影响修正系数(b)、SCL1截面疲劳计算结果(c)和SCL2截面的疲劳计算结果(d)Fig.4 SCL1 section Fenfactor(a), SCL2 section Fenfactor(b), SCL1 section fatigue results(c) and SCL2 section fatigue results(d).

3 结论

本文选取疲劳分析较为严峻的压力容器接管作为分析对象，分别根据ASME第III卷NB-3200空气环境下和ASME Code Case N-792考虑环境影响下设备的疲劳使用因子进行计算。在进行环境影响疲劳计算时，分别采用详细积分法和简化法对一回路环境影响疲劳修正因子Fen进行计算，进而得出环境影响下设备的疲劳使用因子。根据本文的分析和计算结果可以得出：

(1) ASME第III卷附录中给出的设计疲劳曲线要比ASME Code Case N-792中给出的设计疲劳曲线保守，虽然ASME第III卷未考虑环境对设备疲劳的影响，但是其设计疲劳曲线具有相当的保守性。

(2) 分别根据ASME第III卷NB-3200和ASME Code Case N-792对本文所取模型进行空气环境下和考虑环境影响下的疲劳计算，计算结果表明在考虑了环境影响因素后本文所取评定截面上的疲劳使用因子大大高于空气环境下该评定截面上的疲劳使用因子。这说明ASME规范第III卷附录中的设计疲劳曲线的保守性不能将环境对疲劳的影响包络。

(3) 环境影响疲劳修正因子的简化法计算值与详细积分法相近但均比详细积分法略偏小，但可以作为工程计算时使用。

1 RG1.207. Guidelines for evaluating fatigue analyses incorporating the life reduction of metal components due to the effects of the light water reactor environment for new reactors[S]. U.S. Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC, 2007

2 ASME Code Case N-792. Fatigue evaluations including environment effects[S]. American Society of Mechanical Engineering, 2010

3 贺寅彪, 曹明, 姚伟达. 关于LWR设备设计中考虑环境对疲劳影响问题的探讨[J]. 核动力工程, 2011, 32(Supplemet 1): 35−39 HE Yinbiao, CAO Ming, YAO Weida. An overview of LWR environment assisted fatigue issues for primary components and piping of NPPs[J]. Nuclear Power Engineering, 2011, 32(Supplement 1): 35−39

Environmentally assistant fatigue analysis for LWR reactor vessel nozzle

SHEN Rui CAO Ming HE Yinbiao TAO Hongxin CHEN Meng
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Considering the EAF(Environment Assistant Fatigue) effect during the design status is a key issue for generation III nuclear power plant. Purpose: The calculation methodology of Fen(Environmentally Assistant Fatigue Factor) and strain ratio of ASME Code Case N-792 has been introduced in this paper. Methods: By creating 2D symmetry model of reactor pressure vessel nozzle, the environmentally assistant fatigue factor Fenand fatigue usage factor has been analyzed according Code Case N-792 with simplified and detailed integral methods. Results: The fatigue usage factor results of ASME-III which does not consider environmental effect and Code Case N-792 which consider the environmental effect have been compared and discussed. Conclusions: And the fatigue life considering Feneffect of SCL1 section will reduce to about 1/3 of the life in air condition while the fatigue life of SCL2 decrease 3/5.

Environment assistant fatigue, Pressure vessel, Code Case, N-792, LWR

TL351+.6

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040640

沈睿，男，1984年出生，2010年于华东理工大学获硕士学位，研究领域是反应堆结构力学

2012-11-30，

2013-01-20

CLC TL351+.6