考慮應(yīng)力腐蝕和輻照影響的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)貫穿噴嘴可靠性分析

范牡丹，姚源濤，雍 諾，夏冬琴，賀 晨，戈道川,*，汪建業(yè)

考慮應(yīng)力腐蝕和輻照影響的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)貫穿噴嘴可靠性分析

范牡丹1,2，姚源濤1，雍 諾1，夏冬琴1，賀 晨1,2，戈道川1,*，汪建業(yè)1

（1. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所，安徽 合肥 230031；2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026）

針對(duì)壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)合金600貫穿噴嘴故障，基于概率斷裂力學(xué)理論，進(jìn)行應(yīng)力腐蝕和輻照環(huán)境下的兩種失效模式（泄漏失效和斷裂失效）可靠性分析。首先構(gòu)建壽命預(yù)測(cè)模型，然后采用有限元仿真分析實(shí)際工況下的載荷響應(yīng)，最后利用廣義應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型計(jì)算可靠度。選取西屋控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)合金600貫穿噴嘴進(jìn)行案例分析，在95%置信度水平下，運(yùn)用蒙特卡洛仿真法預(yù)測(cè)兩種失效模式下的壽命區(qū)間，并開(kāi)展敏感性分析，以確定影響噴嘴壽命的重要參數(shù)。所提方法對(duì)堆內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的理論指導(dǎo)意義。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)合金600貫穿噴嘴；失效；蒙特卡洛仿真法：可靠性分析

核電廠(chǎng)運(yùn)行安全一直是各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。其中壓水堆作為主要在運(yùn)堆型，占投入運(yùn)行反應(yīng)堆類(lèi)型的65%[1]。堆芯、壓力容器、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Control Rod Drive Mechanism，CRDM）等組成了壓水堆一回路。近年來(lái)，隨著核設(shè)施相關(guān)服役年限進(jìn)一步增加，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)備老化和材料腐蝕成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，其中CRDM應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂被證明是最嚴(yán)重的問(wèn)題之一。

CRDM是反應(yīng)堆運(yùn)行控制和保護(hù)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要通過(guò)調(diào)整控制棒驅(qū)動(dòng)組件來(lái)控制反應(yīng)堆的安全性，在緊急情況下實(shí)施停堆操作[2]，其可靠性十分關(guān)鍵。CRDM組件長(zhǎng)期工作在高溫高壓、高輻照、水腐蝕等惡劣環(huán)境中，以初級(jí)水應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（Primary Water Stress Corrosion Cracking，PWSCC）為代表的組件斷裂和泄漏故障時(shí)有發(fā)生[3]，因此預(yù)測(cè)CRDM組件的壽命及可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

PWSCC是一種晶間裂紋機(jī)制，一旦開(kāi)裂將迫使設(shè)備停機(jī)和更換，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在過(guò)去幾十年中，蒸汽發(fā)生器管道，穩(wěn)壓器及CRDM滲透噴嘴，底部?jī)x器噴嘴[3]等主要涉核部件因發(fā)生PWSCC而失效。鎳基合金600是反應(yīng)堆冷卻劑邊界組件的典型材料，在使用鎳基合金600材料制造的CRDM組件中曾發(fā)現(xiàn)大量腐蝕裂紋[4]，研究發(fā)現(xiàn)滲透噴嘴中的腐蝕裂紋通常是由材料、金屬焊接的拉伸殘余應(yīng)力和腐蝕環(huán)境等[5]多重因素相互作用引起的。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同組件中PWSCC開(kāi)展了大量研究。顧正軍[6]等研究CRDM裂紋處的應(yīng)力強(qiáng)度因子。盧冠鵬[7]等通過(guò)有限元分析得出各種主要部件噴嘴的焊接殘余應(yīng)力分布，并通過(guò)參數(shù)分析研究?jī)?nèi)部焊接，外部載荷等因素對(duì)殘余應(yīng)力的影響。Bae[8]等根據(jù)現(xiàn)有反應(yīng)堆CRDM噴嘴的實(shí)際尺寸，建立噴嘴厚度和形狀比的變量，并研究該變量對(duì)噴嘴殘余應(yīng)力分布特性的影響。Garud[9]等人基于應(yīng)變率損傷模型對(duì)PWSCC起始時(shí)間進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)方程擬合。Garud等研究冷作對(duì)鎳基合金600的影響以及PWSCC起始時(shí)間的差異。Lee[10,11]等人使用擴(kuò)展有限元分析方法對(duì)PWSCC裂紋的萌生和生長(zhǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Kang[12]等使用應(yīng)變率損傷模型和有限元分析模擬裂紋生長(zhǎng)，比較在裂紋增長(zhǎng)過(guò)程中不同的裂紋驅(qū)動(dòng)力之間的差異；此外，還比較鎳基合金600材料在冷作，軋制退火下PWSCC的起始時(shí)間和裂紋尺寸。Kim[13]等研究考察各種幾何變量對(duì)反應(yīng)堆底部安裝儀表上穿透噴嘴殘余應(yīng)力和PWSCC裂紋生長(zhǎng)的影響，從評(píng)估適用性角度制定并驗(yàn)證了有限元?dú)堄鄳?yīng)力的分析程序。EPRI[14]開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單模型采用應(yīng)變率損傷模型（Strain Rate Damage Model，SRDM）定量評(píng)估CRDM噴嘴中應(yīng)力腐蝕壽命預(yù)測(cè)。NRC[17]采用堆芯損壞頻率CDF（Core Damage Frequency）確定性評(píng)估貫穿噴嘴破裂。

上述研究主要針對(duì)PWSCC下不同噴嘴組件的影響應(yīng)力腐蝕裂紋相關(guān)因素。目前，缺乏基于概率斷裂力學(xué)的壽命預(yù)測(cè)可靠性定量評(píng)估噴嘴模型。另一方面，EPRI、NRC等采用核電評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中確定性評(píng)價(jià)方法，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中組件的材料、載荷等參數(shù)具有不確定性，標(biāo)準(zhǔn)化的簡(jiǎn)化方法必然對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)噴嘴壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性產(chǎn)生影響，具有一定的局限性。

為解決上述問(wèn)題，本文首先構(gòu)建CRDM合金600貫穿噴嘴的極限狀態(tài)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上研究輻照對(duì)貫穿噴嘴材料斷裂韌度的影響；其次，對(duì)CRDM合金600貫穿噴嘴進(jìn)行實(shí)際工況下的載荷響應(yīng)模擬，采用有限元仿真技術(shù)，分析極限狀態(tài)函數(shù)中的未知參數(shù)（如等效應(yīng)力值）；最后，進(jìn)一步考慮模型參數(shù)隨機(jī)性影響，采用廣義應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論并結(jié)合蒙特卡洛仿真方法計(jì)算CRDM合金600貫穿噴嘴在95%置信度水平下，不同輻照條件下噴嘴斷裂可靠度為96%和50%時(shí)的壽命區(qū)間。

本文針對(duì)應(yīng)力腐蝕和輻照條件下控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)貫穿噴嘴進(jìn)行可靠性分析，所提方法對(duì)模型參數(shù)不確定性下堆內(nèi)構(gòu)件可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義，為CRDM組件的運(yùn)行管理、維護(hù)和更換提供理論依據(jù)。

1 壽命模型

1.1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程

裂紋擴(kuò)展過(guò)程由裂紋萌生階段、穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展階段和不穩(wěn)定的最終斷裂階段組成[15]。基于斷裂力學(xué)理論，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）過(guò)程可以描述如圖1中所示的3個(gè)階段。

圖1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程

本文重點(diǎn)關(guān)注CRDM合金600貫穿噴嘴構(gòu)件在應(yīng)力腐蝕階段的壽命及可靠性，則需要確定其失效的臨界狀態(tài)，將其定義為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程中裂紋達(dá)到第三階段的臨界值及泄漏率超過(guò)放射性反應(yīng)堆冷卻劑的指定限量。

1.2 極限狀態(tài)函數(shù)推導(dǎo)

基于斷裂力學(xué)理論，假設(shè)th為發(fā)生SCC的應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到th時(shí)，可以視為SCC發(fā)生的起點(diǎn)，其關(guān)系表達(dá)式[14]如式（1）：

式中：——應(yīng)力強(qiáng)度因子；

th——應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值。

當(dāng)＞th，即進(jìn)入SCC下穩(wěn)定發(fā)展階段。在僅考慮Ⅰ型裂紋條件下，為了減少外界因素對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響（如裂紋位置，裂紋尺寸等因素），引入修正因子，形成一種適用于進(jìn)入SCC下穩(wěn)定發(fā)展階段的應(yīng)力強(qiáng)度因子[16]，其表達(dá)式如式（2）：

式中：——修正因子；

——等效應(yīng)力；

——裂紋尺寸。

基于式（1）和式（2）得出初始裂紋尺寸0，如式（3）所示：

隨著時(shí)間推移，裂紋長(zhǎng)度是一個(gè)瞬態(tài)損傷過(guò)程，表達(dá)式如式（4）所示：

壓水堆PWSCC條件下合金600材料裂紋增長(zhǎng)速率其表達(dá)式[17]如（5）所示：

式中：g——裂紋增長(zhǎng)過(guò)程的熱活化能；

——通用氣體常數(shù)；

——裂紋位置處的絕對(duì)操作溫度；

ref——統(tǒng)一數(shù)據(jù)的絕對(duì)參考溫度；

——裂紋生長(zhǎng)速率系數(shù)；

——裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子；

th——SCC的應(yīng)力強(qiáng)度因子閾值；

——材料系數(shù)。

令：

式中：——裂紋擴(kuò)展參數(shù)。

基于式（5）和式（6）可以得到式（7）：

CRDM合金600貫穿噴嘴可靠性評(píng)估需要確定其失效的臨界狀態(tài)，將其定義為裂紋擴(kuò)展過(guò)程中應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到斷裂韌度及泄漏率超過(guò)規(guī)定的限量的臨界狀態(tài)。對(duì)于穿壁開(kāi)裂的噴嘴，考慮兩種失效模式[18]：破裂模式和泄漏模式，即：

和

式中：IC——斷裂韌度閾值；

——體積泄漏率；

li——體積泄漏率閾值；

表達(dá)式[18]如式（10）所示：

式中：D=-0。

則噴嘴功能極限狀態(tài)函數(shù)可定義為：

和

將式（2）代入式（7）中，得到裂紋增長(zhǎng)速率關(guān)于時(shí)間的微分方程，如式（13）所示：

解此微分方程，得到關(guān)于的函數(shù)表達(dá)式（14）所示：

將式（14）分別代入式（11）和式（12），斷裂極限狀態(tài)函數(shù)可表示為式（15）所示：

泄漏失效極限狀態(tài)函數(shù)可表示為式（16）所示：

2 可靠度與敏感性計(jì)算方法

針對(duì)壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件CRDM合金600貫穿噴嘴斷裂和泄漏失效的可靠性評(píng)估方法，本文采用的計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 CRDM合金600貫穿噴嘴可靠性評(píng)估流程

2.1 可靠度分析

考慮參數(shù)的不確定性，工況參數(shù)的分布特征通過(guò)仿真模擬獲得，材料參數(shù)的分布特征取其典型值作為樣本均值，變異系數(shù)取0.01～0.05[22]，采用蒙特卡洛法計(jì)算可靠度。

壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件CRDM合金600貫穿噴嘴失效概率由貫穿噴嘴所承受的焊接殘余應(yīng)力，中子注入量，裂紋尺寸等因素決定。失效概率f可通過(guò)變量的聯(lián)合概率密度函數(shù)在其失效域上的積分計(jì)算，表達(dá)式[15]如式（17）所示：

式中：=(1,2, …,x)——與噴嘴失效有關(guān)的隨機(jī)變量矢量；

()——變量矢量的聯(lián)合概率密度函數(shù)，取決于殘余應(yīng)力，中子注入量，裂紋尺寸等參數(shù)的隨機(jī)分布特性；

可靠度s計(jì)算表達(dá)式如式（18）所示：

2.2 敏感性分析

為分析參數(shù)對(duì)噴嘴可靠度帶來(lái)的影響，采用有限差分法中一階差分法進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，分析模型[22]如式（19）如示：

式中：VAmax——參數(shù)變量VA上限；

VAmin——參數(shù)變量VA下限；

R2——VAmax的可靠度；

R1——VAmin的可靠度。

2.3 參數(shù)分布特征

噴嘴極限狀態(tài)函數(shù)包括6個(gè)不確定性參數(shù)，分別為斷裂韌度IC，等效應(yīng)力，初始裂紋長(zhǎng)度0，體積泄漏率閾值li，材料系數(shù)，裂紋擴(kuò)展指數(shù)。

堆內(nèi)構(gòu)件中鎳基材料（含合金600）在彈塑性條件下，其斷裂韌度IC隨中子輻照劑量增加而不斷降低。文獻(xiàn)［19］給出了其與中子輻照劑量的關(guān)系曲線(xiàn)，如式（20）所示：

式中：——彈性模量；

——泊松比；

IC——裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力。IC可采用式（21）進(jìn)行計(jì)算[19]：

式中：——中子注入量。

式（21）為斷裂韌度數(shù)據(jù)的下包絡(luò)線(xiàn)，若選擇該值進(jìn)行可靠性評(píng)估將使得結(jié)果過(guò)于保守。若能考慮斷裂韌度的不確定性，將使得結(jié)果更為準(zhǔn)確。但目前缺乏鎳基材料在不同中子輻照劑量下斷裂韌度的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)［20］中部分金屬在高溫中子輻照環(huán)境下測(cè)試得到的斷裂韌度，結(jié)合文獻(xiàn)［18］中鎳基合金斷裂韌度服從三角分布，得到其概率密度為式（22）：

式中：——下限；

——上限；

——眾數(shù)（即出現(xiàn)概率最大的數(shù)）。

對(duì)于CRDM合金600貫穿噴嘴所受等效應(yīng)力和初始裂紋長(zhǎng)度0的分布特征，由不確定性仿真結(jié)果并結(jié)合式（3）計(jì)算得出。體積泄漏率閾值li，材料系數(shù)，裂紋擴(kuò)展指數(shù)采用正態(tài)分布表示，樣本均值取典型值，變異系數(shù)范圍在0.01～0.05[22,23]。

2.3.1 中子注入量參數(shù)

在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，中子注入量隨時(shí)間增加而累積[24]，可以用式（23）進(jìn)行計(jì)算：

d——原子位移閾值能量；

——輻照時(shí)間；

3 案例分析

3.1 案例描述

選取西屋反應(yīng)堆上部正中央的合金600貫穿噴嘴進(jìn)行案例分析，該案例對(duì)前面敘述的壽命模型與可靠性分析方法具有較好的適用性。下面將對(duì)其形狀，尺寸，材料以及輻射條件下的工況進(jìn)行詳細(xì)介紹：

正中央頂部的噴嘴焊接頭為J-groove形狀，呈軸對(duì)稱(chēng)。焊接頭傾斜角為20°，焊接端基部寬度7.6 mm，噴嘴形狀標(biāo)準(zhǔn)厚度為16.9 mm，半徑為51.6 mm[25]，具體如圖3所示。

圖3 J-groove焊縫幾何尺寸（單位：mm）

表1 J-groove焊接材料性能參數(shù)

3.2 仿真分析

從式（15）和式（16）所示的極限狀態(tài)函數(shù)可知，狀態(tài)方程均與噴嘴所受到的等效應(yīng)力有關(guān)。利用ANSYS進(jìn)行實(shí)際工況下的載荷響應(yīng)有限元仿真分析，獲得CRDM合金600貫穿噴嘴所受的等效應(yīng)力值。根據(jù)CRDM合金600貫穿噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性建立有限元模型（見(jiàn)圖4），選擇solid 186單元進(jìn)行自動(dòng)劃分網(wǎng)格并對(duì)必要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化。

鑒于中心的CRDM合金600貫穿噴嘴是軸對(duì)稱(chēng)，為便于計(jì)算，選取其1/4進(jìn)行建模，焊接過(guò)程中選最大主應(yīng)力為驅(qū)動(dòng)合金 600貫穿噴嘴上PWSCC裂紋[26]的等效應(yīng)力值。此案例分析采用的基本條件、簡(jiǎn)化和假設(shè)[27]如下：

（1）J-groove焊接部分假設(shè)兩次焊接通過(guò)，使用2D模型模擬輸入載荷，焊接元件使用峰值溫度約為1 926 ℃，相鄰母材使用峰值溫度約為1 093 ℃。

（2）焊接元件熱輸入：在0.7 s內(nèi)熱輸入率從零線(xiàn)性增加到約2 800 kJ/m2，最大熱輸入速率均勻保持1.1 s，在0.5 s期間熱輸入速率線(xiàn)性降低至零。

圖4 CRDM合金 600貫穿噴嘴等效應(yīng)力云圖

（3）制造和安裝靜水壓測(cè)試，壓力通過(guò)一系列裝載和卸載程序施加，反應(yīng)堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）的操作條件如表2所示。

表2 RPV的操作條件

CRDM合金600貫穿噴嘴的材料參數(shù)因加工技術(shù)，儀器或讀數(shù)取值而產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。為了描述不可避免的誤差，需要在確定性仿真分析基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮輸入?yún)?shù)的隨機(jī)分布，進(jìn)行不確定性仿真分析。在工程應(yīng)用中通常規(guī)定材料彈性模量服從正態(tài)分布（變異系數(shù)取0.05），泊松比服從正態(tài)分布（變異系數(shù)取0.5）和密度值服從正態(tài)分布（變異系數(shù)取0.05）[28]。當(dāng)材料各參數(shù)的均值已知時(shí)，根據(jù)變異系數(shù)可求得各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

確定各輸入?yún)?shù)的分布后，利用蒙特卡洛仿真法進(jìn)行參數(shù)抽樣，將抽樣數(shù)據(jù)代入確定性仿真模型，重復(fù)載荷-響應(yīng)計(jì)算，模擬計(jì)算得到等效應(yīng)力的分布函數(shù)，其結(jié)果基本符合正態(tài)分布，平均值為196 MPa和標(biāo)準(zhǔn)差為3.1 MPa。通過(guò)式（3）可得到初始裂紋基本符合正態(tài)分布，均值為 0.672 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.022 mm。

3.3 可靠性分析

根據(jù)獲得的CRDM合金600貫穿噴嘴可靠性模型涉及的材料參數(shù)信息以及仿真得到工況參數(shù)信息，噴嘴可靠性計(jì)算所需的確定性參數(shù)值如表3所示。在不確定性分析中，蒙特卡洛仿真方法參數(shù)抽樣1×105次，結(jié)果如表4所示。

表3 壽命預(yù)測(cè)中確定變量

表4 預(yù)測(cè)中的不確定變量及其分布

續(xù)表

在沒(méi)有輻照影響的條件下，根據(jù)應(yīng)力腐蝕壽命預(yù)測(cè)模型［式（15）和（16）］，計(jì)算出合金600貫穿噴嘴的確定性應(yīng)力腐蝕壽命約為40.67年和10.58年。進(jìn)一步考慮參數(shù)的不確定性，從工況參數(shù)中選擇應(yīng)力幅值和初始裂紋長(zhǎng)度，通過(guò)仿真計(jì)算得到其分布特征；選取體積泄漏率閾值、材料系數(shù)、裂紋擴(kuò)展指數(shù)、斷裂韌度作為材料參數(shù)的不確定參數(shù)。使用MCS法（采樣次數(shù)為1×105）獲得合金 600 貫穿噴嘴的可靠性曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 無(wú)輻照下的可靠度曲線(xiàn)

Fig.5 Reliability curves without irradiation

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)合金600貫穿噴嘴在實(shí)際操作中受到中子輻照的影響，使得材料的斷裂韌度下降。同時(shí)考慮到參數(shù)在實(shí)際工況下的隨機(jī)性，開(kāi)展在不同中子輻照劑量條件下噴嘴應(yīng)力腐蝕可靠性（見(jiàn)圖6）及其壽命不確定分析，計(jì)算在95%置信度水平下，不同輻照損傷下可靠度為96%和50%時(shí)的壽命置信區(qū)間，計(jì)算結(jié)果如圖7和表5所示。

圖6 不同輻照下斷裂失效的可靠度曲線(xiàn)

當(dāng)可靠度s約為0.96時(shí)，高中子輻照劑量24 dpa 下的應(yīng)力腐蝕壽命比不考慮中子輻照影響的應(yīng)力腐蝕壽命低70%左右，其中在中子注入量24 dpa下的壽命為6年，中子注入量7 dpa下的壽命為8年，不考慮輻照影響的壽命為20年。因此，有必要考慮輻照在噴嘴應(yīng)力腐蝕可靠性分析中的影響，對(duì)提高壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性有一定的幫助。

從圖5和圖6中可以得出泄漏失效發(fā)生在斷裂失效之前，這符合泄漏在開(kāi)裂之前（Leak before crack，LBB）準(zhǔn)則[29]，該準(zhǔn)則被廣泛用于核電廠(chǎng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)泄漏來(lái)警示工作人員防止相關(guān)堆內(nèi)構(gòu)件突然失效。

圖7 不同輻照劑量下斷裂失效壽命的頻率直方圖：（a）24 dpa，Rs = 0.96；（b）24 dpa，Rs = 0.5；（c）7 dpa，Rs = 0.96；（d）7 dpa，Rs = 0.5；（e）0 dpa，Rs = 0.96；（f）0 dpa，Rs = 0.5

Fig 7 Frequency histogram of rupture failure life under different irradiation doses

表5 不同輻照劑量下斷裂失效壽命的置信區(qū)間計(jì)算結(jié)果

3.4 敏感性分析

圖8 泄漏失效中參數(shù)敏感性曲線(xiàn)

圖9 斷裂失效中參數(shù)敏感性曲線(xiàn)

4 結(jié)論與展望

本研究基于概率斷裂力學(xué)理論，在應(yīng)力腐蝕和輻照條件下對(duì)壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)合金600貫穿噴嘴故障進(jìn)行可靠性分析。在分析過(guò)程中，考慮兩種失效模式，并利用MCS法進(jìn)行噴嘴壽命預(yù)測(cè)。

研究結(jié)果表明：

（1）從圖5中可以看出，在不考慮中子輻照影響下斷裂失效壽命比泄漏失效壽命長(zhǎng)，如在可靠度為s≈0.96時(shí)，泄漏失效壽命約為6年，無(wú)輻照下斷裂失效壽命約為20年，噴嘴壽命分析結(jié)果符合LBB的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

（2）從圖6可以看出，考慮中子輻照獲得的噴嘴應(yīng)力腐蝕斷裂壽命比不考慮中子輻照的要低；且隨著中子注入量的增加，噴嘴的壽命不斷降低。在可靠度s≈0.96時(shí)，其中不考慮輻照影響的壽命為20年，中子注入量7 dpa下的壽命為8年，中子注入量24 dpa下的壽命為6年（在95%置信度水平下）。說(shuō)明輻照對(duì)噴嘴構(gòu)件壽命的影響很大。

（3）在工況參數(shù)和材料參數(shù)的不確定性影響方面，對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)噴嘴可靠度影響較大的參數(shù)是材料系數(shù)和等效應(yīng)力，其他參數(shù)影響較小。

正常運(yùn)行工況下，考慮兩種失效模式有助于提高對(duì)壓水堆堆內(nèi)構(gòu)件CRDM合金600貫穿噴嘴整體壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，有利于維修周期的合理規(guī)劃，避免只對(duì)一種失效模式進(jìn)行維修規(guī)劃，而實(shí)際上噴嘴在維修之前就已經(jīng)發(fā)生了另一種模式失效。

致謝

感謝中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)研究所公共技術(shù)中心提供測(cè)試平臺(tái)。

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Reliability Analysis of the Control Rod Drive Mechanism Penetration Nozzle Considering the Effects of Stress Corrosion and Irradiation

FAN Mudan1,2，YAO Yuantao1，YONG Nuo1，XIA Dongqin1，HE Chen1，GE Daochuan1,*，WANG Jianye1

（1. Institute of Nuclear Energy Safety Technology，Hefei Institutes of Physical Science，Hefei of Anhui Prov. 230031，China；2. University of Science and Technology of China，Hefei of Anhui Prov. 230026，China）

Two failure scenarios (leakage failure and fracture failure) during stress corrosion and irradiation were developed based on probabilistic fracture mechanics to examine the reliability of the PWR control rod drive mechanism (CRDM) alloy 600 penetration nozzle. The load response was examined using finite element model in real-world settings after the life prediction model was built. Finally, the reliability was calculated using the generalized stress-strength interference model. For the case study, the alloy 600 nozzle from the Westinghouse model was used. At 95% confidence level, a Monte Carlo simulation (MCS) approach was used to forecast the life intervals of two failure modes, and a sensitivity analysis was performed to identify the key parameters impacting the nozzle’s life. The proposed method has certain significance for the optimization design of components.

CRDM alloy 600 penetration nozzle; Failure; MCS; Reliability analysis

TL99TL421

AA

0258-0918（2023）03-0668-11

2022-04-25

核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行基金，6142A07180211；國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 71901203）；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（No. 2022M713186）；中國(guó)科學(xué)院合肥研究院院長(zhǎng)基金（YZJJ2022QN38）

范牡丹（1997—），女，安徽黃山人，碩士研究生，現(xiàn)從事反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件可靠性分析相關(guān)方面研究

戈道川，E-mail：daochuan.ge@inest.cas.cn