压力容器用钢辐照脆化评估方法比较

?必威动态 ????|???? ?2019-07-25 11:09


  压力容器用钢辐照脆化评估方法比较张晓中30多年的努力,在脆性转变温度区域预测压力容器用钢的断裂韧性仍然存在较大的不确定性。通过比较现有的评价材料断裂韧性的方法,对近些年发展起来的特征曲线法的理论基础提出质疑,指出传统的参照脆性转变温度的断裂韧性曲线法是建立在较坚实的物理基础之上,虽然常被认为过于保守,却是可靠的。通过对单相组织和多相组织断裂韧性试验结果的分析,强调在理论和实践上解决解理断裂韧性不确定性的出路在于对解理断裂物理过程的认识和评价方法的改进。
  6:A阶段2的目标是要证明新技术条件下生产的钢材和焊缝能够具有较高的抗辐照脆化能力。于1976年启动了"中子辐照条件下RPV用钢性能研究"项目,到1983年结束。得出以下主要结论:
  ①减少铜和磷的含量可以改进钢的抗辐照脆化性能;冲击韧性上平台能量并不因辐照而有规律地降低;
  ③USNRC于实验堆加速辐照试验的结果提出来的,与辐照监督试验结果有差别,有必要重新修订。
  通过这一阶段的工作,在断裂力学应用方面也取得了进展。
  阶段3的工作,旨在优化RPV监督大纲和相关的分析方法。断裂力学定量分析的方法得到广泛应用。
  阶段4的工作,目标是为RPV材料监督提供一个可行的导则,对采用小试件获得断裂韧性的方法进行评价。从1996年开始题为"保证RPV完整性"的研究项目,到1999年结束。
  通过这一阶段的工作,确定了冲击韧性与断裂韧性的一致性;采用少量试件得到断裂韧性的"特Curve)法的应用受到关注。
  上述研究结果支撑将RPV评价由原来采用的冲击韧性转变温度法改为更切合实际的断裂力学方法,但技术细节还需要进一步推敲。于是,2000年启动了"应用辐照监督结果评价RPV完1前言在核电厂运行过程中,有多种因素促使反应堆压力容器材质性能退化。其中,中子辐照是促进材质脆化的最重要因素。过去30多年来,由国际原子能机构技术工作组协调进行的RPV辐照脆化研究项目,代表了国际核工程领域对反应堆压力容器用钢辐照脆化现象的认识过程和水平。迄今为止,这方面的研究进行了5个阶段,研究成果已经反映在现行的法规、导则或试验规范当中。首先对这过程作简要回顾。
  阶段1的工作从1971年开始,有捷克斯洛伐克、丹麦、联邦德国、法国、日本、瑞典、英国和美国等8个IAEA成员国参与,制订了"反应堆压力容器用钢辐照脆化"研究纲要,确定使用美国炭化物企业生产的A533B-1作为钢材。
  研究的主要目标是:
  ①建立描述辐照脆化的基础,确定中子谱、通量和力学性能测量使用标准化的方法,使各国的研究具有可比性;以钢材为基准,比较各国钢材的辐照脆化敏感性。
  辐照试验是在9个反应堆中完成的,每个堆的中子谱和通量都单独进行评估。压力容器并对每个类别的压力容器在设计、制造过程,以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。压力容器已实施进口商品安全质量许可制度,未取得进口安全质量许可证书的商品不准进口。在力学性能试验程序和实验结果评价方面,取得了一致的结论,实验结果中的较小差别被认为是中子测量不确定性造成的。
  整性"的阶段5研究项目。其目标(cause)在于:
  ①更好地评价辐照监督中取得的断裂韧性数据;评估小尺寸辐照监督试件断裂韧性实验方法;
  ③制定以断裂韧性实验数据为基础的RPV完整性评估导则。
  这一阶段工作的背景情况是,现有的RPV完整性评价的法规要求都是基于断裂力学的应用,但已有的辐照脆化数据多数来自冲击韧性试验。实际上,由于辐照监督管空间和材料的限制,如果能用小试件得到断裂韧性数据,并用于RPV整体性评估,是非常有意义的。"特征曲线"法正是解决上述问题的种选择。
  2传统的方法为保证核反应堆(Nuclear Reactor)压力容器在运行、试验和事故条件下不会出现脆性破坏,现行的设计和制造规范对母材和焊缝的冲击韧性提出了相应的要求。例如,法国的RCCM规范要求RPV材质初始冲击韧性上平台能量不能低于104J,脆性转变温度穴7愚  要想定量地对RPV完整性做出评价,还必须采用断裂力学的方法。理想情况下,应该通过(tōng guò)实验得出各种RPV用钢及焊缝金属随温度变化的断裂韧性曲线,但在实践中这是无法做到的。
  用脆性转变温度对实验数据进行归一化处理,是为了在不同材料批号条件下,使所有的实验数据能统到条曲线上。美国ASME规范于1972年采纳了作为判据的断裂韧性曲线;这条曲线是由11个炉号的压力容器用钢取得的173个有效线弹性断裂韧性数据做出的。曲线是线弹性断裂韧性数据的下包容线,其表达式为度之间建立了联系,只要知道材料的脆性转变温度,就可得出相关温度下的断裂韧性值。公式本身有值得商榷的地方,但从实用的角度(angle),上述关系提供了冲击韧性参数所不能回答的问题。
  3特征曲线法采用线弹性断裂(fracture)力学分析的方法评价辐照脆化,不仅难以获得大尺寸的试验件,而且由于数据分散,获得有效的断裂韧性曲线也存在问题。在断裂韧性曲线被认为过于保守的同时,又有实验数据落在曲线的下包容线之外,人们难免对此产生疑问。PWR核电厂运行保持了良好的记录,面对早期建设的核电厂开始接近设计寿命末期,人们在考虑RPV延期服役的问题,同时也在考虑增加新电厂设计寿命,这些在现有设计中挖潜的意图,需要减少现有设计中的保守程度;这是从经济上考虑需要新的评估方法。减少现有设计中的过于保守,随之而来的好处是放宽户-T运行限值,这反过来又可以减少瞬态时间,进而减少电厂的风险,这也符合安全当局的意图。另外,以风险分析为基础的决策机制也要求对RPV的完整性做出定量的分析。所有上述因素,要求产生新的评估方法。
  表征具体材料的断裂韧性。理论上,特征曲线(Curve)法利用小试件实测的断裂韧性数据来定义一个新的指标参数温度T,用统计分析的方法求得断裂韧性参数的概率分布。两种方法的明显差别在于对温度的定义;在特征曲线法中,70被定义为标准试样断裂韧性为lOOMPa时所对应的温度。另外,两种情况下断裂韧性曲线的含意也不同。传统的方法是将各种断裂韧性数据汇集在一起得到下包容线,由于引入冲击韧性试验得出的A7ndt参数,会带来更大的误差。
  特征曲线法的基础在于,解理断裂的统计现象可用韦伯分布来表示,通过(tōng guò)中值得到断裂韧性曲线,进而可计算偏差,而曲线的位置则由单一参数温度来决定。
  特征曲线法建立在解理断裂的概率特性基础之上,同时又假设所有的铁素体钢遵守同样的断裂韧性-温度曲线特征。不锈钢储罐密封性好;密封式设计彻底杜绝了空气飘尘中有害物质和蚊虫入侵罐内,确保水质不受外界污染和滋生红虫。其断裂模型假设钢中随机分布的碳化物控制解理断裂,进而决定转变温度区的断裂韧性。特征曲线也是通过实验数据得到的,表达式为4不同方法的比较和讨论4.1不同方法的比较传统的方法是线弹性断裂力学的应用,以参照脆性转变温度的断裂韧性-温度曲线最有代表性;ASME和RCCM都采用的这种方法。1998年发布的ASME规范案例N-629和N-631中,允许使用特征曲线法代替传统的断裂韧性法。尽管特征曲线法的提出是基于自己一套理论体系,但在实用上却采用了实验数据拟合的方法得出特征曲线。比较下就可以知道,特征曲线和传统的断裂韧性-温度曲线之间具有相似之处,主要差别在于实验数据的处理。传统的方法使用下包络线,特征曲线则采用了中值曲线,表1给出了这两种方法的比较。
  4.2特征曲线法的理论基础特征曲线法是基于解理断裂的概率分布特征。Ritchie等人在其RKR模型最早提出了解理断裂的概率分布,在此基础上,Wallin等人进一步发展出了WTS模型,这也就是特征曲线法的理论基础。特征曲线法基于以下假设:
  ①某一温度下的解理断裂韧性(toughness)的概率分布可由韦伯方程来描述;合金元素、热处理和辐照等因素只影响断裂韧性曲线相对温度轴的位置,不影响曲线的形状,也就是断裂韧性相对温度的变化规律是共同的,即特征曲线。
  2个假设都值得推敲。储气罐专门用来储存气体的设备,同时起稳定系统压力的作用,根据储气罐的承受压力不同可以分为高压储气罐,低压储气罐,常压储气罐。这里只对假设1加以分析。
  特征曲线法的依据之一,韦伯概率分布的普遍适用性受到挑战,因为这和实际情况不符。
  给出的是压力容器用钢断裂韧性参数分布实验结果。所有试件的奥氏体化条件相同,通过不同的冷却条件,分别得到单相铁素体组织、单相马氏体组织和铁素体-马氏体双相混合组织。结果证明,单相组织符合正态分布,但如果用正态分布去推论双相组织,就会得出荒谬的结论。
  表1传统的断裂韧性曲线和特征曲线比较事项传统的断裂韧性曲线特征曲线实验数据的下包容线实验数据的中值线公式温度指数以冲击试验数据为基础的温度R7ndt以小试样韧性试验数据转换的温度参数70应用范围所有RPV用钢方法论决定论概率论4.3从概率分析中得到的启示同时,试验结果又给了另一种提示,即单相组织的断裂韧性是符合正态分布的,由此可推论出某一概率水平(如10-5)下的断裂韧性。另外,两个单相组织的断裂韧性概率分布又为双相混合断裂韧性概率分布设定了界限,这对描述双相混合断裂韧性概率分布提供了另一种可能。
  5结论现行的方法"上平台"准则保证材料有足够的韧性储备,断裂韧性准则保证材料内的裂纹尺寸不足以发生脆性裂纹扩展。现行的方法包含了丰富(plump)的物理内涵,虽然通常被认为是保守的,但实践证明是可靠的。
  特征曲线法把经验曲线作演绎的推广,看似把问题简化了,但由于缺乏理论基础和物理的内在关系,只能看作是对传统方法的模仿或近似。
  由于对解理断裂认识的局限性,传统方法带有一定的不确定性,相比之下,特征曲线法具有更大的不确定性。
  实验证明,材料的组织对断裂(fracture)韧性的影响是明显的,对组织的影响和断裂物理过程的深入认识,是提高断裂韧性判据可靠性和准确性的途径。