屏蔽主泵電機殼體斷裂韌性評估

周文霞,夏迪,鐘云

(上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233)

屏蔽主泵電機殼體斷裂韌性評估

周文霞,夏迪,鐘云

(上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233)

屏蔽主泵是第三代非能動核電廠中的關鍵動設備,其電機殼體采用了易發生低溫脆化的SA 508,Grade 1 材料,需要開展斷裂韌性評估,本文從試驗和計算分析角度對該材料進行斷裂韌性評估,對比國內外制造廠試驗得出的參考無延性轉變溫度.結果表明,國內制造廠還需進一步進行制造工藝的技術攻關,同時,對國內制造廠研制的材料按照ASME 附錄G進行斷裂韌性評估.分析結果表明,其斷裂韌性滿足要求,采用該方法進行評估,在保證安全評價可靠的前提下,促進了材料的國產化.

屏蔽主泵;電機殼體;斷裂韌性;參考無延性轉變溫度

在核電站中,承壓容器通常采用鐵素體低合金鋼,這些材料由于存在低溫脆化現象,其斷裂韌性評估應用比較廣泛,而目前國內在運核電廠中的主泵普遍采用軸封泵結構形式,其壓力邊界很少用到類似材料,因此其斷裂韌性也很少有人關注.但隨著第三代核電技術非能動核電廠采用屏蔽電機主泵,作為其主要壓力邊界之一的電機殼體采用SA 508,Grade 1 材料,該材料同樣也存在低溫脆化現象,其斷裂韌性評估也越來越受人關注.本論文從試驗及分析計算兩個方面對屏蔽主泵電機殼體的斷裂韌性開展評估.

1 屏蔽電機主泵及電機殼體結構及功能介紹

第三代核電技術非能動核電廠中的屏蔽電機主泵是一種單級、單吸、無軸封、高轉動慣量、立式離心屏蔽電機泵,為核安全1級設備,用于輸送高溫、高壓反應堆冷卻劑,并冷卻堆芯.其結構示意圖如圖1所示.泵由泵殼、吸入導管、葉輪和導葉等組成,電機置于泵下部,泵殼和電機殼體采用Canopy密封結構用主螺栓連接組成一密封的整體.電機內部設有轉子屏蔽套和定子屏蔽套,轉子屏蔽套用于隔離冷卻劑與轉子銅條,定子屏蔽套用于隔離電機繞組和鐵芯.

電機殼體作為屏蔽主泵壓力邊界之一,其主要作用是包容反應堆冷卻劑,屬于核1級部件.由于屏蔽主泵電機內部冷卻劑被定子屏蔽套隔離,正常情況下,電機殼體不與冷卻劑接觸.

2 落錘試驗與沖擊試驗

圖1 屏蔽主泵示意圖

無延性轉變溫度(TNDT)和參考無延性轉變溫度(RTNDT)是進行彈塑性力學評價的重要指標參數,對核電主回路壓力邊界部件(如電機殼體)的評價起重要作用.目前我國在按照ASME-BPVC規范采購核電站主回路設備時,均要求按ASTM E208標準進行落錘試驗,以測定TNDT,并在TNDT的基礎上結合沖擊試驗結果確定參考無延性轉變溫度RTNDT.ASME-BPVC第Ⅲ卷第1冊NB2320給出了確定RTNDT的沖擊試驗規程.

TNDT指的是落錘試驗出現破裂的最高溫度.沖擊試驗以3個試樣為一組,沖擊試驗溫度Tcv1=TNDT+33℃,如果斷裂吸收能量和側向膨脹滿足要求,則RTNDT=Tcv1- 33℃=TNDT,否則取另一組沖擊試樣進行試驗,試驗溫度Tcv2=Tcv1+5℃,如果滿足上面條件,RTNDT=Tcv2- 33℃,否則按5℃間隔提高試驗溫度,直至試驗結果滿足要求,RTNDT=Tcv-33℃.對于國外進口的電機殼體原材料,沖擊試驗結果表明電機殼體的RTNDT=-50℃,而對于國內制造廠研制的電機殼體原材料,試驗結果表明電機殼體的RTNDT=-21℃.

表1 計算各工況下屏蔽主泵電機殼體最低使用溫度的輸入

除上述通用要求外,對于名義厚度大于64mm的泵類材料(如屏蔽主泵電機殼體材料),ASME-BPVC第Ⅲ卷第1冊NB 2332中還規定了最低使用溫度應不小于RTNDT+56℃.最低使用溫度是指部件所包容流體的最低溫度,或者在正常運行期間,一旦在部件內壓力超過預運行系統水壓試驗的20%時,計算體積所期望的平均金屬溫度.由下表1計算各工況下屏蔽主泵電機殼體最低使用溫度的輸入,可保守估算電機殼體的最低使用溫度為21℃(如表1).

由此可知,對于電機殼體RTNDT應至少為-35℃,而國內制造廠的研制材料離該要求還有一定的差距.

3 電機殼體結構完整性中的斷裂韌性評價

隨著線彈性斷裂力學的發展,在結構完整性評價中引入了應力強度因子KI,并在材料韌性評定指標中定義靜態斷裂韌性KIc,它是準靜態加載條件下裂紋起裂時的應力強度因子KI的臨界值,用于表征材料抵抗脆性斷裂的能力,即在確定的裂紋尺寸下,應力隨著外加載荷的增加而增大,當裂紋前緣區域的應力增大到一定程度,裂紋擴展速率突然加快(此種狀態稱quot;失穩擴展quot;)而發生脆性斷裂,這時的應力強度達到一個臨界值,定義為KIc,其量綱為[應力][裂紋長度]1/2,即MPa.m1/2.因此,斷裂韌性KIc是材料存在裂紋情況下衡量材料性能的新指標,它是判斷材料有裂紋時是否發生低應力脆性斷裂的新判據,即KIlt;KIc時材料不會發生脆性斷裂,KI≥KIc時材料發生脆性斷裂.目前,用于確定韌脆轉變區的斷裂韌性KIc的方法通常采用ASME曲線法.在ASME-BPVC NB 3211中規定,為防止無延性斷裂,可采用類似于附錄G中給出的方法對使用工況和試驗工況進行評定.在ASMEBPVC 2008補遺中,給出RTNDT的公制公式為:KIc=36.5+22.783exp[0.036(T-RTNDT)].關系曲線如圖2所示.

按照ASME附錄,非強制性附錄 G-2120 的最大假想缺陷為垂直與最大應力方向(縱向)的尖銳表面缺陷.對于屏蔽主泵電機殼體截面厚度為107.5mm(大于100mm),假設該缺陷深度為a=0.25Xt=26.875mm,長度為L=1.5t=161.25mm,裂紋示意圖如圖3所示.

圖2 KIc與(T-RTNDT)的關系曲線

圖3 裂紋示意圖

3.1 應力強度因子計算

(1)薄膜拉伸應力引起的KIm計算

殼體內部壓力:表1中各工況下的RCS壓力

殼體內半徑:Ri=647.5mm

殼體壁厚:t=107.5mm

對于一外側軸向表面缺陷,當102mmlt;tlt;305mm時,Mm=0.0282t1/2

對于一內側軸向表面缺陷,當102mmlt;tlt;305mm時,Mm=0.0293t1/2

(2)徑向溫度梯度引起的KIt

表2 各工況下的屏蔽主泵電機殼體RTNDT

3.2 安全要求

需要滿足的要求如下.

(1)對于假想的軸向外表面缺陷,根據ASME附錄,非強制性附錄G,設計工況和運行工況下,水壓試驗工況下,

(2)對于假想的軸向內表面缺陷,根據ASME 附錄G,設計工況和運行工況下,2KImlt;KIc,水壓試驗工況下,1.5KImlt;KIc.屏蔽主泵電機殼體的臨界應力強度因子KIc應不低于上述(1)和(2)的較大值.

3.3 計算結果

根據上述計算過程,計算出三種工況下的RTNDT值要求如表2所示.從表中結果看出,對于國內制造廠研制的電機殼體材料,其斷裂韌性能滿足附錄G的要求.

4 結語

本論文借鑒核電廠壓力容器的斷裂韌性評估經驗,對首次應用于商用核電站中的大功率屏蔽主泵電機殼體開展了斷裂韌性評估.從分析計算角度,采用常用的ASME曲線法,按照ASME附錄,非強制性附錄G的分析要求,結合屏蔽主泵電機的實際工況,對屏蔽主泵電機殼體的結構完整性進行評估,分析結果表明,國內制造廠研制的材料不會發生脆性斷裂.這在保證安全評價可靠的前提下,促進了材料國產化.

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TL341

A

1671-0711(2017)11(下)-0107-03