高溫氣冷堆主蒸汽隔離閥高溫蠕變疲勞特性研究

2013-09-03 王海濤清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院

　　主蒸汽隔離閥是高溫氣冷堆二回路的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)完整性對(duì)反應(yīng)堆的安全至關(guān)重要。根據(jù)ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第III卷第1冊(cè)NH分卷，對(duì)主蒸汽隔離閥閥體的高溫蠕變疲勞特性進(jìn)行研究，分析閥體在高溫、高壓和地震載荷作用下的應(yīng)力和變形水平，計(jì)算閥體關(guān)鍵部位的蠕變與疲勞損傷程度，并進(jìn)一步探索閥體壽命對(duì)應(yīng)力類型和水平的敏感性。結(jié)果表明，溫度是影響主蒸汽隔離閥結(jié)構(gòu)完整性的重要因素;高溫蠕變?cè)诟邷亟Y(jié)構(gòu)損傷量中占有優(yōu)勢(shì)比重。

1、引言

　　主蒸汽隔離閥是高溫氣冷堆二回路的關(guān)鍵設(shè)備，由閥體、閥蓋、閥桿、閥座、填料箱、填料壓板、支架、電動(dòng)裝置等組成。主蒸汽隔離閥應(yīng)力分析滿足的規(guī)范等級(jí)為ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第III卷第1冊(cè)NB分卷或NH分卷。主蒸汽隔離閥的閥體材料為A182M-F91，根據(jù)NB-1120和NH-1110的規(guī)定，對(duì)于材料A182M-F91，低于370℃的部位采用NB分卷進(jìn)行評(píng)價(jià)，高于370℃的部位采用NH分卷進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文根據(jù)NH分卷對(duì)高溫氣冷堆主蒸汽隔離閥閥體的高溫蠕變疲勞特性進(jìn)行研究。

2、高溫部件使用限制及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

　　根據(jù)NH-3220確定高溫部件的應(yīng)力限值;此外，還需要根據(jù)NH分卷的附錄T進(jìn)行高溫部件變形和應(yīng)變限制評(píng)定以及蠕變-疲勞評(píng)定。

2.1、高溫部件應(yīng)力限值

　　根據(jù)NH分卷，高溫下的A級(jí)應(yīng)力限值為：

　　式中，Pm為一次總體薄膜應(yīng)力;PL為一次局部薄膜應(yīng)力;Pb為一次彎曲應(yīng)力;Sm為與時(shí)間無(wú)關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度限值;St為與溫度和時(shí)間有關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度限值;Kt為考慮彎曲應(yīng)力蠕變衰減的因子Smt為總體一次薄膜應(yīng)力的許用強(qiáng)度，是Sm和St的最小值。

2.2、高溫部件的變形和應(yīng)變限制

　　在預(yù)計(jì)經(jīng)受高溫的區(qū)域內(nèi)，最大累積非彈性應(yīng)變應(yīng)滿足下列要求：①沿厚度平均的應(yīng)變不超過(guò)1%;②應(yīng)變沿厚度等效線性分布引起的表面應(yīng)變不超過(guò)2%;③在任何點(diǎn)的局部應(yīng)變不超過(guò)5%。

2.3、高溫部件的蠕變-疲勞評(píng)定

　　對(duì)于可接受的設(shè)計(jì)，累積蠕變和疲勞損傷應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

(2)

　　式中，D為總的允許的蠕變-疲勞損傷值;p為循環(huán)類型的數(shù)目;n為循環(huán)的重復(fù)次數(shù);Nd為設(shè)計(jì)許用循環(huán)次數(shù);q為蠕變損傷計(jì)算的時(shí)間間隔數(shù);Td為某時(shí)間間隔過(guò)程中，根據(jù)所研究點(diǎn)上的應(yīng)力水平和最高溫度應(yīng)力-斷裂曲線確定的持續(xù)時(shí)間。

　　總?cè)渥?疲勞損傷不應(yīng)超過(guò)NH分卷中圖T-1420-2給出的蠕變-疲勞損傷包絡(luò)線。

3、模型和計(jì)算結(jié)果

3.1、模型

　　本文選擇保守的載荷組合和應(yīng)力評(píng)價(jià)方法進(jìn)行等效：對(duì)主蒸汽隔離閥在設(shè)計(jì)內(nèi)壓、設(shè)計(jì)溫度下的熱應(yīng)力、自重和安全停堆地震(SSE)載荷共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，按照A級(jí)使用限值進(jìn)行保守評(píng)價(jià)。主蒸汽隔離閥的設(shè)計(jì)溫度為576℃，設(shè)計(jì)壓力為15.7MPa;采用等效靜力法施加地震載荷，3個(gè)正交方向的SSE載荷取4.5g。

　　使用通用有限元軟件ABAQUS對(duì)閥體進(jìn)行建模。閥體采用四面體有限單元離散，有限元模型見圖1。

圖1 閥體有限元模型

3.2、溫度場(chǎng)結(jié)果

　　主蒸汽隔離閥閥體內(nèi)蒸汽溫度為設(shè)計(jì)溫度，閥體外設(shè)置保溫層。閥體溫度場(chǎng)分布由主蒸汽隔離閥整體的溫度場(chǎng)有限元計(jì)算得到，本文給出閥體的溫度場(chǎng)剖面結(jié)果(圖2)。由圖2可以看出，閥體各區(qū)域的溫度均高于370℃，因此應(yīng)根據(jù)NH分卷進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)。

圖2 閥體溫度場(chǎng)分布

3.3、應(yīng)力結(jié)果

　　在設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)內(nèi)壓、自重和SSE載荷共同作用下閥體剖面的Tresca應(yīng)力分布見圖3。根據(jù)閥體應(yīng)力集中位置的分布特點(diǎn)，選擇閥體2個(gè)正交橫截面，每個(gè)面上4個(gè)危險(xiǎn)應(yīng)力位置用于應(yīng)力分解(圖4)。4個(gè)位置的應(yīng)力(即圖4中A1與B1的最大值、A2與B2的最大值、A3與B3的最大值、A4與B4的最大值)分類結(jié)果見表1，其中Q和F分別為二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。

圖3 閥體Tresca應(yīng)力分布

圖4 應(yīng)力分解位置

表1 閥體4個(gè)位置的應(yīng)力

4、結(jié)果評(píng)價(jià)

4.1、應(yīng)力評(píng)價(jià)

　　閥體4個(gè)位置的應(yīng)力評(píng)價(jià)見表2，其中，對(duì)方形彎曲截面Kt取1.25。位置1由于處于相對(duì)低溫的區(qū)域(低于450℃，見圖2)，因此按照450℃進(jìn)行保守的應(yīng)力評(píng)價(jià)，其余3個(gè)位置按照576℃進(jìn)行應(yīng)力評(píng)價(jià)。

　　由表2可以看出，在4個(gè)選定位置的應(yīng)力值與許用應(yīng)力相比均有較大的安全裕度，應(yīng)力結(jié)果滿足規(guī)范要求。另外，576℃下的許用應(yīng)力相比450℃有大幅度的降低，這表明在高溫下，溫度范圍對(duì)主蒸汽隔離閥的結(jié)構(gòu)完整性有重要影響。因此，在設(shè)計(jì)階段，在確保溫度的前提下，有必要盡可能降低主蒸汽隔離閥閥體高應(yīng)力區(qū)域的溫度。

表2 閥體4個(gè)位置的應(yīng)力評(píng)價(jià) MPa

4.2、變形和應(yīng)變限制

　　根據(jù)附錄T-1320和T-1710，本節(jié)采用彈性分析校核高溫區(qū)域的應(yīng)變限制是否滿足。在設(shè)計(jì)內(nèi)壓、設(shè)計(jì)溫度、自重和SSE載荷作用下，

　　選定閥體4個(gè)高應(yīng)力區(qū)域的最大線性化(一次+二次)應(yīng)力為Smax=143.2MPa(見表1，位置3)。由于Kt=1.25，因此可知：

(3)

　　式中，QR為循環(huán)中的二次應(yīng)力強(qiáng)度;Sy為材料A182M-F91在576℃時(shí)的屈服極限(242MPa)。則由上式可知X+Y<1，滿足應(yīng)變限制滿足要求。

4.3、蠕變-疲勞評(píng)定

　　根據(jù)附錄T-1433和T-1715，對(duì)4個(gè)高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行蠕變-疲勞評(píng)定，其中以Pm最大的位置4為例給出詳細(xì)評(píng)定步驟，其余3個(gè)位置直接給出評(píng)定結(jié)果。根據(jù)T-1432(a)，應(yīng)變范圍Δεmax=2Salt/E，其中Salt為交變應(yīng)力;取E=170.9 GPa(576℃時(shí))，取該位置的最大Mises應(yīng)力為73MPa(見表1 的總體應(yīng)力)，則Salt=73/2，可得：

　　(4) 在有限元計(jì)算中已考慮了局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，因此令K=1且修正最大等效應(yīng)變范圍Δεmod=Δεmax。按T-1432(e)計(jì)算，KΔεmax=0.0427%，3

/E=0.104%。由此可知KΔεmax<3

/E條件滿足，因此Ke=1。根據(jù)T-1432(f)計(jì)算，KeKΔεmaxE/3

=0.411，并按圖T-1432-3查得K'v=1.0，因此Kv=1.0。由X+Y<1和T-1332可得Z=X=0.215。其中

、Ke、K、K'v、Kv、Z的定義。

　　根據(jù)T-1432(g)，將1.25σc=65MPa代入圖T-1800中查得300000h對(duì)應(yīng)蠕變應(yīng)變?cè)隽?Delta;εc=0.0015%。由T-1432(h)中的式(16)計(jì)算得到總應(yīng)變范圍εt=KvΔεmod+KΔεc=0.045%。查圖T-1420-1E得到Nd>1×108次。其中σc、Δεc、εt的定義。因此：

(5)

　　根據(jù)T-1433(b)進(jìn)行蠕變損傷評(píng)定。利用εt值按圖T-1800中的各條等時(shí)曲線查得的應(yīng)力見表3，其中小于1.25σc的應(yīng)力由1.25σc替換。許用持續(xù)時(shí)間Td是根據(jù)查得的應(yīng)力除以系數(shù)K'得到應(yīng)力值，再由圖I-14.6確定。Td結(jié)果見表3。

表3 采用等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線推導(dǎo)許用持續(xù)時(shí)間