LBB设计中管道贯穿裂纹张开位移及泄漏率计算研究

在核电站管道破前漏设计(LBB)过程中,需要对管道的关注部位假设一个贯穿裂纹,然后计算该裂纹在正常运行工况下的裂纹张开位移(COD)以及流体泄漏率,从而验证管道LBB设计准则的适应性。本文介绍了COD以及泄漏率计算的意义,然后探讨了各种计算方法的优缺点和发展方向,最后给出了自主开发程序的验证算例。文中讨论的问题可为LBB技术在我国核电厂中的应用提供参考。

LBB分析中J积分撕裂模量汇交方法研究

介绍了管道破前漏(LBB)分析中极限载荷和临界裂纹长度求解的J积分-撕裂模量汇交方法(J-T法)。利用有限元分析软件(ABAQUS)计算3种裂纹长度J积分,并将J积分与裂纹长度采用多项式函数进行拟合,最后在多项式函数的基础上求解极限载荷和临界裂纹长度。采用FLET软件提供的算例对J-T方法的正确性进行验证。结果表明,运用基于ABAQUS的J-T法能提高失稳J积分的计算精度,能适用更广泛范围、更复杂结构的LBB分析。

压力容器及管道LBB评估技术中的裂纹扩展稳定性分析方法

本文简要地回顾了破前漏（LBB）评估技术中裂纹扩展稳定性分析方法在国内外的研究和应用现状，指出了当前在LBB弹塑性断裂分析中的某些不足；作者在少量的有限元全塑性J积分数值解的基础上，构造和提供了完整的环向贯穿裂纹在复合加载下的全塑性J积分数值解；提出了复合加载下裂纹扩展稳定性分析技术；同时，对典型结构材料，建立了能反映结构的不同破坏机制且便于工程应用的G-因子表；上述研究成果将对LBB评估技术在工程中的实际应用起到重要作用。

热老化对核电厂一回路主管道LBB分析失效模式的影响

核电厂一回路主管道的材料热老化对其"未爆先漏"(LBB)分析存在明显的影响,基于美国NUREG/CR 4513报告,分析了热老化对一回路主管道的结构塑性极限载荷、裂纹扩展稳定性图(J-T图)、弹塑性断裂失效(EPFM)临界裂纹尺寸和结构失效模式的影响。案例分析结果表明,热老化增加了材料的流变应力和结构塑性极限载荷(增加了11.78%)、降低了材料韧性(裂纹扩张量为5 mm时下降了62.65%)、同样的撕裂模量下热老化后允许的J积分降低了50%以上,热老化后结构的塑性极限载荷与EPFM极限载荷之比(对应于ASME规范Ⅺ卷的Z因子)明显增大。研究结果还表明,在较大的外部载荷作用下,J-T图的驱动力曲线不再是条直线,这与诸如ASME规范Ⅺ卷的简单分析假设不一致,采用ASME规范中的简单假设可能得到非精确的结论。主管道既可能发生EPFM失效,又可能发生塑性失稳失效,发生EPFM失效对应的载荷区间更大。

压力容器及管道LBB稳定性分析的工程估算方法

本文依据文献［１］所建立的管道环向裂纹在简单加载下的撕裂失稳与塑性失稳应力的近似关系式，构造了复合加载下撕裂失稳与塑性失稳应力的工程近似关系表达式：并针对４种材料、４０种裂纹构形工况，进行了失稳评定计算：经与文献［２］提出的精细分析方法所得的结果对比，一般偏离不超过４％，满足了工程评定要求，鉴于ＬＢＢ稳定性分析的工程估算方法易于被非专业人员掌握和接受，并能省时省力，预计将能对ＬＢＢ评估技术的发展起重要的作用。

LBB弹塑性断裂分析中临界裂纹尺寸计算

LBB评估中基于弹塑性断裂方法(EPFM)计算裂纹稳定扩展的临界尺寸是主要难点之一,工程应用中主要通过裂纹扩展驱动力图(J-a图)或裂纹扩展稳定性图(J-T图)计算裂纹稳定扩展的临界尺寸。针对绘制J-a和J-T图的过程较复杂,且作图法确定临界裂纹尺寸精度会受到作图质量影响的问题,基于EPRI工程评定方法的裂纹稳定扩展条件(ASME和R6等规范中也是引用的该条件),给出了一种计算裂纹稳定扩展临界尺寸的数值方法。分析案例研究结果表明,J-T图驱动力曲线存在不是直线的情况,这与简化分析假设不一致。在分析案例中,J-T图分析获得的临界裂纹尺寸是偏于保守的,当外加载荷较小时,这种保守性较小,但当外加载荷较大时,J-T图引起的保守可能高达40%左右。

未爆先漏(LBB)理论及其应用研究进展

回顾并评述了目前世界范围内的主流的"未爆先漏(LBB)"理论,指出LBB评定图技术是目前较能适合工程安全评定并被广泛应用的LBB准则。综述了LBB技术应用现状,指出LBB技术在压力容器设计方面的应用还仅处于初级的理想状态;而LBB技术在压力容器评定方面的应用,先漏后爆(LBB)评定图的改造、裂纹扩展稳定性分析及泄漏率的计算是亟待解决的问题,为下一步LBB技术应用研究工作指明了方向。

破前漏(LBB)分析方法在钠冷快堆管道分析中的应用探讨

采用破前漏(LBB)分析方法,对中国实验快堆余热排放系统中间回路进行断裂力学分析。假设在其受力最严重的管段,反应堆运行前已存在一个贯穿裂纹,根据系统寿期内的运行工况,运用J积分撕裂模量汇交方法,求出在综合最恶劣工况(即合成出包络工况)下裂纹的临界长度;通过Paris公式求出该裂纹在交变载荷作用下的稳定扩展量;利用CASTEM2000程序建立力学模型,分别求出包络工况下寿期末裂纹和临界裂纹的张开面积。结果证明,该管道在其寿期内可能出现的最大裂纹张开面积小于(DT)/4(D为管道直径,T为管壁厚)。

LBB在蠕变温度以上核级管道设计中的应用

LBB(Leak-Before-Break)技术是保证核反应堆结构安全和可靠的一种重要分析方法。对于在蠕变温度以上高温堆(如快堆)的核级管道,运用LBB分析时应考虑疲劳和蠕变对裂纹扩展的影响。本工作以法国规范RCC-MR的A16为基础、以快堆余热排放系统的一段管道为研究对象进行LBB分析,总结出一套运用于蠕变温度以上核级管道安全分析的LBB方法。经计算得到,在蠕变温度以上,蠕变对裂纹扩展的影响较大。经验证,该管道符合LBB技术对于裂纹稳定性及泄漏量可探测性的条件,满足从开始泄漏到裂纹失稳的时间要求。

焊接管道LBB分析中泄漏速率的研究

先泄后断(LBB)技术已经广泛地应用于焊接压力容器及管道的设计中,该理论是指在压力容器和管道中的裂纹达到失稳状态以前,可以检测到通过该裂纹的流体的泄漏。使用计算机程序模拟了通过裂纹的流体泄漏速率;通过有限元分析程序Fluent,对简单情况下的单相流体在压力管道中裂纹不同张开方向上的泄漏速率进行模拟计算,并对其结果进行比较分析。得出泄漏速率与裂纹张开位移(COD)和裂纹长度的关系均不是线性关系,并且COD的扩展对泄漏速率的影响要大于裂纹长度对其的影响。因此,COD的扩展值是影响管道内流体泄漏速率的主要因素。

基于LBB准则的高压气瓶安全性评估

为了解决含裂纹类缺陷高压气瓶后续安全使用问题,基于压力容器先漏后断(leak-before-break, LBB)失效理论,对某型高压气瓶进行了LBB设计校核,并利用压力循环试验对该气瓶瓶体存在预制临界尺寸裂纹条件下的安全性进行了验证分析。研究结果表明:当裂纹深长比大于0.5时,高压气瓶设计满足LBB条件;当深长比小于0.5时,在一定条件下,该型高压气瓶实际破坏形式仍为先漏后断,证明了该高压气瓶设计、制造的安全可靠性。

LBB对材料性能的要求

回顾了破前漏(LBB)的发展历史,并分析了LBB在中国的应用前景。分析了关于材料断裂韧性不同的表达方法和测量方法。根据不同国家的实践,分析了LBB对材料性能的要求。

LBB在AP1000技术中的应用

压水堆核电厂的设计基准事故定义为主管道双端断裂,这一假设过于保守.管道的失效方式往往是先出现破口而后再泄漏,即所谓的先漏后破(Leak Before Break,简称LBB),而不是双端断裂.LBB准则是防止核电厂压力管道发生灾难性破裂事故的重要评定准则.本文介绍了LBB评定技术在国外的发展情况和意义,阐述了LBB在AP1000核电厂中的应用情况及LBB评价的理论基础.

压力容器与管道缺陷评定的先漏后爆(LBB)准则

对含缺陷压力容器与管道安全评定的方法众多，而先漏后爆评定准则（ＬＢＢ准则）是一种简便、安全而又经济的新评定方法。它根据不同的失效理论，将复杂的断裂力学评定方法简化成失效评定图供技术人员使用。本文根据韧带失效的原理，建立了带纵向裂纹压力容器与管道的ＬＢＢ失效评定图，对核电站（１３００ＭＷｅ）主回路冷却管进行了全尺寸试验，证明试验结果与理论计算结果基本吻合。

裂纹位置对推进剂贮箱壳体失效评定曲线的影响研究

为获取准确的临界裂纹尺寸2c_(c)以实现可重复使用推进剂贮箱LBB设计及评定,构建了2种裂纹类型5组典型裂纹位置的贮箱壳体失效评定曲线(FAC),并分析了裂纹位置对FAC的影响。结果表明:随着裂纹从圆柱段中心向封头移动(y的增加),2种裂纹类型壳体极限载荷PL均先保持不变,再显著增加,最后小幅增加,FAC总体上逐渐升高,壳体的安全性增加。工程上采用选择1和选择2曲线确定的临界裂纹尺寸2c_(c)仅能对极少数的载荷工况下特定裂纹位置的贮箱壳体进行准确的LBB分析。建立裂纹位置相关的FAC,可以提高贮箱壳体的结构完整性。

非中心穿透裂纹对LBB技术应用的影响分析

随着LBB技术的发展和应用推广,可运用详细的裂纹扩展分析技术,通过周密的分析论证,以证明带缺陷管系在使用寿期内同样能够满足SRP3.6.3中关于LBB技术应用的、与泄漏探测能力、裂纹稳定性和载荷相关的裕量要求。在这种前提下,一些额外的分析就必不可少。其中之一即为需要考虑载荷对称中心与裂纹对称中心不重合情况,即所谓的非中心裂纹,对LBB技术应用的影响。本文以压水堆核电厂中DN150、DN350和DN550管径的核1级高能管道中非中心裂纹为研究对象,先从偏心角度对裂纹张开面积的分析着手,进而研究其对泄漏率分析与裂纹稳定性分析的影响,并对非中心裂纹对LBB技术应用的影响做了综合性的分析总结,为今后含缺陷管道应用LBB技术的分析提供参考与借鉴。

核反应堆压力容器接管安全端堆焊修复结构的LBB分析

核反应堆压力容器接管安全端异种金属焊接接头在服役中通常会产生高温高压水环境中的应力腐蚀裂纹扩展。目前减轻和修复这种裂纹的技术是在安全端管接头外表面堆焊一层更抗腐蚀的镍基合金(Alloy52M)材料。本文通过三维结构的有限元断裂力学分析,计算得到了堆焊修复结构的"先漏后断"(Leak-before-break,LBB)曲线和韧带失稳线,并分析了堆焊层厚度对LBB安全边际的影响。结果表明,堆焊修复后结构的LBB曲线和韧带失稳线在没有堆焊层结构的曲线上方,且随堆焊层厚度的增加,LBB曲线和韧带失稳线上移,表明堆焊修复及堆焊层厚度的增加使安全端结构的LBB安全边际增大。

含环向穿透裂纹管道LBB裂纹扩展稳定性计算程序开发

在管道LBB设计和评定中,J积分和裂纹扩展稳定性的计算过程复杂,为提高计算精度和效率,需采用改进的计算方法,并实现程序软件的计算。本文基于增强参考应力法(ERS法)的J积分计算和J积分稳定性评定图法,开发LBB裂纹扩展稳定性计算程序,此程序可计算含环向穿透裂纹管道的LBB失稳载荷和临界裂纹长度。所开发的程序实现了单纯拉伸载荷、弯曲载荷及拉弯复合非比例加载下的裂纹扩展稳定性计算,并提供了两种材料真应力-真应变关系参数的输入计算方法,拓宽了现有计算方法的局限性。通过有限元计算结果和文献中管线试验结果与程序计算结果的对比分析,验证了计算程序的准确性。

核电管道LBB裂纹张开面积和泄漏率计算程序开发

在核电管道LBB设计和评定中,裂纹张开面积(COA)和泄漏率是需要计算的重要参数。而裂纹张开位移(COD)是计算COA的基础。为了提高COD,COA和泄漏率的计算精度和效率,需要采用改进的计算方法并实现程序计算。基于增强参考应力法(ERS)的COD计算方法,开发了LBB分析中计算环向穿透裂纹管道的COA和泄漏率的计算程序。所开发的程序可以直接输入材料的真应力—真应变关系数据计算,并适用于单纯拉伸载荷、弯曲载荷及拉/弯复合非比例加载三种载荷情况,拓宽了现有计算方法的局限性。通过程序计算结果与有限元计算结果和文献中管道试验结果的对比分析,验证了计算程序的准确性。

含裂纹核级管道三维有限元分析与LBB评定

三维裂纹仿真分析和防断裂设计问题一直是断裂理论和工程应用研究的主要课题。管道系统是核动力工程中的关键部件。运用三维有限元分析软件ANSYS和裂纹分析专用程序Franc3D,针对中国实验快堆(CEFR)一段余热排放系统中的含裂纹管道进行了三维裂纹仿真模拟分析和LBB(Leak-Before-Break)评定。快堆管道工作时处于高温状态,因此,采用适用于高温环境下的材料和法国结构安全设计规范RCC-MR.A16标准文件。研究的管道材料为9Cr1Mo钢的改良型——T91/P91管材,分析模型为含裂纹的三维结构,且包括管道高温工况和蠕变效应。仿真计算结果表明,针对所研究的工况,蠕变较疲劳对三维裂纹扩展的影响更大。采用T91钢的管路系统能够满足相关规范中的LBB设计准则。该研究为快堆管道选材、含缺陷管道安全评估和高温完整性评定提供设计参考。