屏蔽主泵电机壳体断裂韧性评估

周文霞,夏迪,钟云

(上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233)

屏蔽主泵电机壳体断裂韧性评估

周文霞,夏迪,钟云

(上海核工程研究设计院有限公司,上海 200233)

屏蔽主泵是第三代非能动核电厂中的关键动设备,其电机壳体采用了易发生低温脆化的SA 508,Grade 1 材料,需要开展断裂韧性评估,本文从试验和计算分析角度对该材料进行断裂韧性评估,对比国内外制造厂试验得出的参考无延性转变温度.结果表明,国内制造厂还需进一步进行制造工艺的技术攻关,同时,对国内制造厂研制的材料按照ASME 附录G进行断裂韧性评估.分析结果表明,其断裂韧性满足要求,采用该方法进行评估,在保证安全评价可靠的前提下,促进了材料的国产化.

屏蔽主泵;电机壳体;断裂韧性;参考无延性转变温度

在核电站中,承压容器通常采用铁素体低合金钢,这些材料由于存在低温脆化现象,其断裂韧性评估应用比较广泛,而目前国内在运核电厂中的主泵普遍采用轴封泵结构形式,其压力边界很少用到类似材料,因此其断裂韧性也很少有人关注.但随着第三代核电技术非能动核电厂采用屏蔽电机主泵,作为其主要压力边界之一的电机壳体采用SA 508,Grade 1 材料,该材料同样也存在低温脆化现象,其断裂韧性评估也越来越受人关注.本论文从试验及分析计算两个方面对屏蔽主泵电机壳体的断裂韧性开展评估.

1 屏蔽电机主泵及电机壳体结构及功能介绍

第三代核电技术非能动核电厂中的屏蔽电机主泵是一种单级、单吸、无轴封、高转动惯量、立式离心屏蔽电机泵,为核安全1级设备,用于输送高温、高压反应堆冷却剂,并冷却堆芯.其结构示意图如图1所示.泵由泵壳、吸入导管、叶轮和导叶等组成,电机置于泵下部,泵壳和电机壳体采用Canopy密封结构用主螺栓连接组成一密封的整体.电机内部设有转子屏蔽套和定子屏蔽套,转子屏蔽套用于隔离冷却剂与转子铜条,定子屏蔽套用于隔离电机绕组和铁芯.

电机壳体作为屏蔽主泵压力边界之一,其主要作用是包容反应堆冷却剂,属于核1级部件.由于屏蔽主泵电机内部冷却剂被定子屏蔽套隔离,正常情况下,电机壳体不与冷却剂接触.

2 落锤试验与冲击试验

图1 屏蔽主泵示意图

无延性转变温度(TNDT)和参考无延性转变温度(RTNDT)是进行弹塑性力学评价的重要指标参数,对核电主回路压力边界部件(如电机壳体)的评价起重要作用.目前我国在按照ASME-BPVC规范采购核电站主回路设备时,均要求按ASTM E208标准进行落锤试验,以测定TNDT,并在TNDT的基础上结合冲击试验结果确定参考无延性转变温度RTNDT.ASME-BPVC第Ⅲ卷第1册NB2320给出了确定RTNDT的冲击试验规程.

TNDT指的是落锤试验出现破裂的最高温度.冲击试验以3个试样为一组,冲击试验温度Tcv1=TNDT+33℃,如果断裂吸收能量和侧向膨胀满足要求,则RTNDT=Tcv1- 33℃=TNDT,否则取另一组冲击试样进行试验,试验温度Tcv2=Tcv1+5℃,如果满足上面条件,RTNDT=Tcv2- 33℃,否则按5℃间隔提高试验温度,直至试验结果满足要求,RTNDT=Tcv-33℃.对于国外进口的电机壳体原材料,冲击试验结果表明电机壳体的RTNDT=-50℃,而对于国内制造厂研制的电机壳体原材料,试验结果表明电机壳体的RTNDT=-21℃.

表1 计算各工况下屏蔽主泵电机壳体最低使用温度的输入

除上述通用要求外,对于名义厚度大于64mm的泵类材料(如屏蔽主泵电机壳体材料),ASME-BPVC第Ⅲ卷第1册NB 2332中还规定了最低使用温度应不小于RTNDT+56℃.最低使用温度是指部件所包容流体的最低温度,或者在正常运行期间,一旦在部件内压力超过预运行系统水压试验的20%时,计算体积所期望的平均金属温度.由下表1计算各工况下屏蔽主泵电机壳体最低使用温度的输入,可保守估算电机壳体的最低使用温度为21℃(如表1).

由此可知,对于电机壳体RTNDT应至少为-35℃,而国内制造厂的研制材料离该要求还有一定的差距.

3 电机壳体结构完整性中的断裂韧性评价

随着线弹性断裂力学的发展,在结构完整性评价中引入了应力强度因子KI,并在材料韧性评定指标中定义静态断裂韧性KIc,它是准静态加载条件下裂纹起裂时的应力强度因子KI的临界值,用于表征材料抵抗脆性断裂的能力,即在确定的裂纹尺寸下,应力随着外加载荷的增加而增大,当裂纹前缘区域的应力增大到一定程度,裂纹扩展速率突然加快(此种状态称quot;失稳扩展quot;)而发生脆性断裂,这时的应力强度达到一个临界值,定义为KIc,其量纲为[应力][裂纹长度]1/2,即MPa.m1/2.因此,断裂韧性KIc是材料存在裂纹情况下衡量材料性能的新指标,它是判断材料有裂纹时是否发生低应力脆性断裂的新判据,即KIlt;KIc时材料不会发生脆性断裂,KI≥KIc时材料发生脆性断裂.目前,用于确定韧脆转变区的断裂韧性KIc的方法通常采用ASME曲线法.在ASME-BPVC NB 3211中规定,为防止无延性断裂,可采用类似于附录G中给出的方法对使用工况和试验工况进行评定.在ASMEBPVC 2008补遗中,给出RTNDT的公制公式为:KIc=36.5+22.783exp[0.036(T-RTNDT)].关系曲线如图2所示.

按照ASME附录,非强制性附录 G-2120 的最大假想缺陷为垂直与最大应力方向(纵向)的尖锐表面缺陷.对于屏蔽主泵电机壳体截面厚度为107.5mm(大于100mm),假设该缺陷深度为a=0.25Xt=26.875mm,长度为L=1.5t=161.25mm,裂纹示意图如图3所示.

图2 KIc与(T-RTNDT)的关系曲线

图3 裂纹示意图

3.1 应力强度因子计算

(1)薄膜拉伸应力引起的KIm计算

壳体内部压力:表1中各工况下的RCS压力

壳体内半径:Ri=647.5mm

壳体壁厚:t=107.5mm

对于一外侧轴向表面缺陷,当102mmlt;tlt;305mm时,Mm=0.0282t1/2

对于一内侧轴向表面缺陷,当102mmlt;tlt;305mm时,Mm=0.0293t1/2

(2)径向温度梯度引起的KIt

表2 各工况下的屏蔽主泵电机壳体RTNDT

3.2 安全要求

需要满足的要求如下.

(1)对于假想的轴向外表面缺陷,根据ASME附录,非强制性附录G,设计工况和运行工况下,水压试验工况下,

(2)对于假想的轴向内表面缺陷,根据ASME 附录G,设计工况和运行工况下,2KImlt;KIc,水压试验工况下,1.5KImlt;KIc.屏蔽主泵电机壳体的临界应力强度因子KIc应不低于上述(1)和(2)的较大值.

3.3 计算结果

根据上述计算过程,计算出三种工况下的RTNDT值要求如表2所示.从表中结果看出,对于国内制造厂研制的电机壳体材料,其断裂韧性能满足附录G的要求.

4 结语

本论文借鉴核电厂压力容器的断裂韧性评估经验,对首次应用于商用核电站中的大功率屏蔽主泵电机壳体开展了断裂韧性评估.从分析计算角度,采用常用的ASME曲线法,按照ASME附录,非强制性附录G的分析要求,结合屏蔽主泵电机的实际工况,对屏蔽主泵电机壳体的结构完整性进行评估,分析结果表明,国内制造厂研制的材料不会发生脆性断裂.这在保证安全评价可靠的前提下,促进了材料国产化.

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TL341

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1671-0711(2017)11(下)-0107-03