ASME-Ⅲ-5高温1级部件分析设计方法的改进方向探讨.pdf
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1、第 卷第期原子能科学技术V o l ,N o 年月A t o m i cE n e r g yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA p r A S ME 高温级部件分析设计方法的改进方向探讨刘正奇,高付海(中国原子能科学研究院 核工程设计研究所,北京 )摘要:A S ME规范第卷第册(简称A S ME )提供了核级部件在高温下使用的设计分析方法和评定准则.本文对高温的定义进行简介,对A S ME规范核级部件在高温下考虑的设计载荷、失效机制、设计分析方法以及评定准则的特点进行总体介绍.通过对A S ME规范与其他高温规范R、R C C MR x、MON J
2、 U在基于损伤模式下的载荷控制应力限制和变形控制限制的分析方法及准则进行对比,探究A S ME规范在分析方法准则中的优势与局限性,得出A S ME规范传统采用的基于应力分类的弹性分析法表现优异,但由于本身固有特性并不能完美解决规范所含括的各个失效机制的结论,提出若干项改进A S ME 高温级部件设计规范的方法.本文指出的A S ME 可改进方向可进一步提高规范发展使用的先进性、经济性和安全性,同时对开发构建我国自主化的核承压高温使用级部件设计规范具有指导作用.关键词:A S ME规范;高温;分析设计方法;载荷控制的应力限制;变形控制限制中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:
3、;修回日期:通信作者:高付海d o i:/y z k y o u x i a n D i s c u s s i o no nI m p r o v e m e n tA s p e c t o fD e s i g n b y a n a l y s i sM e t h o do fA S ME C l a s s H i g hT e m p e r a t u r eC o m p o n e n tL I UZ h e n g q i,GAOF u h a i(D e p a r t m e n t o fN u c l e a rE n g i n e e r i n gD e s
4、 i g n,C h i n a I n s t i t u t eo fA t o m i cE n e r g y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:D i v i s i o no f t h eA S MEc o d es e c t i o n(r e f e r r e dt oa sA S ME )p r o v i d e sd e s i g n b y a n a l y s i sm e t h o d s a n de v a l u a t i o nc r i t e r i a f o rC l a s s n u
5、c l e a r c o m p o n e n t sw o r k i n ga th i g ht e m p e r a t u r e s I th a sa l o n gh i s t o r ya n d i s t h em a i n i n t e r n a t i o n a l d e s i g nc o d ef o rh i g ht e m p e r a t u r en u c l e a re q u i p m e n t I t t o o kt h el e a di na d o p t i n gt h e i d e ao fs t r
6、e s sc l a s s i f i c a t i o na n df i r s t i n t r o d u c e dt h ec o n c e p t so fp r i m a r ys t r e s s,s e c o n d a r ys t r e s sa n dp e a ks t r e s s,w h i c hh a daf a r r e a c h i n gi m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to fs u b s e q u e n to t h e rh i g ht e m p e r a t u r
7、ed e s i g nc o d e s H o w e v e r,w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t a t i o n a lm e t h o d s,h i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t e rt e c h n o l o g y,c o mm e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n dh i g h t e m p e r a t u r e i n e l a s t i c a n a
8、 l y s i sm e t h o d s,t h e r e s u l t sd e r i v e d f r o me l a s t i c a n a l y s i sa n dt h ee v a l u a t i o no fs t r e s sc l a s s i f i c a t i o nu s e db y A S ME a sa m a i n s t r e a m m e t h o de x i s t t h e l i m i t a t i o no fo v e r l yc o n s e r v a t i s ma n dt h u
9、si n s u f f i c i e n td e s i g ne c o n o m y T h i sp a p e r f i r s t i n t r o d u c e dt h ed e f i n i t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o na n dt h e i n s i g n i f i c a n tc r e e pt e m p e r a t u r e,a sw e l l a st h ed e s i g nl o a d s,f a i l u r em e c h a n i
10、 s m s,d e s i g n b y a n a l y s i sm e t h o d s,a n de v a l u a t i o nc r i t e r i ao fA S MEc o d ef o rn u c l e a rC l a s sc o m p o n e n t sa th i g ht e m p e r a t u r e T h e n,b yc o m p a r i n gt h ea n a l y s i sm e t h o d sa n dc r i t e r i ao fp r i m a r yl o a dl i m i t a
11、 n dd e f o r m a t i o nc o n t r o l l i m i t o fA S MEw i t ho t h e rh i g h t e m p e r a t u r e c o d e s,s u c ha sR,R C C MR xa n dMON J U(w i t ho rw i t h o u tc o n s i d e r a t i o no f t h et i m ed e p e n d e n c eo fc r e e p),t h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n so fA
12、 S MEa n a l y s i sm e t h o d sa n dc r i t e r i aw e r ee x p l o r e d E a c hc o d eh a s i t sd i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i c B r i t i s hR c o d e f o c u s e so nt h e r e f e r e n c es t r e s sm e t h o da n d t h e a p p l i c a t i o no f l i m i t a n a l y s i s F r e n
13、c hR C C MR xc o d e i s i n t h es a m e l i n e a g ew i t hA S ME,b u td i s t i n g u i s h e sb e t w e e ns i g n i f i c a n t/i n s i g n i f i c a n tc r e e pa n ds i g n i f i c a n t/i n s i g n i f i c a n ti r r a d i a t i o ne f f e c t s J a p a n e s e MON J U c o d ed i s t i n g
14、u i s h e st h el o n g t e r ml o a df r o ms h o r t t e r ml o a d,s u c ha ss e i s m i c l o a d L o n g t e r ml o a d sa n ds h o r t t e r ml o a d sa d o p td i f f e r e n t l i m i t st oa v o i do v e r l yc o n s e r v a t i s m I t i sc o n c l u d e dt h a tt h ee l a s t i ca n a l y
15、 s i sb a s e do n t h e s t r e s s c l a s s i f i c a t i o n t r a d i t i o n a l l ya d o p t e db y t h eA S MEc o d ei se x c e l l e n t,b u t i t c a n n o tp e r f e c t l yc o p ew i t ht h ea l l t h ec o d e c o n s i d e r e df a i l u r em e c h a n i s m sd u et oi t si n h e r e n
16、tc h a r a c t e r i s t i c s T h e r e f o r e,s e v e r a lm e t h o d sa r ep r o p o s e da sa l t e r n a t i v e m e t h o d s f o rt h e A S ME i m p r o v e m e n t T h e p o i n t e d o u t d i r e c t i n gi m p r o v e m e n t a s p e c t so fA S ME e n a b l et oe n h a n c et h ea d v
17、a n c e m e n t,e c o n o m ya n ds a f e t yo f t h ed e v e l o p m e n t a n du s eo fA S ME,w i t ht h es c i e n t i f i c i n t e g r a t i o no f t h e t r a d i t i o n a ld e s i g no fp r e s s u r ev e s s e l sa n dt h en e we r ao f c o m p u t a t i o n a l a n a l y s i s t e c h n o
18、l o g y A t t h es a m e t i m e,t h i ss t u d ya l s oh a s i m p o r t a n tg u i d i n gv a l u ef o r t h ed e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o no fC h i n e s ei n d e p e n d e n td e s i g nc o d ei nn u c l e a rC l a s sh i g ht e m p e r a t u r ep r e s s u r e b e a r i n gc
19、o m p o n e n t s K e yw o r d s:A S MEc o d e;h i g ht e m p e r a t u r e;d e s i g n b y a n a l y s i s;p r i m a r yl o a dc o n t r o ll i m i t;d e f o r m a t i o nc o n t r o l l i m i t核压力容器高温设计规范的提出是为了核设施部件在高温下使用时有统一的设计分析评定准则,它的完善和发展与科学技术的进步、人们对失效模式的认识联系紧密,理想情况下核压力容器高温设计规范应包括:高温的定义,考虑的设计载
20、荷与失效标准,设计准则及评价.目前国内核承压设备设计使用的主流规范是A S ME,其在 年首次颁布,该规范在力学评价弹性分析中首次提出了应力分类法的思想,为后续压力容器力学评价的弹性分析方法奠定了基础,影响深远.年正式发布的A S M E规范第卷第册(简称A S M E )是研究核容器中关于高温环境运行下的规范,综合了A S ME自 年以来高温设备设计规范的主要成果 ,涉及蠕变、热老化等失效机制,提供了核级部件设计规则.此外随着时间的发展,国际上许多其他国家核工业因为不同的需求和侧重,也诞生了各自的核承压设备高温设计规范,且各有所长,著名的如:英国R 规程,注重参考应力法和极限分析的应用;法国
21、的R C C MR x规范,与A S ME一脉相承,但区分蠕变显著/不显著、辐照显著/不显著,更加细化;日本的MON J U规范 ,注重地震引起的失效和长/短期载荷作用对不同失效机制的影响.随着当下计算方法、计算机高性能计算技术、商用有限元软件和高温非弹性分析方法技术的快速发展进步,相较而言,A S ME规范传统采用的作为主流的基于弹性分析的应力分类评价方法本身存在结果过于保守、设计经济性不够等局限性.本文通过对比A S ME 与国际上其他主流设计规范或规程,基于损伤模式下载荷控制的应力限制和变形控制限制分析方法及准则,探讨A S ME 规范在分析方第期刘正奇等:A S ME 高温级部件分析设
22、计方法的改进方向探讨法准则中的优势与局限性,吸收其他规范技术强项,提出若干项改进A S ME 高温级部件设计规范的方法,指出A S ME 高温规范改进的方向,以进一步提高规范发展使用的经济性和安全性.A S M E 设计方法准则的总体考虑 理想高温及A S ME规范高温定义理想情况下,核反应堆运行环境中的高温指的是温度的一个工作范围,在此范围内,即使在低于屈服强度的理论稳定载荷作用下,与时间有关的热激活变形和损伤过程也可以成为影响承载部件稳定性的重要因素.由于时间相关性是温度的平滑函数,没有可以清晰区分时间相关和时间无关行为的界限,因此对于特定的材料和使用条件,可以定义一个温度限制即高温条件,
23、低于该限制时,温度影响可以忽略不计.此温度限制可以确定为时间相关性首次达到显著标准的阈值温度.高温条件的定义不唯一,需依据规范考虑的失效模式和设计寿命综合决定,达到或高于高温条件需要考虑时间相关的热激活变形和失效,如热老化、蠕变等,低于时可以忽略时间相关性影响.A S M E规范有高温使用温度和不显著蠕变温度的定义,也给出了与时间、温度相关的材料许用应力限制Sm t.对铁素体钢温度超过 ()或奥氏体温度超过 ()时,要考虑蠕变,否则可以忽略.A S ME 关于不显著蠕变的定义是模糊的,交由设计师自行判断,但可以参考附录T中T e s t A 试验给定的明确标准,即当蠕变断裂的时间使用分数为 或
24、更小,且累积蠕变应变小于限制的 时,蠕变可认为不显著.A S ME 关于设计载荷的考虑A S ME 有关于不同载荷的分类和处理,包含了设计载荷、正常工作载荷、经常出现的异常载荷、罕见异常载荷、极限故障载荷(分别对应规范的设计,A、B、C、D级使用限制)以及试验载荷,载荷类型可分为机械载荷(如自重、内压、外压、地震、流体动力载荷、接管载荷等)、热载荷(如温度引起的热应力)和热机循环载荷,不同载荷或组合引起不同的失效机制,如机械载荷一般引起载荷控制的一次应力失效(即载荷控制的应力限制),热载荷一般引起变形控制的二次应力,热机循环载荷引起变形控制的安定棘轮和疲劳失效(即变形控制限制).A S ME
25、关于失效机制及准则的考虑在A S ME 设计准则中涉及的失效机制分为单一载荷、循环载荷、蠕变相关的失效,包括:单一载荷下的极限垮塌,单一载荷下的结构不稳定或屈曲;循环载荷下的疲劳失效,棘轮作用导致的渐进坍塌;高温运行下的特定失效包括蠕变断裂、增强蠕变、蠕变屈曲、蠕变疲劳、弹性跟随效应.通过免责声明进行说明的有:单一载荷时的过度变形;稳定载荷下的蠕变产生过度变形;由于腐蚀、传质现象等导致压力边界坍塌或破裂;辐照效应.A S ME 以详细表格的形式总结提供了如何使用设计规范来处理各种失效机制,其中的重点是 册不允许对载荷控制的应力限制(即一次应力限制)进行高温非弹性分析,D级载荷除外.其载荷控制的
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